基于現場位移監測數據統計分析的隧道圍巖穩定性研究

吳秋軍，王明年，劉大剛

（西南交通大學 土木工程學院，成都 610031）

1 前 言

圍巖分級是隧道及地下工程設計、施工的基礎條件之一[1]。對于礦山法施工的隧道，一般是依據圍巖的穩定性來進行圍巖分級的。圍巖的穩定性與很多因素有關，但在圍巖分級中一般只考慮反映圍巖本身特性的地質環境因素，并通過一定的形式予以表達，如太沙基分級方法是采用的是巖石荷載高度[2]，我國鐵路隧道分級方法[3]采用的統計塌方荷載高度，我國公路隧道圍巖分級方法[4]則是采用自穩跨度，這些圍巖穩定性的表達方式實際上反映了圍巖進入松弛階段及出現破壞后的情況。然而，目前在我國流行的、以控制變形為主要目的的新奧法施工中，在絕大多數情況下可以避免圍巖出現破壞，甚至可以不出現松弛，這使得在施工中難以用塌方高度、自穩跨度等指標來評價圍巖穩定性。由此可見，我國目前隧道圍巖分級和施工在思想上就存在較為明顯的差異。實際上，隧道圍巖穩定性還有其他很多表達方式，常見的如洞周位移、洞周塑性區、安全系數等，其中，洞周位移是實際施工中最容易實施的，技術上也是最成熟的，而且作為我國隧道施工過程中的必測項目，有大量的工程實踐作為基礎。更重要的是，基于洞周位移的圍巖穩定性評價也最能體現當前我國以控制變形為主要目的的新奧法隧道施工思想。

基于洞周位移的圍巖穩定性評價，國內外的工程中早有應用，特別是在一些可以用連續介質模型進行模擬的圍巖中，如土質圍巖，巖質較軟，或較破碎、較完整的巖質圍巖，通過有限元方法分析洞周位移并與限定位移值進行比較是判定洞室穩定性最常用的一種方式[5－6]，而位移管理基準的是目前新奧法施工中以位移評價圍巖穩定最直接的體現[7]。此外，日本的鐵路、公路圍巖分級方法對每級圍巖均給出了相應的洞周絕對位移值范圍，因此也利用了洞周位移評價圍巖穩定性[8]。

利用洞周位移評價圍巖穩定性的難點在于洞周位移受巖體彈性模量、隧道形狀大小等因素影響，況且洞周不同部位收斂值差別很大，很難找到統一標準[9－11]，因而一直都是工程界爭論的焦點[12]。但在一般的圍巖條件即非特殊巖性、非特殊的地質環境下，各級圍巖的彈性模量等參數都有其較為固定的分布范圍，如《鐵路隧道設計規范》[3]、《公路隧道設計規范》[4]都給出了各級圍巖的彈性模量及其他參數范圍，而當前建設的隧道都采用了標準斷面，除跨度外，斷面形式變化也不大。因此，在忽略斷面局部不平順之處造成的應變、位移奇異外，從隧道整體穩定的角度是可以建立不同級別圍巖的穩定性位移基準的。在下面的分析中，首先，通過數值方法，證實建立不同級別圍巖的穩定性位移基準的可能性，然后，采用現場數據統計分析方法，結合部分資料調研結果建立不同級別圍巖的位移判別基準。

2 圍巖穩定性數值分析

2.1 計算條件

一般而言，在圍巖條件確定的情況下，隨著隧道跨度的增大，雖然洞周的絕對位移是增大的，但洞周圍巖的相對位移反映的是洞周圍巖的應變，其值在圍巖條件確定的情況下理論上應該不變。為了證實這一點，對鐵路隧道中的小跨度（5.0～8.5 m）、中跨度（8.5～12.0 m）、大跨度（12.0～14.0 m）、特大跨度（14.0～16.0 m）等4種跨度條件下圍巖的穩定性進行了分析。計算模型中對應四種跨度的隧道斷面形式如圖1所示，圖中隧道斷面豎向尺寸為隧道高度，水平向尺寸為隧道跨度。

