浅埋层状软岩隧道监测与控制技术研究

聂军委

(铁正检测科技有限公司，山东 济南 250014)

0 引言

进入21世纪以来工程地质界对于软岩的定义也有了共识[1]，并建立了较为完善的理论体系和实践技术指南，刘志春等[2]以乌鞘岭隧道监控量测数据，分析了挤压性围岩隧道大变形的基本特征和机理；何满潮[3]针对深部软岩工程问题，从岩石吸水、不对称结构面、岩爆、高温高湿的环境以及温度-压力耦合作用下气体运移等方面论述了深部软岩工程的变形破坏机理；关宝树[4]总结了国内外控制隧道开挖后变形的基本对策：李术才等[5]就大变形的定义、分类、形成机制、判定标准及工程对策等方面进行了系统的总结和讨论；李国良等[6]对乌鞘岭隧道岭脊地段的变形控制技术进行了研究。

1 工程地质概况

梅家沟隧道隧址区位于绵阳市平武县白马乡祥述家寨东侧，S205省道从隧址区通过，交通便利。隧道全长2.38 km，梅家沟隧道左线和右线均为Ⅴ级围岩。围岩主要为强、中风化千枚岩、炭质板岩、炭质板岩夹薄层千枚岩，裂隙发育，多为泥质充填，软～较软岩，岩体破碎～较破碎，岩质软，遇水易软化，隧道地表水主要受制于冲沟影响，地下水主要为基岩裂隙水，大多呈点滴状为主，局部断层破碎带地段有涌突水。

2 监测现状

2.1 现场监控量测概况

根据九绵高速隧道监控量测数据平台导出的监控量测数据，绘制断面变形速率极值和累计值如图1所示。

分析可知，梅家沟隧道左、右洞的周边收敛累计值普遍在150 mm以上，而拱顶下沉量累计值普遍在50 mm以上，可知该隧道收敛大变形为主，拱顶下沉较小，其量值比率在2～6之间，而对现场初支状况的观察，现场的初支变形破坏中的拱架连接位置受剪切和挤压较为明显，边墙大面积剥落，而初支拱顶状态较为完整，一定程度上验证了监测结果和现场变形的匹配性。

2.2 存在问题

1)现场监控断面及断面测点的布设原则遵循公路隧道施工技术规范及参考了铁路隧道监控量测技术规程，按照规范中从严的标准确定断面间距和测点数量以及监测项目[7]，但是在本工程软岩地质中，已有监测项目难以满足工程施工需要，风险极高[8]。

2)数据预警指标沿用传统的分析方法，即前者遵循三分点定位原则，而极限变形量的确定长期以来具有争议，特别是软岩大变形隧道，可参考性尚待商榷。

3)采集数据的分析方法大多采用规范给定的作图法，但在软岩隧道中，该方法不仅没有考虑开挖到布点之间的围岩发生的沉没变形，而且对于流变性较为明显的地质中，变形不稳定问题，即无法通过回归分析确定稳定值，因此同样需要对数据分析进行优化。

3 优化监测方案

为提高施工监测的质量，提供有效、合理的结论和建议，切实评价现场作业效果，指导和优化施工方案，对目前的监控方案进行了优化，对隧道单点三维变形、单点径向变形进行开展量测，并现场针对收敛变形及时预警做了研究。

3.1 隧道单点位移三维量测设备研制

单点位移三维量测装置如图2所示。

本量测装置是由锚固模块、基点传导模块、位移量测模块和封闭模块组成，锚固模块是由树脂药卷或水泥药卷锚固剂与锚固管组成，可与岩体牢固粘合；基点传导模块与锚固模块螺纹连接；位移量测模块采用分离式机械法量测，其中一根刚性杆件作为水平横向位移量测基点，延伸至扩大孔中，另一根作为水平纵向和竖向位移的量测基点，采用激光灯和方格板直观显示当前的沿隧道纵向和竖向的位移量值；封闭模块可有效保护装置免受外力损伤。

3.2 数据统计分析建议

针对梅家沟隧道前期所积累的部分监控量测的资料，以次为基础，且可不断添加新的资料为依托，采用概率统计的方法进行分析，以获取不断完善的、有量值判断价值的变形门槛值。

1)对监测到的变形，可分类为拱顶下沉和各断面的收敛，这些值又可分为累计值和速率值。2)对电子表格Excel上的数据按变形量(或变形速率)的大小自动进行排序，测试次数，可用Ni来表示，这时每一测试值对应的Ni=1。3)对已排序的变形(或变形速率)值，按图1所示从小到大等分划分为若干变形段，一般分为10段～30段，可以统计每个变形段的Ni值，这时Ni值一般为等于或大于1。4)以各个柱状变形的中心点为变形值(mm)，纵坐标值Ni不变，这时的纵坐标Ni应去掉下标i而改为N值,它的物理意义为:小于某个变形量实测的次数，再次进行计算，计算得到每个变形区间中的分布概率。

