徐 刚 ， 魏海云 ，3，黄剑锋 ，赵震波 ，卢 立

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2. 浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3. 浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020；4. 浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

杭州市第二水源千岛湖配水工程输水洞线全长112.34 km，起点金竹牌进水口位于淳安县金竹牌村附近，沿途经淳安县、建德市、桐庐县、富阳市，在杭州市余杭区桦树村接入闲林水库，其中输水隧洞混凝土衬砌段长约102.39 km，圆形断面，衬后直径6.70 m，输水隧洞开挖采用钻爆法掘进。本次监测区域范围为：千岛湖进水口—山岗坞支洞控制段K0 + 000.0 ～ K39 + 265.0 m，穿过岩层有灰岩、砂岩、局部夹薄层的粉砂质泥岩等软岩，围岩类别为Ⅰ～Ⅴ类，以Ⅱ～Ⅳ为主，主要地质不良现象有岩溶、风化、坍塌等。

隧洞开挖采用新奥法施工，充分维护和利用围岩自承能力，初期支护采用钢拱架、锚喷等柔性支护体系，使围岩与支护形成共同承载的结构体系。为了掌握围岩和初期支护的动态信息并及时反馈、指导施工作业，需在洞挖中对隧洞收敛变形进行观测，将监测的成果反馈于设计与施工过程中，以确保工程施工安全和经济性[1]。收敛观测是采用仪器量测隧洞开挖后洞周若干点相对位置的变化，及时掌握围岩变形发展动态，监测施工过程中隧洞的安全程度。是检验围岩是否稳定和支护是否合理的重要手段之一[2]。收敛观测一般为周边收敛和拱顶下沉，是观测隧洞围岩和支护的综合影响因素最为直观的反映，本次收敛观测为施工期观测，观测时间从隧洞开挖至后期衬砌前。

2 收敛观测内容及设置

2.1 收敛观测布置

隧洞工程施工期监测原则为：监测项目选择应针对具体的地形及地质条件和监测目标，体现其针对性；监测数据采集应按施工程序紧跟掌子面，体现其及时性；监测信息反馈分析应配合施工临时支护的力学分析，体现其对施工监测的指导作用。本工程隧洞收敛观测设计的主要依据为GB 50086 — 2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》[3]，SL 279 — 2016《水工隧洞设计规范》[4]和SL 377 — 2007《水利水电工程锚喷支护技术规范》[5]。

（1）收敛变形监测：主要监控隧洞掘进过程中平面内空尺寸的变化情况。本工程设计隧洞内收敛变形（收敛测点）监测断面布置原则：Ⅰ～ Ⅲ类围岩各2个断面，施工支洞各布置1个断面，Ⅳ、Ⅴ类围岩中，间距50 m布置1个断面，每个监测断面布置5个收敛测点。

（2）拱顶下沉监测：拱顶下沉监测主要监控隧洞掘进过程中竖向尺寸的变化情况，指导施工期的支护。拱顶下沉及底板隆起监测断面主要布置在Ⅳ、Ⅴ类围岩中，间距50 m布置。每个监测断面布置1个测点，与拱顶的收敛点结合使用。

本工程典型隧洞收敛测点及测线布置见图1，典型观测断面布置情况见表1。

图1 隧洞收敛测点及测线布置

表1 隧洞收敛典型观测断面布置表

2.2 收敛观测方法

根据洞挖断面围岩岩性、围岩类别等地质资料，确定收敛测桩的埋设位置。监测断面在距开挖面1 m范围内布设，测桩安装前，应清除测桩安装处的松动岩石，测桩应牢固可靠，一般埋设深度20 cm。测桩采用专门制作的膨胀螺栓，其挂钩为封闭的不锈钢环。在围岩，用冲击钻钻一个深度20 cm以上的钻孔，用速凝水泥砂浆将测桩埋设，待水泥砂浆凝固后进行观测。本工程观测仪器采用美国基康仪器公司的GK - 1610 - 2 - 20型高精度数显式铟钢尺式收敛计，量程20.00 m，量测精度0.01 mm。

在工作面开挖后12 h或下一循环开挖前，完成测点并读取初始数据。每次观测时，记录开挖面距观测断面的距离、隧洞施工与支护情况。每次量测测读3次，读数互差不超出收敛计的精度，取其平均值作为当次测值。拱顶下沉和收敛变形观测频率根据围岩变形规律及现场要求确定，掌子面2倍洞径以内，测桩安装后1 ～ 15 d，其后监测频率为每月4次，观测24个月。当观测结果表明围岩变形明显增大时，应加大观测频率；当发现观测值有明显异常时，应重新观测并查明原因。

3 监测成果分析

3.1 收敛控制指标

根据工程要求和工程实际情况，并参考《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》和Q/CR 9218 — 2015《铁路隧洞监控量测技术规程》[6]，表2和表3给出本工程隧洞允许的收敛量和拱顶下沉量。表2中洞周相对收敛量是指两测点间实测位移值与两测点间距离之比。表3中拱顶相对下沉是指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比。当观测值达到或超过允许的收敛值时，应报警并采取加强支护的措施。

表2 隧洞周边允许相对收敛值表 %

表3 隧洞拱顶相对下沉表 %

3.2 收敛变形分析

各观测断面测线的收敛变形特征值见表4，各断面收敛变形及收敛变形速率随时间变化的过程曲线分别见图2 ～ 7。由表4和图2 ～ 5可知，由于围岩开挖的空间效应和时间效应，开挖初期位移随时间迅速增大，随着时间的增加和测点离掌子面的距离越来越远，一般情况下围岩的变形速率越来越小，位移逐渐趋于稳定。

