孙立公

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006)

隧洞施工阶段的围岩变形监控量测

孙立公

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006)

隧洞开挖后，围岩在应力的作用下，会产生一定量的洞室收敛、顶拱沉降等塑性变形，特别是在岩体破碎的洞室内，该种变形会造成围岩失稳，从而产生掉块或塌方等现象，给施工设备和人员带来安全隐患。文章结合工程实例，简要阐述了施工阶段围岩变形监控量测的目的、内容、方法以及数据处理与应用，简要阐明了围岩变形监控量测在隧洞施工和设计中的作用。

隧洞施工；围岩变形；监控量测；处理与应用

0 引 言

隧洞开挖后，围岩在应力的作用下，会产生一定量的洞室收敛、顶拱沉降等塑性变形，特别是在岩体破碎的洞室内，该种变形会造成围岩失稳，从而产生掉块或塌方等现象，给施工设备和人员带来安全隐患。

为了避免事故的发生，洞室开挖后应立即施作初期支护，随即开展围岩变形监控量测工作，根据监测结果确定围岩稳定情况，从而确定是否进行二次支护以及二次支护的实施时间和程序。

1 监控量测的目的

开展围岩变形监控量测工作是喷锚支护设计和施工的重要环节，通常依据监控量测结果验证施工方案的正确性，调整施工参数，必要时采取辅助工程措施，使施工处于动态管理之下；通过监测数据与理论上的工程特性指标进行比较，了解设计的合理程度，有助于对工程设计进行修正；因地下围岩结构复杂多变，结构设计荷载常常不能确定，而且荷载与支护结构变形、施工工艺有直接关系，围岩变形监控量测可以为支护结构设计和施工方案的修订提供反馈信息，验证支护结构设计；通过监控量测了解该工程条件下地下工程的规律和特点，为其他类似工程提供借鉴、依据和指导[1]。

2 监控量测的内容与方法

2.1 监控量测的内容

实施监控量测的隧洞必须进行地质和支护状况观察、周边位移和顶拱沉降量测。主要包含了3个方面：

1)地质观察应包括：洞外的地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定及地表水渗透情况的观察；洞内对隧洞掌子面开挖后进行工程地质与水文地质观察。

2)支护状况观察包括检查喷射混凝土有无裂损及发展、锚杆有无松动及拱架支护状态观察等。

3)进行洞室水平收敛位移量测和顶拱沉降量测，必要时还应进行底板鼓起量测和地表下沉监测。

2.2 监控量测的方法

监控量测断面应安排在工程的关键部位或围岩稳定较差的部位，紧跟掌子面进行布置。每个量测断面的测点应安设在距掌子面1 m范围内，数量一般情况下为5点，但不得<3点，应在开挖后立即埋设，测点应牢固，做好保护，防止人为、机械或开挖飞石碰动[2]。

量测收敛值的仪器精度≥0.01 mm，正式使用前应经过计量部门检定，并经过试验室校正。在测点布置后12 h内和下一次开挖之前测取初读数，及时准确填写监控量测记录表，保留原始数据，各测点读数间隔时间应根据该量测数据的稳定程度进行确定和调整。

3 监控量测数据的处理与应用

3.1 数据处理

监控量测所得的原始数据应及时绘制成时态曲线(例如位移时间曲线)，当曲线的曲率趋于平缓时，应对数据进行回归分析或其他数学方法分析，以推算出最终位移值，确定位移变化规律。

3.2 数据应用

数据应用分为围岩稳定情况分析和二次支护时机控制。

3.2.1 围岩稳定情况分析

监控量测的实测位移相对值或用回归分析推算的最终位移值均应小于表1所列的数据值。

表1 隧洞周边允许位移相对值 %

注：1.周边位移相对值系指两测点间实测位移累计值与两测点间距离之比或拱顶下沉实测值与高度之比。两测点间位移值也称收敛值；2.脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值；3.表列数值可在施工过程中通过实测和资料累积作适当修正。

当围岩位移速率不断下降时，初期支护措施无破坏现象，表示围岩趋于稳定状态；当围岩位移速率无明显下降或急剧增长，同时初期支护措施出现破坏现象时，表示围岩不稳定，必须立即采取补强措施，并改变施工程序或设计参数，必要时应停止开挖，进行施工处理[3]。

