大斷面隧道圍巖監測及變形規律研究

唐民

摘要：為研究大斷面隧道圍巖變形特征，在詳細介紹圍巖大斷面隧道的施工方法的基礎上，總結了現場監測施工流程以及監測布點設置。最后為揭示圍巖的變形特性，選取IV級圍巖斷面的監測數據進行了深入分析，主要結論如下：隧道圍巖拱頂沉降和水平收斂的變化規律，可通過指數函數和雙曲線函數進行擬合，其中指數函數的擬合效果最優。根據實測數據擬合的曲線可以預測隧道圍巖最終的變形量。28d后圍巖變形基本穩定，可以進行后續二襯施工。

關鍵詞：大斷面隧道；圍巖變形；拱頂下沉；水平收斂

0? ?引言

近年來，隨著我國經濟社會的不斷發展和施工技術的不斷精進，地下空間的利用與開發得到了空前發展[1]。由于交通量的不斷增加，現有單雙線隧道已經難以滿足交通發展的需求，在此背景下，大斷面隧道工程開始涌現，隧道建設逐漸向大斷面過度[2-3]。

針對大斷面公路隧道圍巖變形特征的研究方法有現場監測法、室內模型試驗法、數值模擬以及力學解析法等[4-5]。目前，我國已有大量學者對于大斷面隧道的施工及變形規律開展了研究工作，并取得了豐富的成果。朱曉寧等[6]采用層次分析法和專家調查法，對某超大斷面隧道項目進行了風險評估工作，揭示了施工風險和風險源之間的內在聯系。翟煒等[7]將BIM技術應用于超大斷面隧道施工中，實現了隧道施工過程的可視化管理。李先彬等[8]在某大斷面隧道施工時，通過現場監測，明確了地表沉降以及圍巖變形特性。

本文依托某隧道工程施工為背景，在概述大斷面施工工法基礎上，開展圍巖變形監控測量工作，基于實時監測的變形數據，揭示大斷面隧道圍巖的變形特性，相關研究成果可為相似大斷面隧道工程提供參考。

1? ?工程背景

某隧道工程全長2198m，B2標左洞長988m，右洞長942m。隧道內輪廓采用標準斷面，拱部采用半徑為840cm的半圓，邊墻為半徑為505cm的大半徑圓弧，仰拱與側墻間用半徑為200cm的小半徑圓弧連接，仰拱半徑為2200cm。主洞路面寬13m，拱頂凈空高度8.0m。緊急停車帶段路面寬度16m，拱頂凈空高度8.789m，隧道內縱坡-0.789%。隧道主洞凈空斷面如圖1所示。

該隧道所處地質情況較復雜，部分隧道位于軟弱圍巖地段，施工難度較大，施工工藝較復雜。此外，地勘資料顯示，隧道工點所處區域地形較為起伏，坡面殘積層分布廣泛，邊坡坡度約為15～25°之間，邊坡表面植被發育良好。

2? ?現場監測方案

2.1? ?現場監測施工流程

由于大斷面隧道施工的復雜性和特殊性，在施工過程中，需要結合洞外觀測與隧道內部測量數據，確定隧道圍巖的物理力學參數，并以此確定最終的施工方法。

岐嶺隧道按新奧法原理組織施工，在施工時需要進行現場的變形監測，基于對監測數據的分析，全面掌握隧道施工信息，及時監控圍巖的穩定性，以此來保證隧道工程能夠安全、快速的推進。具體的測量施工流程如圖2所示。

2.2? ?主要監測內容

根據相關規范要求，結合岐嶺隧道的工程特點，明確施工期間的主要監測項目包括地質及支護狀況觀測、拱頂沉降監測、水平收斂以及地表沉降觀測。其中，地質及支護狀況觀測僅在開挖后和初期支護后進行。拱頂沉降和水平收斂需監測整個隧洞，地表下沉則主要布置于洞口淺埋段。

2.3? ?監測點位設置

在進行拱頂沉降和水平收斂測量時，選取全站儀搭配反光片進行圍巖變形的監測。拱頂沉降觀測點布置于隧洞拱頂軸線處，水平收斂監測點則布置于隧洞軸線兩側，并保持其在同一水平線上。此外，在布設測點時，應盡量保證水平和豎向監測點位于同一斷面上，具體測點及測線的布置如圖3所示。