表4 隧洞收敛变形特征值统计表

由表4、图2 ～ 3可知，ID1及ID4断面围岩为砂岩，Ⅳ类围岩条件一般，变形蠕变时间长，收敛测值大。ID1断面收敛观测始于2018年5月23日，7月21日变形速率小于0.10 mm/d，9月20日变形速率趋近0.02 mm/d，围岩变形趋于稳定，最大累计收敛变形26.43 mm，相对收敛为0.38%，未超限。

ID4断面收敛观测始于2017年5月27日，8月6日累计收敛变形30.10 mm，相对收敛0.40%，达到设计控制指标值（0.40%），10月20日累计收敛变形41.44 mm，变形速率小于0.10 mm/d，10月29日变形速率突然增至0.93 mm/d，当即采取隧洞拱底支撑加固措施，11月18日变形速率趋近0.02 mm/d，围岩变形趋于稳定，最大累计收敛变形56.52 mm，相对收敛0.78%。

图2 ID1断面收敛变形及收敛变形速率过程线图

图3 ID4断面收敛变形及收敛变形速率过程线图

图4 ID2断面收敛变形及收敛变形速率过程线图

图5 ID3断面收敛变形及收敛变形速率过程线图

图6 ID6断面收敛变形及收敛变形速率过程线图

由表4、图4 ～ 6可知，ID2、ID3及ID6断面围岩为泥岩，Ⅳ类围岩，围岩条件较差，变形蠕变时间长，收敛变形显著较大。ID2断面收敛观测始于2018年6月12日，11月6日变形速率趋近0.01 mm/d，围岩变形趋于稳定；最大累计收敛变形66.20 mm，相对收敛0.98%，超出设计控制指标值（0.80%）。

ID3断面收敛观测始于2018年1月25日，1月28日累计收敛变形35.11 mm，相对收敛0.55%，2月8日累计收敛变形115.57 mm，相对收敛1.85%，远超设计控制指标值（0.40%），当即实施钢拱架锁脚锚杆、底支撑加固措施，4月17日又进行围岩灌浆加固，变形速率逐渐减小，2018年5月9日变形速率趋近0.01 mm/d，围岩变形最后趋于稳定；最大累计收敛变形148.75 mm，相对收敛2.34%。

ID6断面收敛观测始于2018年1月12日，2月10日变形速率小于0.10 mm/d，4月27日变形速率趋近0.02 mm/d，围岩变形趋于稳定，最大累计收敛变形14.40 mm，相对收敛为0.19%，未超限。

图7 ID5断面收敛变形及收敛变形速率过程线

由表4和图7可知，ID5断面位于岩溶区，围岩为灰岩，Ⅲ（1）类围岩条件较好，各条测线收敛测值较小，洞周最大收敛变形3.00 mm，相对收敛0.05%；围岩变形收敛速度较快，24 d左右时变形速率趋近0.02 mm/d，围岩变形趋于稳定。

3.3 拱顶下沉分析

表5为隧洞拱顶下沉特征值统计表，图8为各断面隧洞拱顶下沉过程线图。由表5和图8可知，隧洞拱顶下沉变化规律与收敛变形类似，开挖初期拱顶下沉随时间迅速增大，当达到一定时间后，下沉速率越来越小，最后逐渐趋于稳定。

位于砂岩段的ID1断面隧洞拱顶下沉测值大，累计拱顶下沉17.20 mm，相对下沉量0.25%；ID4断面拱顶下沉持续增长，采取隧洞拱底支撑加固措施后，拱顶下沉趋于稳定，累计拱顶下沉32.53 mm，相对下沉量0.46%，稍超过设计控制指标值（0.40%）。

位于泥岩段的ID2断面拱顶下沉测值相对较大，累计拱顶下沉49.23 mm，相对下沉量0.70%，接近超过设计控制指标值（0.80%）；ID3断面拱顶下沉测值大，采取钢拱架锁脚锚杆、底支撑加固以及围岩灌浆措施后，拱顶下沉趋于稳定，累计拱顶下沉101.45 mm，相对下沉量1.45%；ID6断面隧洞拱顶下沉测值较大，累计拱顶下沉8.68 mm，相对下沉量0.12%。

位于灰岩段的ID5断面拱顶下沉测值较小，累计拱顶下沉0.94 mm，相对下沉量0.01%

表5 隧洞拱顶下沉特征值统计表

图8 各断面隧洞拱顶下沉过程线图

4 结 语

通过超长输水隧洞围岩收敛施工期观测分析，得出以下成果:

（1）由于围岩开挖的时空效应，开挖初期位移迅速增大，随着时间的增加和测点离掌子面的距离越来越远，一般情况下围岩的变形速率越来越小，位移逐渐趋于稳定。硬质围岩变形在较短时间内趋于稳定，且收敛变形较小；软质围岩变形蠕变时间长，收敛变形较大。

（2）隧洞收敛观测是通过大量实测数据对围岩稳定性及支护效果进行分析评价，以指导施工和保障施工的安全。本工程观测结果反映围岩变形发展动态，及时报警并采取加强支护的措施，加固后变形速率逐渐减小，围岩变形趋于稳定，确保工程施工安全和经济性。