大斷面隧道監控量測與穩定性分析

裴巧玲

西安建筑科技大學華清學院,陜西西安710043

“控制爆破、錨噴支護、監控量測”并稱為新奧法的三大支柱。其中的監控量測是獲取隧道“動態施工信息”的重要手段，通過監控量測，可以實時監控施工過程中圍巖體的力學信息，以此判別圍巖和支護結構的穩定狀態、確定開挖方案的可行性及支護設計參數的合理性，不僅為隧道信息化動態施工管理提供第一手信息，還將推動隧道結構設計理論的完善和發展。文章以某高鐵隧道為背景，搜集現場監控量測數據，借助Origin軟件對監測數據分析整理，以期找出該隧道圍巖支護結構的變形特征和規律，為后續確定開挖方案、選取數值分析參數提供一些參考[1-3]。

1 工程概況

該隧道位于青海省西寧市大通縣和門源縣交界處，全長14.945 km，最大埋深1085.5 m，最大斷面達110 m2。隧道穿越大阪山脈的主脊，自然坡度較陡，最大坡度達20°～40°，山脈多處為基巖峭壁，“V”型侵蝕谷分布較密集，且溝谷內常有積水匯集，沿線分布有數十條斷層破碎帶，總長達5000 m。因而，如何及時有效地控制大斷面隧道支護結構的變形、準確地對大斷面隧道支護結構的穩定性做出評價，進而制定出經濟合理施工方案。為此，筆者搜集該隧道監測數據，借助Origin軟件和回歸函數，分析圍巖和支護結構變形曲線變化趨勢，歸納圍巖體的變形特征和規律，預測圍巖體沉降變形的最終值，為確定正確的開挖方案提供參考。

2 監控量測實施方案

2.1 監控量測內容與頻率

結合技術規范和該隧道的工程地質情況，確定了地質和支護狀況觀察、拱頂下沉、周邊位移量測和地表下沉量測（Ⅳ級圍巖洞口和淺埋地段）四個主要測項目。各項目監測頻率如表1所示[4]。

表1 監測頻率Table 1 Frequencies of monitoring

2.2 測點與測線布置

該隧道洞口段處于淺埋區、巖體風化作用強烈，自穩能力較差，按照每隔10 m設置一個監測斷面。洞身深埋段按照間隔20 m設置一個監測斷面。該項目監測斷面中采用臺階法施工，布置3個拱頂沉降點、4條周邊位移監測線（如圖1所示）。

圖1 測點、測線布局Fig.1 Layout of points and line in tunnel

3 監測數據穩定性分析

3.1 洞內狀態觀察

該項目以DK265+320為監測斷面，此處地層揭露為閃長巖，礦物以長石、角閃石、石英等為主，巖質較堅硬，節理較發育，弱富水，呈塊狀構造，分布有約200 m寬的角礫巖為主構成的破碎帶，膠結性較差。初步判定圍巖為Ⅲ級，擬定臺階法開挖[5,6]。

3.2 拱頂沉降變形曲線分析

DK265+320斷面處拱頂左、中、右三個測點沉降情況如圖2所示，整個曲線呈“拋物線”型。從圖3所示中間測點的拱頂沉降曲線得知，該測點在埋設后10 d時間內，曲線呈快速增長，沉降速度基本在5.00 mm/d以上浮動，平均速度達8.28 mm/d。15 d以后沉降速度逐漸衰減，速度降至在1.00 mm/d以下，曲線趨于平緩。22 d以后開始下半斷面開挖，拱頂沉降有一個突變增加至2.87 mm/d，繼而又迅速下降，在下半斷面開挖20 d后，沉降速度明顯減小，曲線逐漸平緩。沉降速度降至0.1 mm/d。此時沉降值有一定增加，說明下臺階開挖時，由于初期支護對拱部圍巖的約束和保護作用，使得下臺階開挖作業對拱頂沉降干擾較小，在68 d時拱頂沉降值達到145.68 mm.

