某隧洞圍巖變形監測及穩定性分析

徐慶功

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

圍巖穩定性的主要影響因素有：開挖卸荷、震動、圍巖巖性、強度、完整性、地下水活動狀態等，變形是其主要表現形式[1]。洞室開挖后，由于圍巖所處環境發生改變，并根據環境變化程度作出不同性質的響應，導致監測物理量隨時間不斷變化。通過分析洞室圍巖松弛圈厚度變化、沉降收斂變形規律和發展趨勢，預測圍巖穩定性，優化設計參數、指導安全快速施工等提供科學依據[2]。

1 工程概況

某輸水隧洞位于遼寧省朝陽市朝陽縣境內，全長32.12km，最大埋深220m，采用傳統鉆爆法開挖，全斷面施工，為城門洞型，為無壓洞。地表多為緩隆起剝蝕低山區，穿越地層主要為侏羅系中統髫髻山組(J2t)，以凝灰質砂礫巖、安山巖、火山角礫熔巖為主，為火山碎屑沉積巖組合及中基性熔巖，局部見中酸性熔巖。

本文主要對樁號25+612- 25+712段進行變形監測分析，揭露巖性主要為凝灰質砂礫巖，灰白色，弱風化，碎屑結構，層理構造，膠結一般；其中礫石含量約占30%，一般粒徑0.5～5cm，最大粒徑10cm。礫石磨圓度較好，呈亞圓形。現場點荷載試驗換算飽和單軸抗壓強度為10～30MPa，為軟巖-較軟巖。洞室節理較發育，水平狀薄層理較發育。洞室巖體完整性差-較破碎。地下水活動狀態：滴水-線流。施工期樁號25+612- 25+648為Ⅳ類圍巖，樁號25+648- 25+712為Ⅴ類圍巖，基本與設計一致。該巖石具有一定的親水性、重塑性、強度低容易變形等特點，圍巖自穩能力較差，施工中容易受爆破震動、卸荷等影響發生局部失穩破壞，應及時一次支護[3]。

2 現場變形監測方法

2.1 干孔聲波測試法

在斷面徑向拱頂、起拱處、腰墻適當布置5個測試孔，孔深依據洞室斷面大小、揭露地質情況確定，以揭示一定深度的原巖應力為準。每個斷面依次測試8次，觀測時間約15d。用以測定巖石中波速及松弛圈范圍[4]。

2.2 多點位移計觀測

本段共安裝5組多點位移計，每組3個錨頭，分別測定徑向1、3、5m點處圍巖的位移，約觀測20次[5]。

2.3 收斂及沉降觀測

斷面的測線采用3點3線法形式布置，拱頂點同時作為沉降觀測點，根據已揭露地質條件、圍巖類別、支護形式及圍巖的時空效應等，共布置5個收斂觀測斷面，觀測次數約30次，觀測時間約30d[6]。

2.4 巖石含水率測試

隨隧洞開挖的進行隨機取樣與制作，稱重，在溫度為105～110℃的烘箱內放置24h，再放置于干燥器中冷卻至常溫，稱重后計算含水率[7]。

2.5 洞室環境溫度與濕度測試

在不同部位及不同施工工序測度出現場環境溫度與濕度，觀測時間約20d。

3 觀測結果及分析

3.1 觀測結果

3.1.1圍巖的松弛特性

松弛巖體波速為1500～2300m/s，原始巖體波速一般為2800～3200m/s。洞室爆破開挖后，巖體受爆破震動瞬時應力釋放影響，洞壁巖體隨即出現約1m的松弛帶。隨時間的延續，洞壁巖體松弛厚度逐漸增長，距開挖約72h內洞壁巖體松弛速度最大，72～300h速度逐漸變緩，超過300h后洞壁巖體松弛圈不再發展，即趨于穩定。隨著測試斷面與掌子面距離增大，洞周松弛圈巖體的厚度也在逐漸增加，當距離小于15m時松弛速度最快，當距離15～45m時速度逐漸變緩，當距離超過45m松弛速度基本為0，說明松弛圈停止發展[8]。

3.1.2圍巖的位移特性

當觀測斷面與掌子面距離在40～260m時，圍巖總變形量小，變化量也很小，且受洞內濕度、環境溫度等影響較小，說明隨開挖的進行圍巖逐漸穩定。

3.1.3圍巖沉降收斂特性

當觀測斷面與掌子面距離大于100m時，沉降收斂變形基本為0。實際測得5個斷面中，收斂變形范圍為8.1～18.9mm，沉降變形范圍為8.9～19.9mm，總變形量較小。拱頂沉降較收斂變形稍大，Ⅴ類圍巖變形比Ⅳ類圍巖稍大，沉降收斂變形與環境溫度、濕度關系不大，當觀測斷面距離掌子面超過30m時圍巖基本穩定[9]。

3.1.4巖石含水率、環境溫度與濕度

巖石含水率主要與原巖所處地下水環境有關，該段試樣含水率為6%～11%。洞室溫度一般較為穩定，隨埋深、洞內施工工序、通風、地下水活動狀況等略有差別，該段溫度在15～22℃之間變化，濕度在40%～70%之間[10]。

