基于圍巖變形速率比值法的隧道監測預警研究

郭永建，曹周陽，姜 飛

(1.青島國信膠州灣交通有限公司，山東 青島 266500;2.鄭州航空工業管理學院 土木建筑工程學院，河南 鄭州 450015)

基于圍巖變形速率比值法的隧道監測預警研究

郭永建1，曹周陽2，姜 飛1

(1.青島國信膠州灣交通有限公司，山東 青島 266500;2.鄭州航空工業管理學院 土木建筑工程學院，河南 鄭州 450015)

基于圍巖變形速率比值法對隧道的施工開挖及長期監測預警進行了研究，歸納出5種現場存在的圍巖變形規律，得出了合理的監測預警評價方法。當圍巖變形速率與本斷面圍巖變形速率最大值的比值v/v0=50%左右時，可以認為變形速率略有降低;當v/v0=33%左右時，可以認為變形速率減小，有可能趨于穩定;當v/v0=20%左右時，可以認為圍巖接近趨于穩定;當v/v0=5% ～10%左右時，可以認為圍巖穩定。將這一方法在青島膠州灣海底隧道左線ZK4+950中應用，得出了較為理想的結果。

變形速率比值法 隧道工程 監測 拱頂下沉

軟弱圍巖隧道工程，在開挖和支護初期圍巖變形劇烈，存在失穩的可能性，需進行長期的監控量測以判斷圍巖的穩定狀態，這就需要對隧道監控量測得出的數據進行解讀。常用的方法是通過分析變形速率—時間曲線以確定圍巖的穩定狀態［1-3］，即變形速率趨于0時，認為圍巖穩定。但是該方法具有一定的局限性，軟巖隧道自身的流變特性［4-5］使得變形速率趨于0的時間較長，產生支護過強和監測花費時間長久等問題。基于此類問題，文獻［6-8］提出了圍巖變形速率比值判別法做為隧道監控量測圍巖穩定判定的方法，并在貓山隧道等工程中成功應用;文獻［9］將變形速率比值法應用到溫福鐵路周倉嶺隧道中，得出收斂速率降至初測值的14.7%時仍存在開裂的問題，處理后速率比值降到2.8%，圍巖才趨于基本穩定;文獻［10］將該方法應用到地下廠房的監控量測中，認為速率比值降到5%以下時，圍巖穩定。綜上所述，變形速率比值法已經得到了較為廣泛的應用，但尚缺乏更詳細的變形數據分析評判標準。

本文以青島膠州灣海底隧道工程為研究背景，對圍巖穩定性分析，以及隧道施工存在的變形發展情況和監測預警預報這兩個關鍵技術難題進行研究，并以左線ZK4+950斷面處的拱頂沉降監測數據為例，完善該方法的判定標準，并驗證其可行性。

1 判定標準

通過多條隧道的監控量測實際經驗，并對比國內外研究成果，本文提出變形速率比值法的判定原則為:在隧道施工中初期支護全部施加完成后進行拱頂沉降、洞周收斂、地面沉降的長期監測，依據圍巖變形速率v與本斷面實測圍巖變形速率最大值(一般為初測變形速率)v0的比值 v/v0，當 v/v0=50%左右時，可以認為變形速率雖略有降低，此時應加大監測頻率并持續監測;當 v/v0=33%左右時，可以認為變形速率減小，有可能趨于穩定，可恢復正常監測頻率;當v/v0= 20%左右時，可以認為變形速率顯著減小，接近趨于穩定，此時可以適當減少監測頻率;當 v/v0=5%～10%左右時，可以認為圍巖穩定，可以當做圍巖穩定的閾值，隔較長時間定期監測。

根據現場圍巖變形速率的變化情況，可將海底隧道的圍巖變形曲線(u－t曲線)相互對比，歸納為五種規律性曲線:①支護保守，如圖1曲線所示;②支護適當，如圖2曲線所示，斷面4圍巖變形值稍超過控制變形量，宜在下一施工循環開挖時適當保留預留變形量，也可以加強支護;③支護不足，如圖3曲線所示(v/v0＞50%);④圍巖流變，如圖4曲線所示(v/v0＞50%);⑤圍巖失穩，如圖5曲線所示(v/v0＞100%)，圍巖即將失穩。

圖1 支護保守型u－t曲線

圖2 支護適當型u－t曲線

圖3 支護不足型u－t曲線

圖4 支護不足圍巖流變型u－t曲線

圖5 圍巖將失穩，需要立即處理時u－t曲線

2 工程實例應用

將上述隧道圍巖施工變形情況與速率比值法判斷標準的研究成果，應用在青島膠州灣海底隧道左線Ⅴ級圍巖斷面ZK4+950處拱頂下沉實際監測數據分析中。青島膠州灣海底隧道位于青島市膠州灣海床下方，隧道長7 800 m，內凈高8.2 m，寬14.4 m。

圖6—圖8分別為ZK4+950斷面處的拱頂累計沉降量、沉降速率和沉降速率比值隨時間的變化曲線。由圖6所示的累計沉降監測結果得出最終的隧道累計沉降量值為23.5 mm，且趨于穩定。圖7所示下沉速率在監測103 d后趨于穩定。選取的初始速率 v0為1.37 mm/d。圖8所示的沉降速率比值圖顯示，沉降速率比值在第74 d時存在突變，達到了50%，但未出現支護開裂等問題，此時增加了監測頻率，隨著時間的增長，變形速率比值在10 d后降低到25%，此時恢復了正常監測頻率，最終在103 d后 v/v0值降低到5%～10%以下，圍巖趨于穩定。對比圖7和圖8，沉降速率比值變化幅度要大于沉降速率，更易監控到可能存在的問題，采用變形速率比值法要優于變形速率監測預警法;經過157 d的監控量測，拱頂沉降的最終沉降速率比值趨于穩定(v/v0＜5%)，綜合判定認為圍巖變形已基本穩定。

圖6 ZK4+950斷面拱頂累計沉降量隨時間變化曲線

圖7 ZK4+950斷面拱頂下沉速率隨時間變化曲線

圖8 ZK4+950斷面拱頂下沉速率比隨時間變化曲線

3 結論

1)總結施工現場隧道圍巖變形的變化情況，歸納出了五種海底隧道圍巖變形曲線失穩預警的規律，提出了其圍巖變形速率比的判斷標準。

2)由青島膠州灣海底隧道ZK4+950斷面處的拱頂沉降監測數據分析得出，采用變形速率比值法要優變形速率監測預警法。綜合考慮變形累積值、圍巖變形速率和最大變形速率比值;拱頂沉降速率比值降低到5%～10%，說明變形速率已顯著減小，并已接近趨于穩定，同時沉降速率也已基本穩定，判定該斷面處的拱頂沉降已基本穩定。

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［8］宋軍.變形速率比值判別法的概念及在貓山隧道施工中的應用［J］.公路，2007(7):223-228.

［9］劉克明.用變形速率比值法判別軟弱隧道穩定性［J］.西部探礦工程，2006(5):126-127.

［10］尹冬梅，梁小勇，李世峰.用速率比值法探討某地下廠房的圍巖穩定性［J］.隧道建設，2010，30(增1):183-186.

(責任審編 孟慶伶)

U456.3+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.15

2015-03-06;

:2015-08-28

郭永建(1985— )，男，工程師，博士。

1003-1995(2015)11-0049-03