基于檀树湾隧道监控量测的围岩变形特征分析

2017-01-19唐金

采矿技术 2016年3期

关键词：掌子面拱顶断面

唐金

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 411004)

基于檀树湾隧道监控量测的围岩变形特征分析

唐金

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 411004)

结合檀树湾隧道现场监控量测工作，研究了隧道围岩的变形特征。通过分析隧道拱顶变形和周边收敛变形发现围岩变形曲线主要表现为台阶型、抛物线型和厂型3类曲线，且各类型曲线变化过程可划分为快速变形阶段、过渡变形阶段和稳定收敛阶段3个阶段；对围岩变形进行回归分析发现，指数函数能较好的拟合围岩拱顶沉降曲线和周边收敛曲线；通过围岩变形与掌子面的距离空间效应分析，给出了施作二衬的合理间距。结合隧道监测结果，分析了围岩变形的主要影响因素。

监控量测；回归分析；围岩变形；时空效应

0 引言

新奥法是目前国内外隧道设计与施工的核心思想，它强调隧道围岩是支护体系的一部分，即充分发挥围岩的自稳能力。随着隧道工程的不断发展，越来越多的隧道建设采用了新奥法施工。而在新奥法施工过程中，勤测量是保证隧道安全施工的重要手段。通过对隧道围岩变形实时监测与分析，为隧道二次衬砌支护提供理论依据；通过测量隧道围岩变形及观测围岩是否产生裂缝，预测隧道塌方情况，从而避免发生安全事故。王彦清利用位移反分析法对厦门翔安海底隧道变形进行预测，其结果在对控制隧道变形起到了重要的作用[1]。刘冠兰基于工程实例研究了地铁隧道变形监测关键技术与分析预报方法[2]。谷志祥通过分析大南沟隧道不同开挖方法下的围岩变形，基于现场监控量测数据建立了围岩变形预测模型[3]。本文对檀树湾隧道的现场监控量测得到的围岩变形-时间、空间曲线进行分类，分析了围岩变形的时空效应及影响因素，并给出了施工二次衬砌的合理掌子面距离，对保障檀树湾隧道安全施工及类似工程具有重要意义。

1 工程概况

娄衡高速檀树湾隧道位于湖南省娄底市双峰县镜内，左线娄底端里程桩号为ZK11＋670，衡阳端里程桩号ZK12＋698，隧道全长1028 m；其中明洞30 m，Ⅲ级围岩529 m，Ⅳ级围岩221 m，Ⅴ级围岩248 m。右线娄底端里程桩号为K11＋670，衡阳端里程桩号K12＋690，隧道全长1020 m；其中明洞30 m，Ⅲ级围岩520 m，Ⅳ级围岩222 m，Ⅴ级围岩248 m。场地地貌类型为丘陵地貌，地表剥蚀较强烈。隧道所穿越的丛毛大山基本呈不规则带状，山顶最大高程282.5 m；隧道起点段位于从毛山北侧坡脚，山前冲沟底部最低高程为113.7 m，北侧山坡坡脚较缓，为山坡坡前堆积体，厚度较大，缓坡宽约130～150 m；山坡上部自然坡底较大，覆盖层较薄。左、右线洞门均无偏压，娄底端洞门采用削竹式洞门，衡阳端采用端墙式洞门。

2 檀树湾隧道监控量测技术与方法

2.1 监测技术及方法

依据国家规范[4]和设计文件，檀树湾隧道监控量测项目主要有地质观测、周边收敛、拱顶下沉和地表沉降。隧道洞口及浅埋段地表沉降测点布置见图1。由于隧道采用台阶法开挖，拱顶测点和周边收敛测线的布置见图2。地质观测主要包括地质内容(岩性特征；地层时代及产状；节理、断层的性质、产状；地下水；开挖工作面的稳定状态；围岩类型等)和开挖后已支护段情况，包括初期支护完成后对喷层表面的观察以及裂缝状况的描述与记录；有无锚杆被拉坏或垫板陷入围岩内部的现象；喷混凝土是否产生裂隙或剥离，喷混凝土是否发生剪切破坏；钢拱架有无被压曲现象；有无底鼓现象等。