計算模型頂部巖層厚度取H=100 m，兩側圍巖厚度均大于5倍隧道跨度。模型底部施加豎向約束，兩側施加水平約束，頂部自由。隧道采用全斷面一次開挖形成，各級圍巖的計算參數見表 1。由于本研究是鐵路圍巖分級研究課題的一部分，其中圍巖對III～V級圍巖進行了亞級劃分。

2.2 計算結果分析

在分析過程中，需要確定圍巖何時處于極限狀態，對此目前國內外工程界并沒有給出統一的建議。本分析中，通過不斷地調整荷載釋放率，以求得洞周圍巖剛剛出現塑性區時的臨界狀態作為分析的依據。通過試算發現，如果不考慮拱腳處由于洞周形狀局部不平順造成應力集中而產生的塑性區，則各種跨度條件下的臨界狀態對應的荷載釋放率分布在一個相對集中的范圍內，如表2所列。

取臨界狀態對應的荷載釋放率范圍的中點重新計算。分析拱頂相對沉降與拱腰處的豎向應變的關系，如表3所列。

圖2 各級圍巖臨界狀況拱頂相對沉降與應變的關系Fig.2 Relations between relative tunnel arc settlements and strains

從表3及圖2可以看出，雖然4種跨度隧道斷面形式存在較大的差別，但在忽略洞形局部不平順處的差異，則每級圍巖的拱頂相對沉降與拱腰豎向應變之間存在較確定的線性關系，由于洞周應變在圍巖確定的條件下理論上應該不變，故洞周相對位移理論上也是一個確定值。

3 現場監測數據統計分析

對于大多數隧道圍巖而言，其穩定性是可以通過洞周位移來表達的。由于隧道斷面上拱頂一般設計得較為平順，故采用拱頂相對沉降作為指標，對從國內已建成或正在施工的 21條高速鐵路隧道和64座高速公路隧道中的2 213個拱頂沉降位移樣本進行了分析。首先，對照《鐵路隧道設計規范》[3]中的圍巖分級方法，剔去了部分圍巖分級不合理的樣本，最終得到1 449個樣本，樣本分布情況如表4所列。為了便于不同洞形洞室樣本之間的比較，將拱頂位移除以洞高得到拱頂相對沉降，并以拱頂相對沉降進行分析。

表4 隧道圍巖位移樣本分布情況Table 4 Distribution status of displacements of samples of surrounding rock of tunnel

3.1 中跨度樣本統計

由于中跨度隧道在實際工程中較為常見，且已收集的中跨度位移樣本作為分析的基礎。

3.1.1 III級圍巖統計分析

對189個中跨度III級圍巖樣本的拱頂相對沉降樣本進行了分析，如圖 3(a)所示。從圖中可以看出，中跨度Ⅲ級圍巖現場樣本的拱頂相對沉降大都小于 0.40%。將其拱頂相對沉降分布范圍分為＜0.10%，0.10%～0.20%，0.20%～0.30%及≥0.30%4個區間分別進行統計，樣本分布率如圖3(b)所示。從圖可以看出，中跨度Ⅲ級圍巖的拱頂相對沉降集中在≤0.30%之內，保證率≥81%。

3.1.2 IV級圍巖統計分析

對325個中跨度IV級圍巖樣本的拱頂相對沉降樣本進行了分析，分布情況如圖 4(a)所示。從圖4(a)可以看出，中跨度IV級圍巖拱頂相對沉降大都小于 0.80%。將其拱頂相對沉降分布范圍分為：＜0.20%，0.20%～0.40%，0.40%～0.60%，0.60%～0.80%及≥0.80%五個區間分別進行統計，樣本分布率如圖4(b)所示，從圖中可以看出，中跨度IV級圍巖的拱頂相對沉降集中在≤0.80%之內，保證率大于98%。

