隧道圍巖穩定性分析和評價指標的確定

周俊磊

(武九鐵路客運專線湖北有限責任公司 武漢 430034)

在隧道圍巖穩定性分析方法中，基于監控量測的分析方法是隧道工程中應用最廣泛的方法。通過施工過程中對隧道拱頂和墻腰進行位移監控，對監控數據進行統計分析，從而可確定出相應的圍巖穩定性的評價指標[1]。由于該方法以現場實測數據為依據，且位移變化是圍巖穩定狀態最直觀的外在反應，因此，以圍巖位移變化評價隧道圍巖穩定性是適用性最強、最直接可靠的方法[2-3]。

1 監控量測結果分析

隧道施工過程中，眾多安全事故都是由隧道開挖引起圍巖失穩而發生，圍巖等級越高，產生安全事故的概率越大，經過大量監控量測數據統計發現，圍巖穩定性引起的安全事故主要發生在IV級和V級圍巖的隧道中。

本文基于IV級和V級圍巖的拱頂沉降和周邊收斂位移，利用MATLAB軟件用正態分布函數對位移數據進行擬合分析，得到圍巖變形穩定值的均值和區間概率，然后對典型斷面位移數據進行分析，發現相應開挖工況下的位移特征，從而提出相應的評價指標和標準[4-6]。

1.1 施工工況統計

本文依托多條鐵路線共20多座隧道的監控量測結果，分析隧道開挖過程圍巖穩定性。所統計隧道，IV級圍巖分布在埋深小于300 m的區段，圍巖主要為第四系土、全風化或強風化沉積巖和變質巖，斷層帶和特殊構造帶；V級軟弱圍巖隧道，主要位于穩定性較差的風積沙黃土地層及強風化的砂巖夾泥巖結構地層，多存在于隧道洞口段埋深比較淺的位置，一般埋深小于50 m。隧道施工參數見表1。

表1 隧道施工參數

拱頂下沉測點和周邊收斂測點布置在同一斷面上，監測頻率以《鐵路隧道監控量測技術規程》為基準，并根據實際現場情況和監測結果適當調整，但監測頻率不應低于規范要求的標準。拱頂沉降和周邊收斂測點布置見圖1。

圖1 拱頂沉降和周邊收斂測點布置示意圖

1.2 IV級圍巖

1) 拱頂沉降。共統計了IV級圍巖隧道共285個斷面的拱頂沉降穩定值，并進行正態分布函數擬合，其分析結果見圖2和圖3。

隧道為IV級圍巖的拱頂沉降穩定值擬合分析的正態分布函數列于表2。

圖2 拱頂沉降值散點圖

圖3 正態分布函數圖和拱頂沉降概率直方圖

表2 IV級圍巖隧道拱頂沉降穩定值正態分布函數

注：μ為拱頂沉降穩定值的均值;σ為標準差。

2) 周邊收斂。共統計了IV級圍巖隧道共263個斷面的周邊收斂穩定值，并進行正態分布函數擬合，其分析結果見圖4和圖5。

隧道為IV級圍巖的周邊收斂穩定值擬合分析的正態分布函數列于表3。

圖4 周邊收斂值散點圖

圖5 正態分布函數圖和周邊收斂概率直方圖

表3 IV級圍巖隧道周邊收斂穩定值正態分布函數

注：μ為周邊收斂穩定值的均值;σ為標準差。

根據統計分析IV級圍巖隧道現場監控量測的拱頂沉降值和周邊收斂值，IV級圍巖隧道開挖過程中日均最大拱頂沉降值約3.0 mm,日均最大周邊收斂值約2.5 mm。

1.3 V級圍巖

1) 拱頂沉降。共統計了V級圍巖隧道共251個斷面的拱頂沉降穩定值，并進行正態分布函數擬合，其分析結果見圖6和圖7。

隧道為V級圍巖的拱頂沉降穩定值擬合分析的正態分布函數列于表4。

圖6 拱頂沉降值散點圖

圖7 正態分布函數圖和拱頂下沉值概率直方圖

表4 V級圍巖隧道拱頂沉降正態分布函數

注：μ為拱頂沉降穩定值的均值;σ為標準差。

3) 周邊收斂。共統計了V級圍巖隧道共272個斷面的周邊收斂穩定值，并進行正態分布函數擬合，其分析結果見圖8和圖9。

隧道為V級圍巖的周邊收斂穩定值擬合分析的正態分布函數列于表5。

圖8 周邊收斂值散點圖

圖9 正態分布函數圖和周邊收斂值概率直方圖

表5 級圍巖隧道周邊收斂正態分布函數

注：μ為周邊收斂穩定值的均值;σ為標準差。

根據統計分析V級圍巖隧道現場監控量測的拱頂沉降值和周邊收斂值，V級圍巖隧道開挖過程中日均最大拱頂沉降值約10.0 mm,日均最大周邊收斂值約5.0 mm。

2 圍巖穩定性評價指標的確定

基于隧道圍巖位移監測數據的統計分析，可將隧道圍巖穩定性評價指標進行量化，因此通過上述分析，提出包括圍巖的位移和位移速率的評價指標，據此標準來判斷隧道開挖圍巖的穩定性。

1) 位移。圍巖位移評價指標主要通過隧道監測位移(拱頂沉降和周邊收斂位移)的統計值分析，并對位移數據進行正態分布擬合得到。以拱頂沉降值和周邊收斂值為指標的隧道圍巖穩定性評價指標見表6。

表6 隧道圍巖穩定性評價指標建議值(位移累計值)

注：本表評價指標，硬質圍巖取較小值，軟質圍巖取較大值。

我國《公路隧道設計規范》與《鐵路隧道設計規范》對隧道圍巖極限位移提出了以相對位移為標準的參考值，根據常見隧道的凈寬和凈高范圍分別計算出了《公路隧道設計規范》和《鐵路隧道設計規范》對極限位移的參考絕對值，與本文提出的指標建議值進行比較，見表7。

表7 規范參考值與指標建議值比較

表7中的規范參考值和本文提出的指標建議值存在一定差距，本文提出的指標建議值是基于一定的圍巖和支護條件下的監控量測數據而提出的，因此指標建議值也是對規范參考值有益的補充和完善，可為同類隧道開挖過程中圍巖穩定性評價提供參考依據。

2) 速率。基于上述對IV級和V級圍巖隧道拱頂沉降和周邊收斂位移監測數據的統計分析，確定出了各級圍巖隧道在開挖過程中的變形特征，發現不同圍巖隧道在開挖過程中最大位移速率不同，但是對于同一類圍巖，各個斷面的最大位移速率都比較接近。因此提出IV級和V級圍巖隧道以最大日均速率為標準的拱頂沉降值和周邊收斂值的評價指標建議值。見表8。

表8 隧道圍巖穩定性評價指標建議值(位移速率)

3 結論

1) 運用數學方法統計分析隧道施工現場位移測量數據，提出了隧道開挖過程中以圍巖拱頂沉降和圍巖周邊收斂的位移累計值和位移速率為標準的穩定性評價指標，可為隧道施工階段圍巖的穩定性評價和支護方案的優化提供參考依據。

2) 對于具有相似圍巖狀況和施工工況的IV級和V級圍巖隧道，當位移累計值和位移速率超過本文提出的指標建議值,應立即預警,并采取相應的應對措施,防止安全事故的發生。

3) 本文提出的圍巖穩定性評價指標與當前行業內規范的標準存在一定差距，但也是基于一定的圍巖和支護條件下的監控量測數據而提出的，可為同類隧道開挖過程中圍巖穩定性評價提供參考依據。