大断面隧道围岩监测及变形规律研究

唐民

摘要：为研究大断面隧道围岩变形特征，在详细介绍围岩大断面隧道的施工方法的基础上，总结了现场监测施工流程以及监测布点设置。最后为揭示围岩的变形特性，选取IV级围岩断面的监测数据进行了深入分析，主要结论如下：隧道围岩拱顶沉降和水平收敛的变化规律，可通过指数函数和双曲线函数进行拟合，其中指数函数的拟合效果最优。根据实测数据拟合的曲线可以预测隧道围岩最终的变形量。28d后围岩变形基本稳定，可以进行后续二衬施工。

关键词：大断面隧道；围岩变形；拱顶下沉；水平收敛

0   引言

近年来，随着我国经济社会的不断发展和施工技术的不断精进，地下空间的利用与开发得到了空前发展[1]。由于交通量的不断增加，现有单双线隧道已经难以满足交通发展的需求，在此背景下，大断面隧道工程开始涌现，隧道建设逐渐向大断面过度[2-3]。

针对大断面公路隧道围岩变形特征的研究方法有现场监测法、室内模型试验法、数值模拟以及力学解析法等[4-5]。目前，我国已有大量学者对于大断面隧道的施工及变形规律开展了研究工作，并取得了丰富的成果。朱晓宁等[6]采用层次分析法和专家调查法，对某超大断面隧道项目进行了风险评估工作，揭示了施工风险和风险源之间的内在联系。翟炜等[7]将BIM技术应用于超大断面隧道施工中，实现了隧道施工过程的可视化管理。李先彬等[8]在某大断面隧道施工时，通过现场监测，明确了地表沉降以及围岩变形特性。

本文依托某隧道工程施工为背景，在概述大断面施工工法基础上，开展围岩变形监控测量工作，基于实时监测的变形数据，揭示大断面隧道围岩的变形特性，相关研究成果可为相似大断面隧道工程提供参考。

1   工程背景

某隧道工程全长2198m，B2标左洞长988m，右洞长942m。隧道内轮廓采用标准断面，拱部采用半径为840cm的半圆，边墙为半径为505cm的大半径圆弧，仰拱与侧墙间用半径为200cm的小半径圆弧连接，仰拱半径为2200cm。主洞路面宽13m，拱顶净空高度8.0m。紧急停车带段路面宽度16m，拱顶净空高度8.789m，隧道内纵坡-0.789%。隧道主洞净空断面如图1所示。

该隧道所处地质情况较复杂，部分隧道位于软弱围岩地段，施工难度较大，施工工艺较复杂。此外，地勘资料显示，隧道工点所处区域地形较为起伏，坡面残积层分布广泛，边坡坡度约为15～25°之间，边坡表面植被发育良好。

2   现场监测方案

2.1   现场监测施工流程

由于大断面隧道施工的复杂性和特殊性，在施工过程中，需要结合洞外观测与隧道内部测量数据，确定隧道围岩的物理力学参数，并以此确定最终的施工方法。

岐岭隧道按新奥法原理组织施工，在施工时需要进行现场的变形监测，基于对监测数据的分析，全面掌握隧道施工信息，及时监控围岩的稳定性，以此来保证隧道工程能够安全、快速的推进。具体的测量施工流程如图2所示。

2.2   主要监测内容

根据相关规范要求，结合岐岭隧道的工程特点，明确施工期间的主要监测项目包括地质及支护状况观测、拱顶沉降监测、水平收敛以及地表沉降观测。其中，地质及支护状况观测仅在开挖后和初期支护后进行。拱顶沉降和水平收敛需监测整个隧洞，地表下沉则主要布置于洞口浅埋段。

2.3   监测点位设置

在进行拱顶沉降和水平收敛测量时，选取全站仪搭配反光片进行围岩变形的监测。拱顶沉降观测点布置于隧洞拱顶轴线处，水平收敛监测点则布置于隧洞轴线两侧，并保持其在同一水平线上。此外，在布设测点时，应尽量保证水平和竖向监测点位于同一断面上，具体测点及测线的布置如图3所示。

3   监测数据处理及分析

本文主要研究的是岐岭隧道施工过程中围岩的变形情况，因此选取最为直观的隧洞拱顶沉降和水平收敛测线位移量的变化进行分析研究，以此揭示开挖后隧道围岩沉降变形特性，从而进一步评价围岩的稳定性。由于监测数量过于庞大，本文着重选取IV级围岩区段的变形特性进行深入分析。