3? ?監測數據處理及分析

本文主要研究的是岐嶺隧道施工過程中圍巖的變形情況，因此選取最為直觀的隧洞拱頂沉降和水平收斂測線位移量的變化進行分析研究，以此揭示開挖后隧道圍巖沉降變形特性，從而進一步評價圍巖的穩定性。由于監測數量過于龐大，本文著重選取IV級圍巖區段的變形特性進行深入分析。

3.1? ?IV級圍巖區段拱頂變形特性分析

選取IV級圍巖區段的斷面K58+160的監測數據，對拱頂沉降數據進行分析。拱頂位移隨時間的變化規律及擬合曲線如圖4所示。

由圖4分析可知，針對IV級圍巖斷面，拱頂位移的沉降規律，可以使用指數函數和雙曲線函數進行擬合。綜合相關系數及殘差平方和等參數，得出指數函數的擬合效果最好，其擬合方程如下：

H=30.88983（1-e-1.13872t）? ? ? ? ? （1）

該擬合方程的相關系數為0.998，殘差平方和為0.0868。根據該擬合方程進行計算，最終得出K58+160斷面隧道預測的最終拱頂沉降位移約為30.89mm。

根據《江西省普通公路施工標準化指南》中提出的圍巖變形控制標準，斷面埋深50～150m的IV級圍巖隧道的容許變形量為0.4%～1.2%。而K58+160該斷面隧洞的開挖高度約為11.36m，拱頂相對位移為0.2719%，在規范容許區間，說明可以正常施工。

該斷面的拱頂下沉速率曲線如圖5所示。由圖5可知，圍巖變形主要集中于14d之前，隨后變形速率明顯降低。由此可以推斷出監測28d后，沉降速率小于0.1mm/d，據此認為此時拱頂下沉已經基本穩定。

3.2? ?IV級圍巖區段水平收斂變形特性分析

斷面K58+160測線2的水平收斂隨時間的變化規律及擬合曲線如圖6所示。由回歸分析可知，水平收斂的擬合曲線，同樣為指數函數擬合的效果最佳，與現場實測數據也最為接近，其擬合方程如下：

H=27.648（1-e-0.13107t）? ? ? ? ? （2）

該擬合方程的相關系數為0.99519，殘差的平方和為0.2273。根據擬合方程，預測K58+160斷面的最終水平收斂位移值約為27.648mm。根據規范中的圍巖變形控制要求，該斷面的水平收斂變形值滿足規范要求，具體計算方法同上。

K58+160斷面的水平收斂速率如圖7所示。由圖7可知，根據水平收斂速率曲線可以預測，當監測約23d之后，水平收斂速率小于0.2mm/d，基本可以認為水平收斂已經趨向穩定。

綜上所述，對于IV級圍巖的拱頂下沉和水平收斂的變化特性分析可知，使用指數函數擬合實測數據的效果最佳，與現場監測數據最為吻合。根據擬合方程可以對不同方向的圍巖變形加以預測。基于本次現場實測結果，判斷出K58+160斷面開挖后約28d，圍巖基本滿足二襯施工要求，該結果能夠有效提出二襯結構施工的最佳時間。

4? ?結束語

艱險山區隧道工程開挖斷面大，圍巖應力狀態復雜，一旦施工方法不當，會誘發圍巖的破壞，嚴重影響隧道工程的安全進行。為研究大斷面隧道圍巖變形特征，在詳細介紹圍巖大斷面隧道的施工方法的基礎上，總結了現場監測施工流程以及監測布點設置。最后為揭示圍巖的變形特性，選取IV級圍巖斷面的監測數據進行了深入分析，主要結論如下：

圍巖變形隨時間的變化規律可通過指數函數和雙曲線函數擬合，其中指數函數效果最好。

基于最優的擬合曲線可以預測隧洞圍巖的最終變形量，拱頂沉降最大值為30.89mm，水平收斂的最大值為27.648mm。

施工過程中，隧道的變形量均滿足規范要求，在監測28d后，圍巖變形基本穩定，可以進行二襯施工。

參考文獻

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[7] 翟煒，方伽月，趙世才，等.基于BIM的超大斷面隧道智能化施工管理技術[J].建筑技術，2022，53（6）：663-666.

[8] 李先彬，舒志樂，劉保縣，等.大斷面軟巖隧道施工監測分析與應用[J].西華大學學報（自然科學版），2019，38（3）：12-18.