2.2 监测数据分析方法

监测数据的稳定收敛是反应隧道围岩稳定的主要手段之一。通过对监测数据进行回归分析，预测围岩变形速率及最终变形量，进而为后续施工提供指导。常用的一元非线性回归方程主要有3种:

(1)对数函数:

(2)指数函数:

(3)双曲线函数:

式中，a，b为拟合常数。

图1 周边位移、拱顶下沉测点布置

图2 地表沉降测点布置

3 隧道围岩变形特征分析

隧道开挖扰动打破原岩的应力平衡状态，同时由于隧道施工方法、地质条件、支护形式的差异，围岩的扰动程度也大不相同。开挖扰动下的围岩变形发展随着掌子面的开挖表现出明显的时空效应。

3.1 洞口段地表沉降结果分析

檀树湾隧道左右线同时施工，Z7K12＋672和YK12＋670断面分别位于隧道左右洞口段。由于洞口段处的围岩等级低，岩体破碎，自稳能力差，当进行洞口开挖扰动时极易发生地表沉降。左右线洞口处断面地表沉降随时间的变化曲线如图3所示。监测结果显示，Z7K12＋672和YK12＋670断面各地表沉降点在监测开始50 d后都趋于稳定。各测点沉降变化波动小，日均变化速率为0～0.5 mm/d，各断面的累计沉降最大值都在隧道轴向附近，且离轴线距离越远，沉降变形越小，这与Peck沉降曲线相一致[5]。同时随着隧道埋深增大，地表沉降变形逐渐减小。因此，对于洞口段开挖应加强重视，应采取超前支护等有效措施严格控制地表沉降变形。

图3 檀树湾隧道地表沉降横向曲线

3.2 围岩变形的时间效应分析

围岩变形是一个随时间变化的过程，不同阶段岩体变形规律各部相同，具有明显的时间效应。

3.2.1 拱顶变形规律

选取檀树湾隧道左线断面ZK12＋555进行围岩变形分析，断面拱顶沉降与时间关系见图4。由图4可知，采用台阶法开挖时，该断面的拱顶沉降变形累计沉降量为48.94 mm，变形过程主要分为 3个阶段:

(1)快速变形阶段，当隧道上台阶开挖后，拱顶变形出现了快速沉降，日沉降量最大达3.75 mm，平均沉降速率达到1.97 mm/d，累计沉降量达25.63 mm，占总沉降量的52.4%；

(2)变形过渡阶段，该阶段日沉降量仍较大，但变形速率有减小的趋势，主要发生在下台阶开挖过程。该阶段累计沉降量达21.22 mm，占总沉降量的44.1%；

(3)变形稳定收敛阶段，初期支护后10 d左右，沉降变形逐渐变小并趋于稳定，该阶段变形速率逐渐减小，最终趋向为零。

采用公式(1)、(2)和(3)分别对原始数据进行回归分析，通过拟合结果发现指数函数为ZK12＋555断面拱顶沉降与时间关系曲线的最佳拟合函数。拟合结果为a＝59.4，b＝0.046，相关系数R2＝0.98。因此ZK12＋555断面拱顶沉降与时间关系曲线的方拟合程为:

3.2.2 周边收敛变形规律

图5为断面ZK12＋555上测线周边收敛与时间关系曲线图。由图5可知，上测线周边收敛累计稳定值为34.71 mm，变形过程主要分为3个阶段:

(1)急速变形阶段。当隧道上台阶开挖后，周边收敛变形出现了快速变形，日变化量最大达3.85 mm，大约6 d后变形速度变小，平均沉降速率达到2.92 mm/d，累计沉降量达18.32 mm，占总变形值的50.5%；