3.1   IV级围岩区段拱顶变形特性分析

选取IV级围岩区段的断面K58+160的监测数据，对拱顶沉降数据进行分析。拱顶位移随时间的变化规律及拟合曲线如图4所示。

由图4分析可知，针对IV级围岩断面，拱顶位移的沉降规律，可以使用指数函数和双曲线函数进行拟合。综合相关系数及残差平方和等参数，得出指数函数的拟合效果最好，其拟合方程如下：

H=30.88983（1-e-1.13872t）          （1）

该拟合方程的相关系数为0.998，残差平方和为0.0868。根据该拟合方程進行计算，最终得出K58+160断面隧道预测的最终拱顶沉降位移约为30.89mm。

根据《江西省普通公路施工标准化指南》中提出的围岩变形控制标准，断面埋深50～150m的IV级围岩隧道的容许变形量为0.4%～1.2%。而K58+160该断面隧洞的开挖高度约为11.36m，拱顶相对位移为0.2719%，在规范容许区间，说明可以正常施工。

该断面的拱顶下沉速率曲线如图5所示。由图5可知，围岩变形主要集中于14d之前，随后变形速率明显降低。由此可以推断出监测28d后，沉降速率小于0.1mm/d，据此认为此时拱顶下沉已经基本稳定。

3.2   IV级围岩区段水平收敛变形特性分析

断面K58+160测线2的水平收敛随时间的变化规律及拟合曲线如图6所示。由回归分析可知，水平收敛的拟合曲线，同样为指数函数拟合的效果最佳，与现场实测数据也最为接近，其拟合方程如下：

H=27.648（1-e-0.13107t）          （2）

该拟合方程的相关系数为0.99519，残差的平方和为0.2273。根据拟合方程，预测K58+160断面的最终水平收敛位移值约为27.648mm。根据规范中的围岩变形控制要求，该断面的水平收敛变形值满足规范要求，具体计算方法同上。

K58+160断面的水平收敛速率如图7所示。由图7可知，根据水平收敛速率曲线可以预测，当监测约23d之后，水平收敛速率小于0.2mm/d，基本可以认为水平收敛已经趋向稳定。

综上所述，对于IV级围岩的拱顶下沉和水平收敛的变化特性分析可知，使用指数函数拟合实测数据的效果最佳，与现场监测数据最为吻合。根据拟合方程可以对不同方向的围岩变形加以预测。基于本次现场实测结果，判断出K58+160断面开挖后约28d，围岩基本满足二衬施工要求，该结果能够有效提出二衬结构施工的最佳时间。

4   结束语

艰险山区隧道工程开挖断面大，围岩应力状态复杂，一旦施工方法不当，会诱发围岩的破坏，严重影响隧道工程的安全进行。为研究大断面隧道围岩变形特征，在详细介绍围岩大断面隧道的施工方法的基础上，总结了现场监测施工流程以及监测布点设置。最后为揭示围岩的变形特性，选取IV级围岩断面的监测数据进行了深入分析，主要结论如下：

围岩变形随时间的变化规律可通过指数函数和双曲线函数拟合，其中指数函数效果最好。

基于最优的拟合曲线可以预测隧洞围岩的最终变形量，拱顶沉降最大值为30.89mm，水平收敛的最大值为27.648mm。

施工过程中，隧道的变形量均满足规范要求，在监测28d后，围岩变形基本稳定，可以进行二衬施工。

参考文献

[1] 姜封国，白丽丽，宋敏，等.哈尔滨城市地铁大断面隧道施工稳定性分析[J].吉林大学学报（工学版），2020，50（4）：1419-1427.

[2] 杜明庆，张顶立，王旭春，等.大断面隧道仰拱底鼓破坏模式[J].中国公路学报，2018，31（10）：292-301+358.

[3] 许平，杨秀竹，李月森，等.堆积体地层下大断面隧道采用双侧壁导坑法施工的适应性研究[J].现代隧道技术，2022，59（S1）：803-810.

[4] 齐辉，商成顺，胡超，等.超大断面隧道施工围岩-支护结构稳定性研究[J].人民长江，2020，51（9）：135-141.

[5] 俞凡，高筠涵，施劭矗，等.深埋软弱围岩隧道初支变形及破坏特性模型试验研究[J].公路，2020，65（3）：313-318.

[6] 朱曉宁，黄俊，董飞，等.超大断面隧道施工安全风险分析及控制研究[J].现代交通技术，2022，19（3）：44-52.

[7] 翟炜，方伽月，赵世才，等.基于BIM的超大断面隧道智能化施工管理技术[J].建筑技术，2022，53（6）：663-666.

[8] 李先彬，舒志乐，刘保县，等.大断面软岩隧道施工监测分析与应用[J].西华大学学报（自然科学版），2019，38（3）：12-18.