圖3 中跨度Ⅲ級圍巖現場樣本拱頂相對沉降統計結果Fig.3 Statistical results of on-site relative tunnel arc settlements samples for grade III of mid-span

圖4 中跨度IV級圍巖拱頂相對沉降統計結果Fig.4 Statistical results of onsite relative tunnel arc settlements samples for rock Grade IV of mid-span

3.1.3 V級圍巖統計分析

對213個中跨度IV級圍巖拱頂相對沉降樣本進行了分析，分布情況如圖5(a)所示。從圖中可以看出，中跨度V級散體圍巖拱頂相對沉降大都小于1.40%。將其拱頂相對沉降分布范圍分為＜0.50%，0.50%～1.40%及≥1.40%三個區間分別進行統計。樣本分布率如圖5(b)所示。從圖中可以看出，中跨度V級圍巖的拱頂相對沉降集中在≤1.40%之內，保證率大于92%。

圖5 中跨度V級圍巖拱頂相對沉降統計結果Fig.5 Statistical results of on-site relative tunnel arc settlements samples for rock grade V of mid-span

3.2 其他跨度樣本統計分析

利用上述分析方法，對小跨度、大跨度及特大跨度情況下的樣本進行了分析，結果如表5所列。從表中可以看出，隨著跨度的增大，拱頂相對沉降變化并不明顯。

表5 各級圍巖允許位移分布范圍統計結果Table 5 Statistical results of distribution range of allowable displacements for all grades of surrounding rocks

3.3 不同埋深樣本分析

對樣本中含有埋深信息的部分拱頂相對沉降與埋深的關系進行了分析，如圖6所示，這些樣本主要 IV級圍巖。從圖中可以看出，樣本的拱頂相對沉降總體上集中在一個相對狹窄的區域內，隨埋深變化而變化規律并不明顯，并且拱頂相對沉降相對較大的樣本主要集中在埋深較淺的區域。

4 國外規范調研分析

國內外規范中對各級圍巖的洞周位移極限值也都有所規定，表6為國內外8種隧道規范中的位移控制基準值的對比結果。從表中可以看出，各種規范雖然給出的拱頂相對沉降限值有一定的差別，但差別并不大，因此選擇《鐵路隧道設計規范》[3]給出的相對位移控制基準是比較合適。

圖6 圍巖拱頂相對沉降隨埋深的變化規律Fig.6 Relative tunnel arc settlement changes of surrounding rock with depth of tunnel

表6 國內外規范中的拱頂相對沉降控制基準的對比Table 6 Comparison of relative tunnel arc settlement control baselines between domestic and foreign codes

不同跨度和不同埋深的圍巖位移監測樣本統計分析結果表明，拱頂相對沉降對跨度變化及埋深變化并不明顯，所以可以用中跨度各級圍巖樣本的拱頂相對沉降的統計分析結果作為各級圍巖穩定性評價的依據，見表7。

表7 中跨度隧道圍巖允許位移分布范圍Table 7 Distribution range of allowable displacement of tunnel surrounding rock for mid-span

5 結 論

（1）對各級圍巖而言，其相對位移與相應的應變存在較為確定的線性關系，說明可以采用相對位移來評價不同級別圍巖的穩定性。

（2）通過大量現場數據的統計分析和文獻調研結果，獲得了中跨度隧道各級圍巖的允許位移分布范圍可作為評價圍巖穩定性的依據。

（3）拱頂相對沉降對跨度變化及埋深變化并不明顯，對其他跨度和各種埋深情況都可以采用中跨度各級圍巖樣本的拱頂相對沉降的統計分析結果作為各級圍巖穩定性評價的依據。

目前基于上述穩定性評價方法的圍巖分級方法已在部分隧道中得以應用，取得了較為良好的經濟效果。

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