3.3 应用案例

基于该结构可靠度原理[9]，对支护结构的破坏监控值进行统计，从开工监控初始断面开始建立该支护形式下结构可靠度概率分布图，如图3所示。

该方法的优点是统计的数据来自实际工程，它综合考虑了不同的岩性、不同的仪器误差、不同的施工技术、不同的人员水平的共同影响[10]，且这个统计关系随着工程进度和监控量测数据的增加是可不断完善而变得更加可信，无限接近于极限位移值。

结合梅家沟隧道具体施工工况，选取5%，10%，15%三个超越概率，确定预警级别，分别为红色预警、橙色预警、黄色预警，并反推其预警门值如表1所示。

通过数理统计分析得到的不同超越概率下的预警门值与相关规范相对比，可知该预警体系相对宽松，与现场新奥法施工更相匹配，在保证现场安全施工和进度的前提下，极大程度上降低了预警停工频率。

4 支护对策优化分析

针对软岩大变形的技术难题，现场进行了大量探讨和尝试，形成优化支护方案，如表2所示，并针对此方案进行了数值模拟和现场试验。

表2 梅家沟隧道优化支护方案

4.1 数值模拟分析

隧道开挖作为典型的三维空间问题，本模拟方案采用优化方案的支护工艺流程。模拟顺序为先执行开挖1.5 m进尺，安装钢拱架，在隧道上部掘长度为4.5 m，直径42 mm的孔，安装注浆导管，形成超前预支护罩，然后在两相邻钢拱架之间施作喷射混凝土，最后在掘进工作面前方安装水平锚杆。

通过对隧道关键点(拱顶、隧底、拱腰、隧道地表)的竖向位移进行监测，除隧底发生竖向隆起外，其余均呈现相似规律的下沉，其中地表下沉量最大为15 mm。

如图4所示，在隧道周边发生大范围的塑性屈服，其中隧底范围最大达9.8 m，开挖面前方5 m处以及边墙深部6 m处均发生塑性破坏，施加优化支护方案后，锚杆所形成的拱效应有效利用了塑性区围岩的承载拱，对围岩发挥良好的支撑束缚作用，而钢拱架和喷射混凝土则有效发挥了承压作用。

对比围岩塑性区分布，对初期支护的受力进行了计算，结果如图5所示，初期支护受力不均匀，范围在2 000 N·m～8 890 N·m，并且在开挖节点处受力较大，应力集中现象不明显。通过对超前锚杆的受力进行计算，得到如图6所示结果，锚杆最大轴力为180 kN，锚杆所受围岩最大的剪力为114 kN，结果表明，超前锚杆发挥作用比较充分，有效利用了锚杆的承载性能，一定程度上减轻了初期支护的围岩压力，在初期支护形成有效的支护结构之前，保障了岩体的稳定。

4.2 现场试验段监测

通过对现场浅埋层状软岩分布典型的里程作为试验段，实施优化方案之后的初支变形监测结果如图7所示。针对试验断面进行39 d监测结果显示，周边收敛速率预警出现7次，量值是8.9 mm/d，拱顶下沉尚未出现预警，日最大下沉量值为4.6 mm/d，且在20 d后出现稳定趋势，累计变形量大幅度降低，其中周边收敛累计变形量为111 mm，拱顶下沉变形量为63.6 mm，相较于优化前440 mm和150 mm，降低幅度分别为74.5%和58%，试验段监测数据和现场较好的支护状态验证了优化方案的可行性。

5 结语

1)隧道监控量测针对不同地质确定主要项目对于指导现场施工具有重要意义，本文提出的隧道单点三维变形量测有效解决了隧道偏压监测难题，并对不同部位根据数据量采用不同的支护措施。

2)工程可靠度概念分析有效降低了现场预警频率，提升了监控数据对设计和施工的科学化、合理化。

3)本文所提出的各工序的支护参数，使各支护单体形成有效的协同作用整体，共同抑制了围岩的有害变形，保证了支护结构的稳定。