公路隧道變形規律分析

汪 洋

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067)

0 引言

隧道施工過程是一個極其復雜的力學過程，由于隧道的開挖，破壞了圍巖的受力平衡狀態，將引起開挖斷面一定范圍內圍巖應力的重分布和殘余應力的釋放。在應力重分布的影響下，圍巖發生變形、形成松弛[1-2]，進而可能造成圍巖碎落、崩塌甚至塌方等地質災害，存在明顯的安全隱患。監控量測是隧道施工過程中保證施工安全的有效措施之一，通過分析現場監控量測數據，可以得到圍巖的變形規律，推測出圍巖的穩定狀態，并根據現場監測數據指導施工、優化設計并為同類工程提供參考[3]。本文根據羅八高速公路工程特點，分別選取Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖典型斷面的變形監測數據進行分析，得到了三種典型斷面圍巖的變形規律以及二襯的最佳支護時機。

1 工程概況

依托工程K56+700～K63+200段屬峰叢洼地地貌，路線范圍內上部主要分布第四系人工填土(Q4me)、第四系坡殘積層(Q4el+dl)地層，下伏基巖為三疊系個舊組第四段(T2gd)地層。下伏基巖為灰色塊狀白云質灰巖夾灰巖，多呈強-中風化，節理裂隙發育，巖溶發育，巖層近乎水平，邊坡穩定性較好，工程地質條件較好。K63+200～K69+798段處于侵蝕深切山地貌，路線穿越地段地形起伏較大，上部主要分布第四系坡殘積層(Q4el+dl)，其下部為三疊系中統河口組(T2hb)粉、細砂巖、石英砂巖、頁巖、泥巖。三疊系中統河口組(T2hb)巖性多為粉、細砂巖、頁巖，斜坡上多有出露，多呈強風化，節理(風化)裂隙發育，多呈碎石狀散體結構，巖質較軟，易發生小規模坍滑。

2 隧道圍巖監控量測

2.1 監測內容及監測頻率

根據《公路隧道施工技術規范》(JTG/T 3660-2020)(以下簡稱《規范》)[4]以及工程的實際情況，拱頂沉降和周邊收斂均采用全站儀進行測量，測點布置如圖1所示，監測頻率如表1所示。

表1 各監測項目的監測頻率表

圖1 監測點布置示意圖

2.2 監控量測結果

根據依托工程特點，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別選取K58+200、K63+330和K68+550三個典型斷面，為了便于分析，僅選擇拱頂位置的沉降監測數據。3個典型斷面的時態曲線如下頁圖2～4所示。

圖2 K58+200斷面時態曲線圖

圖3 K63+330斷面時態曲線圖

圖4 K68+550斷面時態曲線圖

K58+200斷面為Ⅲ級圍巖，采用全斷面法開挖，拱頂沉降在開挖之后0～8 d快速增加，約占總變形量的80%，然后變形速率逐漸減小，變形量趨于穩定。K63+330斷面為Ⅳ級圍巖，采用上下臺階法開挖，拱頂沉降主要集中在仰拱施作完成之前、開挖之后0～15 d，約占總變形量的85%，仰拱施作完成后變形速率逐漸減小，變形量趨于穩定。K68+550斷面為Ⅴ級圍巖，圍巖整體較破碎，采用三臺階法開挖，拱頂沉降的總變形量較大，仰拱施作完成約10 d后變形速率逐漸減小，變形量趨于穩定。

通過對比三種不同圍巖條件下拱頂沉降的時態曲線可以得出以下規律：(1)隨著圍巖等級不斷變差，拱頂沉降的總變形量和變形收斂時間都逐漸增加；(2)監測斷面每次巖體的開挖都會有一個明顯的位移增加的階段；(3)Ⅲ級圍巖采用全斷面法開挖，變形量主要集中在0～8 d，Ⅳ級圍巖采用兩臺階法開挖，變形在仰拱施作完成之后趨于收斂，而Ⅴ級采用三臺階法開挖，由于開挖步較多，施作仰拱的時間相對較長，因此變形趨于穩定的時間較長，在仰拱施作完成約10 d后變形趨于穩定。

3 監測數據回歸分析

3.1 監控量測結果回歸分析

監控量測值由于偶然誤差的影響具有一定的離散性，通過對數據結果進行回歸分析，能更客觀地反映監測數據變化的規律和判斷監測斷面變化趨勢[5]。

根據拱頂變形監控量測數據選擇指數函數進行擬合分析，指數函數的通式如式(1)所示：

y=y0+Ae-x/t

(1)

式中：y0，A，t——回歸函數擬合參數；

x——時間。

3個典型斷面拱頂沉降監測數據的擬合曲線如圖5～7所示。

K58+200斷面的拱頂下沉的擬合函數和復相關系數分別如式(2)、式(3)所示：

y=18.61-18.35e-x/7.86

(2)

R2=0.99

(3)

K63+330斷面的拱頂下沉的擬合函數和復相關系數分別如式(4)、式(5)所示：

y=59.44-57.46e-x/16.67

(4)

R2=0.98

(5)

圖5 K58+200斷面擬合函數曲線圖

圖6 K63+330斷面擬合函數曲線圖

圖7 K68+550斷面擬合函數曲線圖

K68+550斷面的拱頂下沉的擬合函數和復相關系數分別如式(6)、式(7)所示：

y=153.59-150.90e-x/22.27

(6)

R2=0.98

(7)

3個典型斷面的擬合結果的復相關系數均>0.95，說明采用指數函數能較好地擬合拱頂下沉的規律。

3.2 二襯支護時機分析

根據工程經驗和相關規范，二襯支護最佳時機一般由變形速率和極限位移確定[6]。變形位移法把圍巖的變形速率小于一定值后作為二襯的合理支護時機。《規范》中規定：變形位移速率<0.2 mm/d。極限位移則首先根據圍巖的監測數據預測圍巖的最終變形量確定，目前一般取二襯最佳時機為已產生的各項位移達到各項位移預計總量的80%～90%時[7]。結合隧道現場監測情況，選取圍巖最終變形量的80%作為二襯最佳支護時機，3個典型斷面的最佳支護時機如表2所示。

表2 典型斷面二襯最佳支護時機表

4 結語

本文通過分析依托工程3個典型監測斷面圍巖變形現場監測數據，得到了不同圍巖級別條件下圍巖的變形規律和二襯支護時機，主要結論如下：

(1)圍巖等級越差，圍巖的變形越大，變形趨于穩定的時間越長，Ⅲ級圍巖開挖之后約8 d變形趨于穩定，Ⅳ級圍巖在仰拱施作完成之后變形趨于穩定，Ⅴ級圍巖在施作仰拱約10 d左右趨于穩定。

(2)采用指數函數對三個典型斷面的變形監測數據進行擬合，得到了時間-位移函數。

(3)通過擬合函數并結合相關規范得到了三種典型斷面的二襯最佳支護時機，Ⅲ級圍巖建議為開挖之后13 d，Ⅳ級圍巖建議為開挖之后27 d，Ⅴ級圍巖建議為開挖之后36 d。