(2)过渡变形阶段。该阶段变形主要受下台阶开挖影响，但变形速率变化较小，平均变形速率为1.29 mm/d，该阶段的变形量为14.22 mm，占总变形量的40.9%；

(3)收敛稳定阶段。该阶段变形速率逐渐减小，最终趋向为零。对原始数据进行回归分析，发现指数函数为ZK12＋555断面周边收敛与时间关系曲线的最佳拟合函数。拟合结果为a＝39.8，b＝0.084，相关系数R2＝0.97。因此ZK12＋555断面周边收敛与时间关系曲线的方拟合程为:

图4 ZK12＋555断面上测线周边收敛曲线

通过监测结果发现围岩变形的时间特征曲线主要分为3类:台阶型、抛物线型和厂型。拱顶沉降与时间关系曲线受上下台阶开挖影响主要表现为台阶型曲线，可分为3个阶段:快速变形阶段、变形过渡阶段及稳定收敛阶段。各阶段的持续时间与后续工序关系密切，跟进速度越快，持续时间则越小。周边收敛与时间关系曲线多表现为抛物线型和厂型。上测线的周边收敛由于受下台阶开挖影响多表现为抛物线型曲线，而下测线的周边收敛曲线则主要表现为厂型曲线。

3.3 围岩变形的空间效应分析

围岩变形的空间效应表现在随着掌子面的推进，围岩变形逐渐趋于稳定的现象。图5为ZK12＋555断面在台阶开挖法下围岩变形与掌子面距离的关系。由图5可知，ZK12＋555断面拱顶沉降空间效应呈“台阶”增长，上测线周边收敛的空间效应表现出“抛物线型”，而下测线则表现出“厂型”。在距掌子面的距离为2.6倍洞径时，拱顶沉降变形趋于稳定，而周边收敛时与掌子面距离约2.9倍洞径，故建议在Ⅴ级围岩施工中，当距离掌子面三倍洞径时可施作二次衬砌。

图5 围岩变形与掌子面距离的关系

3.4 围岩变形影响因素分析

围岩变形过程复杂，影响因素众多，不仅受隧道施工、断面尺寸等工程影响[6]，还与岩体地质条件、构造有关，如:岩体力学特性、围岩类别、地下水、隧道埋深等[7]。结合监控量测结果，檀树湾隧道围岩变形的影响因素主要有:

(1)围岩类别。围岩的类别及力学特性对其稳定性起着至关重要的作用，同时也是围岩变形的最主要影响因素之一。对于硬岩易引起岩爆、剥落和开裂现象；软岩则变形问题突出。施工过程表现出的大变形、失稳、塌落等问题与岩性密切相关。同时围岩级别越高，围岩变形越大。这是由于围岩级别越高，节理裂隙越发育，工程特性越差，当进行开挖扰动出现应力释放时，高级别围岩便表现出较大的岩体变形。

(2)初始地应力。围岩在最大主应力方向失稳和破坏的概率最大，所以围岩变形与初始地应力与隧道轴线关系密切联系:当地应力以垂直方向为主时，隧道拱顶沉降变形较为明显；当地应力以水平方向为主时，隧道周边收敛变形受地应力影响较大。因此在隧道工程建设中必须充分考虑主应力方向与隧道轴向及断层节理的关系。

(3)地下水及不良地质条件。地下水对围岩变形的影响主要有表现在:水能加速土体崩解，弱化岩石强度；地下水渗流产生动水压力及静水压力，改变岩土体的应力状态。不良地质条件如断层破碎带、岩溶等对围岩变形也具有一定的影响。

(4)施工开挖方法与支护工程措施。围岩变形是围岩-支护相互作用的动态表现，所以，隧道围岩的稳定性除受地质条件影响外，还受工程因素的影响[8]。隧道工程的影响因素主要包含隧道断面的尺寸、隧道埋深、开挖方法、施工工序、支护措施以及其它工程的影响等。