圖2 DK265+320斷面拱頂沉降曲線圖Fig.2 The vault settlement curves of DK265+320 section

圖3 DK265+320斷面拱頂沉降曲線圖Fig.3 The vault settlement curves of DK265+320 section

圖4 DK265+320斷面拱頂沉降變形速率曲線圖Fig.4 The vault settlement deformation rate curves of DK265+320 section

3.2 周邊位移收斂變形曲線分析

從圖5周邊位移曲線得知，AA測線、BB測線變形曲線均呈“似拋物線”型。上半斷面開挖后前7 d曲線快速增長，收斂速度均在4.00 mm/d以上，平均速度達5.54 mm/d。7 d以后曲線收斂速度逐漸衰減，收斂速度降至1.00 mm/d以下，曲線呈下降趨勢，說明上半斷面施作的初期支護已開始約束圍巖的收斂變形，圍巖自身承載力開始發揮作用。21 d以后位移收斂速率0.61 mm/d，說明初期支護對拱部圍巖變形的約束已發揮作用，周邊位移已慢慢穩定。

圖5 DK265+320斷面周邊水平位移曲線圖Fig.5 The horizontal displacement curves surrounding DK265+320 section

圖6 DK265+320斷面周邊水平變形速率曲線圖Fig.6 The horizontal deformation rate curves surrounding DK265+320 section

21 d以后開始下半斷面開挖，AA測線曲線在初始階段水平位移有一突變，但增量僅為2.83 mm，收斂曲線形狀變化極小，說明下臺階開挖的選擇時機較為合理，初期支護體系以發揮其約束圍巖變形的能力。在下半斷面開挖后7 d，收斂速度呈現遞減，曲線逐漸平緩。最后，在上半斷面開挖后37 d后達到穩定狀態，變形速率接近于0，位移收斂值達到63.35 mm。該斷面的BB測線在下半斷面開挖5 d時間內，收斂速率在1.00 mm/d以上，而后曲線慢慢逐漸趨于平緩。在32 d時位移收斂值達到9.37 mm[7]。

3.4 監控量測曲線穩定性分析

由于采集數據具有離散性特性，故需對數據進行數學回歸分析，并依據函數關系對變形曲線進行擬合，以預測結構的最終沉降值。在該項目中，回歸函數選用一次負指數方程。其方程為：u=ABe-kt，其中t為時間，u為t時刻回歸函數，A、B、k為回歸系數。現場監控數據回歸分析如表2所示，并將回歸曲線繪制在在圖3、圖4、圖5中。從圖中可知，回歸方程的理論值曲線與實測值曲線吻合度較高，R均在95%以上，說明可以采用該方程來預測圍巖、支護結構之間的變形與時間之間的關系。通過拱頂沉降、周邊位移實測值與回歸分析計算值進行對比分析（如表3、4），誤差均在5%以下，說明用該回歸方程預測拱頂沉降、周邊位移值是可行的[8-10]。

表2 DK265+320斷面的拱頂沉降、周邊最終位移量對比分析Table 2 Comparative analysis of vault settlement and surrounding final displacement of DK265+320 section

表3 DK265+320斷面拱頂沉降實測值與理論值比較Table 3 Comparison of actual settlement value and theoretical value of DK265+320 section

表4 DK265+320斷面周邊位移實測值與理論值比較Table 4 Comparison of actual value and theoretical value surrounding DK265+320 section

4 小結

（1）監測分析結果表明，Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖時，沉降變形曲線以“拋物線”型為主，均經歷快速增長——慢速增長——趨于平緩三個階段。從監測所得的數據來看，隧道拱頂沉降量比周邊水平收斂值大，在施工中需重點監控該處拱頂沉降值，且隧道拱頂沉降和周邊位移均在預留變形量范圍之內，符合設計要求；

（2）從監測數據處理的結果看，拱頂下沉量實測值及周邊位移實測值均略大于回歸函數計算值，說明支護結構還未達到穩定要求，需要二次襯砌的確保結構的穩定性。根據拱頂沉降和周邊位移的變形曲線的位移值、位移速率確定了該隧道二次襯砌的施作時間，在開挖35 d～48 d后施工較為合理；

（3）采用一次負指數函數作為回歸函數，利用該函數曲線與現場監測曲線相擬合，二者吻合度較高；并運用該函數預測最大位移值與實測值進行對比，誤差也較小，說明用該回歸方程預測隧道的最終拱頂沉降值和周邊位移是可行的。