軟巖引水隧洞圍巖穩定性分析

曹 宇，陳士銀

(費縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400)

1 概 述

在山嶺隧洞中，軟巖隧洞由于地質環境比較薄弱，是一種極容易變形和開裂的隧洞。

目前，關于軟弱圍巖隧洞的變形研究是國內外研究的重點和難點。張興偉、王超[1]基于三維數值模擬，研究了軟弱隧洞圍巖穩定性及地表沉降，結果表明拱頂沉降隨曲率增大而減小，在曲率為0.5時趨于穩定。此外，當土層界限越過拱底時，圍巖變形和地表沉降影響較大。康海波等[2]綜合采用相似模型試驗和數值模擬，研究了不同傾角軟弱層隧洞圍巖變形規律，結果表明軟弱層傾角對隧洞圍巖的變形影響極為顯著，圍巖的位移隨傾角的增大而先增大后減小。蒲松等[3]基于顆粒流數值模擬，研究了白馬隧洞軟弱圍巖掌子面穩定性，結果表明采用錨桿支護后，圍巖位移量隨隧洞距離增大而增大。袁飛等[4]綜合采用現場監測和數值模擬，研究了紅層軟巖隧洞大變形特征規律，結果表明圍巖襯砌的施加時機對于圍巖的穩定性有重要的影響。王傳武等基于彈性地基曲梁模型，推導了仰拱結構內力、仰拱地基反力等計算公式，結果表明單獨提高混凝土強度等級對改善仰拱穩定性效果并不明顯。王亞鵬依托蘭成鐵路軟巖隧洞，研究了高地應力軟巖大變形隧洞的合理支護技術，提出采用長短錨桿相結合和多層支護體系的綜合支護方式。張智博基于數值模擬，考慮流固耦合作用，研究了富水軟巖隧洞施工圍巖力學特性，結果表明考慮流固耦合作用的隧洞圍巖水平位移和豎向位移顯著增大，實際工程中應進行修正。應華峰等采用數值模擬，研究了軟巖隧洞超前預加固布置優化方式，結果表明0.4 bolts/m2是掌子面超前錨桿布置的最佳密度，且支護結構在掌子面中部進行布置對于隧洞變形控制最優。

2 工程概況及現場監測

2.1 工程概況

研究區隧洞地處軟弱地層，隧洞總長為1.9 km，左右線均采用圓曲線和平面線設計。隧洞地層由上至下分別為新統黃土、新統洪積粉質黏土、千枚巖和薄片強度較低的灰軟巖組成。其中，黃土呈褐色，土質比較均勻；粉質黏土土質不均勻，且含有大量的卵碎石；灰軟巖呈薄片狀態，節理裂隙發育，易破碎，巖石強度低。

2.2 現場監測

研究區隧洞采用新奧法施工。為系統研究隧洞開挖期間隧洞拱頂以及隧洞周邊的變形情況，采用現場監測對相關內容進行監測。監測主要包括拱頂沉降和周邊變形及支護變形等。

監測斷面的選取主要是考慮圍巖級別和隧洞埋深因素。規范規定，對于IV級圍巖，且埋深小于15m，監測內容應包含地表沉降觀測、拱頂沉降監測等，且監測斷面沿縱向15～20 m布置；對于II級和III級圍巖，規定監測斷面間距為30～50 和 20～30 m。

本文所研究的隧洞圍巖一般介于V～IV級之間，按照規范要求，監測斷面設定為15m間距，具體的監測布置見圖1。監測儀器采用精度為0.1mm的水準儀及相同精度的周邊位移收斂監測儀。

圖1 隧洞地層典型斷面圖

3 監測結果與分析

3.1 隧洞拱頂沉降

圖2為拱頂位移值在監測期間內的變形情況。結果表明，隧洞拱頂變形隨時間的增加而逐漸減小，變形主要發生在1～5d內。這是因為在隧洞初始開挖過程中，圍巖應力釋放和重新分布，從而導致變形較大。此外，由于初期支護未開始發揮效果，也會導致在隧洞開挖前期出現較大的變形。當監測時間大于16d后，隧洞拱頂沉降量基本保持不變。

圖3為拱頂下沉速率曲線。結果表明，監測斷面在監測的第1d拱頂沉降速率較大，且變化速率也較為迅速，這與圖2結果一致。當掌子面開挖6d以后，拱頂沉降速率變化比較緩和。這是因為在施工過程中，為了降低圍巖變形，實際工程中施加了第二道襯砌支護。總體來看，隧洞拱頂沉降速率介于0.07～0.15mm/d，表明圍巖基本滿足規范要求的安全性規定。