3.2.2 二次支护时机控制

需进行二次支护的隧洞应同时达到下列三项标准时方可进行后期支护的施作：

1)隧洞周边水平收敛速度<0.2 mm/d，拱顶或底板垂直位移速度<0.1 mm/d。

2)隧洞周边水平位移速度以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降。

3)隧洞位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。

4 工程实例

4.1 监控量测工作概况

某工程隧洞断面为圆拱直墙型，开挖断面尺寸为7.9 m×7.15 m(宽×高)，圆弧高2.5 m，直墙高3.5 m。该工程按照技术条款规定的要求，Ⅳ、Ⅴ类围岩监控量测按每20 m布置一个观测断面，Ⅲ类围岩按30 m布置，采用三点三线法，如图1所示位置布置测点。

测点接环采用Φ6光圆钢筋，测点锚杆采用φ18螺纹钢筋，长度225 mm。现场采用全站仪放样出每个测点位置，采用YT—25手风钻，垂直洞壁和顶拱岩面钻孔，钻孔直径Φ38 mm，孔深240 mm。测点锚杆的埋设采用锚固剂进行固定，经过6 h后即可进行初次观测[4]。

图1 测点布置图

4.2 监控量测数据采集

该工程主要利用收敛仪和人工读数仪进行收敛量测，利用水准仪监测拱顶点的沉降。收敛计采用JSS30A型系列数显收敛计，基本参数：量测范围0.5m～15m；测量精度：0.01mm；数显示值稳定度：24 h≤0.01 mm。

监控量测的读数频率主要根据位移速度及离工作面的距离确定，应从表2中选择较高的一个量测频率。

表2 量测频率表

注：B为毛洞宽度

当位移速率明显下降，水平收敛速度<0.2 mm/d，拱顶位移速度<0.1 mm/d时，经批准可停止量测[5]。

本文选取该隧洞桩号0+346处监控量测断面，该断面所在洞室围岩岩性为早元古代花岗岩，微风化，属于硬质岩，洞室埋深110 m，围岩类别为Ⅳ类，监控量测主要数据见表3。

表3 量测数据成果表

4.3 监控量测数据处理

根据监控量测数据成果绘制出水平收敛变形和顶拱沉降变形的位移时态曲线，详见图2。

图2 变形位移时态曲线

根据时态曲线反映的散点分布规律，选取指数函数u=Ae-B/t作为回归分析函数可能较为合理。利用Excel软件中的数据分析工具，得到回归方程如下：水平收敛：u=7.8506e-1.2291/t，相关系数R2=0.9869；顶拱沉降：u=5.7126e-1.1590/t，相关系数R2=0.9934。

当t取∞时，得到最终水平收敛位移值为7.85mm，最终顶拱沉降位移值为5.71 mm。

4.4 监控量测数据分析与应用

监控量测数据分析主要包括变形位移相对值分析、围岩稳定情况分析和二次支护时机选择。

4.4.1 变形位移相对值分析

该断面的水平距离，即B、C点间距为6 638.33 mm，高度为2 911.45 mm。得到水平位移相对值和顶拱沉降相对值分别为：0.11%和0.19%，均小于表1中对相对位移值0.4%的要求。

4.4.2 围岩稳定情况分析

4.4.3 二次支护时机选择

该断面经过13 d的监控量测发现，水平收敛速度已<0.2 mm/d，拱顶沉降速度已<0.1 mm/d；水平位移速度以及拱顶沉降速度明显下降；水平位移相对值和顶拱沉降相对值均达到94%，同时满足了施作二次支护的三项标准，可以进行后期支护施工。

5 结 语

在对监控量测数据进行回归分析时，根据时态曲线可选取对数函数、指数函数或双曲函数中曲线拟合最优者作为回归分析函数。

在工程施工过程中，影响监控量测数据的因素较多，如工程地质条件、围岩爆破及人员素质等，这就要求量测人员应提高对监控量测重要性的认识，提高人员素质，保证量测数据的真实准确，为施工安全与支护设计提供数据支持。

[1]揣连成，杨能，王梓晗.围岩变形监控量测在隧洞施工中的应用[J].水利水电技术，2006，37(04)：27-29.

[2]中华人民共和国水利部.SL377—2007水利水电工程锚喷支护技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2007.

[3]原国家冶金工业局.GB50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].北京：中国计划出版社，2001.

[4]宋维圣.大伙房水库输水工程围岩变形监控量测[J].东北水利水电，2006,24(09)：13-14.

[5]张照太，陈竹，杨晓迎.超长隧洞TBM发施工围堰变形监测方法分析[J].水利建设与管理，2007(11)：32-34.

[6]宋彦刚，陈方方，李宁，阳莉.紫平铺工程引水隧洞群现场监测与仿真反演分析[J].四川水力发电，2004,23(02)：12-14.

1007-7596(2014)12-0084-03

2014-09-10

孙立公(1983-)，男，吉林东辽人，工程师，研究方向为工程地质水文地质勘察。

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