3.2 觀測成果分析

3.2.1圍巖的松弛圈厚度

圍巖受到爆破震動、卸荷等因素的影響產生不同程度的松弛變形，Ⅳ類圍巖松弛圈厚度為0.67～1.15m，Ⅴ類圍巖為1.07～1.97m，見表1。

表1 圍巖松弛圈測量結果

3.2.2圍巖的沉降收斂變形

從測量結果來看，圍巖并無嚴重的擠壓膨脹變形現象，主要為卸荷后的松弛變形，且沉降收斂變形主要發生在初期，后期未觀測到持續性的蠕變，且通過趨勢線分析圍巖將逐漸趨于穩定。選取2個有代表性的收斂變形斷面，如圖1—2所示。

圖1 樁號25+637斷面圍巖收斂變形

圖2 樁號25+662斷面圍巖收斂變形

圍巖總沉降收斂變形量均較小，5個觀測斷面中，沉降量在8.9～19.9mm，收斂在8.1～18.9mm，最大相對位移量小于0.4%，最大收斂變形量/洞徑小于0.4%，屬于是小變形，見表2。

表2 圍巖沉降收斂變形監測成果

3.3 根據測量成果分析初期支護時機

3.3.1根據巖體波速的變化分析一次支護時機

對于Ⅳ類圍巖，在初始測試時刻，表層波速為2300m/s，約為原巖波速的58%，隨時間發展松弛圈增大，隧洞表層波速仍小幅度降低，當松弛過程基本完成后，表層波速變為1600m/s，約為原巖波速的40%。當波速降為原巖的80%時，距離初始測試時間約為60h，與掌子面距離為20～30m。Ⅴ類圍巖與Ⅳ類圍巖的變化趨勢相近，但波速降低幅度更大松弛圈變形穩定所需時間更長，初始表層波速為1400m/s，約為原巖波速35%。當波速為原巖80%時，距初始測試時間80～100h，距離掌子面30～40m[11]。

3.3.2根據松弛圈厚度分析一次支護時機

對于Ⅳ類圍巖，在初始測試時刻圍巖瞬時松動變形已完成約45%，當完成松動圈80%的時間約為80h，此時距離掌子面距離約為15m，如圖3—4所示。

圖3 樁號25+632斷面圍巖松弛程度與時間變化關系曲線

圖4 樁號25+632斷面圍巖松弛程度與掌子面距離變化關系曲線

對于Ⅴ類圍巖，在初始測試時刻圍巖瞬時松動變形已完成約80%，當完成松動圈90%的時間約為60h，此時距離掌子面距離約為45m，如圖5—6所示。

圖5 樁號25+661- 25+671段松弛程度與時間變化關系曲線

圖6 樁號25+661- 25+671段松弛程度與掌子面距離關系曲線注：圖3—6公式中，E—自然對數;R2—擬合優度。

3.3.3根據收斂變形情況分析一次支護時機

某隧洞洞型為圓拱直墻式，開挖裸洞直墻高度4.6m，最大凈高6m，寬度5.3m，計算時取洞徑5.5m，埋深約200m。Ⅳ類允許位移值為0.4%～1.2%，實際測得最大相對位移值為0.13%～0.19%；Ⅴ類類允許位移值為0.6%～1.6%，實際測得最大相對位移值為0.32%～0.38%，從觀測數據來看，各斷面變形量整體在可控范圍內，且逐漸趨于穩定。對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖一次支護的目的在于保證圍巖穩定性，防止變形發展。

表3 隧洞圍巖允許相對位移值 單位：%

對于Ⅲ類圍巖一次支護僅采用噴混的隧洞，當沉降收斂變形一直無明顯減小趨勢，且出現下列情況之一時，須采取加強支護措施，并修改原設計參數：①洞室表層出現裂縫并不斷發展，且伴隨脫落掉塊現象；②當表層實測收斂相對位移量達到表3允許值的70%時；③用回歸曲線計算得到的相對位移值即將達到或接近允許相對位移時。對于Ⅲ類圍巖一次支護重點是防止掉塊、塌方的發生，應盡快錨噴[12]。

4 結論及建議

(1)對于該地區隧洞埋深約200m洞段，Ⅳ、Ⅴ類圍巖巖石松動圈厚度約2m，沉降收斂變形均可控。變形具有明顯的流變性，即初始變形量和速率較大，經過一段時間后趨于穩定，圍巖整體穩定性較好。

(2)圍巖變形主要發生在開挖后48h內，且初期變形較大、較快。Ⅳ、Ⅴ類圍巖自穩能力較差，一次支護應在開挖后圍巖未發生明顯變形的情況下及時進行。

(3)通過施工期圍巖變形監測，分析圍巖變形規律及發展趨勢，評價圍巖穩定性，為優化設計參數、指導安全快速施工等提供科學依據。

(4)現有隧洞地質條件、監測資料具有一定局限性，還需根據進一步施工地質編錄及持續圍巖變形監測資料等成果動態跟蹤分析和預測。