圖2 拱頂位移時程曲線

圖3 拱頂下沉速率曲線

圖4為拱頂位移時程曲線。結果表明，隨著開挖面距離的增大，拱頂位移逐漸減小。當掌子面開挖距離達到10m時，拱頂位移顯著減小。當掌子面開挖距離大于30m時，開挖施工對拱頂的影響基本消失。此外，也證明襯砌支護開始發揮效果。進一步對拱頂位移進行擬合得到圖5，結果表明拱頂位移隨時間變化滿足指數函數關系。

圖4 拱頂位移隨開挖面距離關系

圖5 拱頂位移隨時間擬合關系

3.2 隧洞周邊變形

圖6為隧洞周邊位移時程曲線。結果表明，周邊位移隨時間的增大而先迅速增大，隨后趨于平緩。當監測時間大于6d時，周邊位移變化趨于平緩。導致這一現象的主要原因是在隧洞開挖的初始時刻，由于支護未形成系統的支護群，因此支護效果并不明顯。

圖6 隧洞周邊位移時程曲線

圖7為周邊位移變化速率隨時間的關系。可以看出，當掌子面開挖至5d后，位移速率明顯減小，表明支護開始發揮作用。根據規范要求，當隧洞周邊位移速率小于0.6mm/d時，隧洞圍巖處于穩定狀態。

圖8為隧洞周邊位移隨開挖掌子面的關系。結果表明，隧洞周邊位移隨距掌子面的距離增大而增大，但當距掌子面距離大于25m時，周邊位移較小，且變化速率也較小。當距掌子面距離小于25m時，周邊位移顯著增大。尤其是在5m范圍以內，周邊位移變化速率最大。這是因為研究隧洞處于軟弱巖層，開挖后圍巖自身很難形成自穩定的巖圈。當施加支護結構后，且支護結構與圍巖形成支護拱圈時，位移才有所收斂。根據監測數據，在實際工程施工中，對于監測斷面25m以內的位移監測要適當進行加密。對圖8的數據進行擬合得到周邊位移隨時間擬合關系曲線，見圖9。可以發現，周邊位移速率與時間符合指數函數關系。進一步采用該函數關系可以預測凈空位移量為488mm。

圖7 周邊位移速率時程曲線

圖8 周邊位移隨開挖掌子面關系

圖9 周邊位移隨時間擬合關系

3.3 圍巖穩定性判別經驗法

由于地下工程地質條件通常具有較強復雜性，實際中對于圍巖穩定性的判別存在一定難度，所以一般會利用判別的經驗法對圍巖穩定性開展精準性的判定工作。首先是圍巖分類法，根據國內外相關實踐工作經驗，將圍巖工程所在位置含有的地質特征和地下水狀態表現作為依據，可以對圍巖穩定性作出精準性判斷。其次為根據巖體質量指標開展評估的方法，該方法也被稱作RMQ評估法或者M法，該方法所遵循的分類原則和依據都擁有一定的合理性與科學性，該方法的應用需要將地質工作作為基礎，明確巖體質量所受各方面影響因素，同時采用合理勘測手段來獲取相關資料，在此基礎上開展各類影響因素的綜合性分析，根據RMQ值便可以準確判斷巖體的質量和穩定性。

4 結 論

本文基于軟巖隧洞圍巖現場監測數據，對隧洞圍巖的穩定性進行了分析，結論如下：

1)受軟弱巖層的影響，掌子面開挖范圍6m以內，拱頂沉降值和周邊位移值的變化最大，且拱頂位移沉降和周邊位移與時間的關系符合指數函數關系，利用該擬合曲線可對隧洞變形進行預測。

2)由于研究隧洞處于軟弱巖層，開挖后圍巖自身很難形成自穩定的巖圈。當施加支護結構后，支護結構與圍巖形成支護拱圈時，位移會有所收斂。因此在實際隧洞施工過程中，對于監測斷面25m以內的位移監測要適當進行加密。

3)對于軟巖區隧洞，由于隧洞地層的工程性質較差，因此隧洞開挖后要及時進行支護。此外，在實際施工過程中，要重視現場隧洞變形監測，發現問題及時處理。