隧洞圍巖位移監測設計及結果分析

高 鵬

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110001）

1 工程概況

遼西北供水工程（二段）桓仁隧洞工程全長4.39 km，斷面為圓拱直墻形，成洞斷面尺寸為6.6 m×（6.15～7.28）m（寬×高），設計坡度為0.312%。初步設計采用“鉆爆全斷面開挖法”，支護結構為“鋼架+鋼筋網+錨噴”聯合形式，聯合支護結構如圖1所示。為了保證支護效果良好，在支護結束后安排專業技術人員對圍巖位移進行監測，以便及時發現超標地段并立即進行加固和整改[1]。

2 隧洞監控測量設計

2.1 監控量測內容

在隧洞開挖后應立即對圍巖狀況進行觀察和記錄，包括工作面狀態、圍巖風化程度、節理裂隙、斷層分布和形態、地下水情況以及噴射混凝土的效果；觀察后應進行地質特征的描述，繪制開挖工作面略圖（地質素描），填寫工作面狀態記錄表及圍巖類別判定卡。每天至少進行一次對已施工區段的觀察，內容包括已完洞段初期支護狀況，洞口地表情況、地表沉陷、邊仰坡的穩定、地表水滲透等[2]；對洞內周邊圍巖和拱頂位移進行量測。

2.2 斷面及監測點布置

2.2.1 監測斷面布置

按照安全監測監理實施細則的要求，施工現場應在開挖完成后及時按鉛垂方向布置安全監測斷面，具體要求如下。

（1）Ⅱ類圍巖洞段不設監測斷面。

（2）Ⅲa、Ⅲb 類圍巖洞段監測斷面設置間距不大于5B（B為毛洞洞寬，下同）。

（3）Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段監測斷面設置間距不大于3B。

（4）圍巖變化處和斷層段適當加密設置監測斷面。

2.2.2 監測點布置

按照安全監測監理實施細則的要求，本段周邊位移及拱頂下沉量測量采用“三角形法”，監測點布置如圖2所示。

圖2 監測點布置示意

其中，拱頂監測點布置在正頂端，兩幫監測點位于腰部中間位置，每個斷面布置3 個標點。各量測點應緊跟開挖掌子面安設，一般距開挖掌子面的距離不宜大于1.0 m[3]。

2.2.3 收斂固定標點錨固器安裝

（1）在設定的現場安全監測斷面上測量，進行收斂固定標點定位并鉆安裝孔，孔深240 mm。

（2）在鉆孔中充填水泥砂漿，插入錨固器。錨固器采用Φ18 mm、長225 mm 螺紋鋼，如圖3 所示。

圖3 收斂固定標點錨固器安裝

（3）待水泥砂漿凝固、量測點錨固器牢固后即可量測。

2.3 量測頻率及儀器選擇

2.3.1 量測頻率

（1）在工作面開挖后12 h 內或下一次開挖前完成收斂儀的安裝并測取初始讀數。

（2）凈空水平收斂位移和拱頂下沉位移宜采用相同的量測頻率，應根據距開挖面的距離和變形速率選擇較高的一個量測頻率，詳見表1[4]。

表1 量測頻率

（3）當位移速率明顯下降、水平收斂速率小于0.2 mm/d、拱頂位移速率小于0.1 mm/d，并持續到變形基本穩定后1～3周，經監理方批準，可停止量測。

2.3.2 量測儀器選擇

現場利用浙江中科JSS30A 型數顯式收斂儀進行收斂量測，收斂儀誤差為0.05～0.07 mm；利用博世32 倍高精度GOL32D 型水準儀監測拱頂點的沉降，水準儀誤差為±1 mm/7 m。各類量測儀器和工具均滿足性能穩定、質量可靠、耐用、精度好等要求。

3 監測結果分析

總體而言，隧洞支護強度足夠，因此在掘進過程中基本上沒有出現圍巖垮落情況，但其間遇到過破碎帶，而且內部含有裂隙水，給鉆進和支護均造成較大困難，最終采取預注漿堵漏措施，才得以順利通過。項目對每一處的圍巖位移監測持續時間約為20～30 d，監測結果及分析如下。

3.1 拱頂下沉位移量監測結果分析

3.1.1 Ⅳ類圍巖拱頂位移量監測分析

隧洞圍巖以淺變質玄武巖為主，而且分布較為均勻，屬于Ⅳ、Ⅴ類圍巖，以Ⅳ類為主，因此在變形過程中呈“光滑型”曲線分布。以ZK231+533 斷面（屬Ⅳ類圍巖）采集數據為基礎繪制的拱頂下沉位移量曲線，如圖4 所示，數據采集時該斷面距離掌子面2.0 m[5]。

圖4 ZK231+533斷面拱頂下沉位移量曲線

從圖4可以看出，4月29日—5月11日13 d下沉位移總量約25 mm，位移速率較大且基本平穩，維持在1.92 mm/d；5 月12—23 日12 d 下沉位移總量為5.0 mm，變形速率明顯下降且維持在一個較低水平，僅為0.42 mm/d。之后經過連續13 d 監測發現位移量不再變化，因此認定拱頂穩定時間為25 d左右。

3.1.2 Ⅴ類圍巖拱頂位移量監測分析

若圍巖類型Ⅴ類占比較大，則圍巖穩定性會大大降低，鉆爆開挖后會進一步破壞圍巖原有平衡結構，給支護帶來困難，同時位移量也會有較大波動，一般呈“根號型”曲線分布。以YK227+347斷面（屬Ⅴ類圍巖）采集數據為基礎繪制的拱頂下沉位移量曲線，如圖5所示，數據采集時該斷面距離掌子面2.0 m[6]。

圖5 YK227+347斷面拱頂下沉位移量曲線

從圖5 可以看出，4 月29 日—5 月2 日4 d，拱頂位移量增速很快，累計達到10 mm，平均位移速率2.5 mm/d；5 月3—7 日5 d，位移速率趨近于平穩，累計位移量為2.0 mm，平均位移速率0.4 mm/d；5月8—12日5 d，位移速率再次顯著上升，位移量由10 mm上升至30 mm，平均位移速率5.0 mm/d；5月13—19日7 d，下沉速率再次下降，總位移量由30 mm 增加到33 mm，平均位移速率0.5 mm/d。之后經過連續13 d監測發現位移量不再變化，因此認定拱頂穩定時間為21 d左右。

經綜合分析發現，本項目隧洞在Ⅳ類圍巖地段，拱頂下沉位移量呈“光滑型”曲線分布，在前25 d 時間內基本完成沉降過程，之后保持穩定狀態，總位移量在30 mm；在Ⅴ類圍巖地段，拱頂下沉位移量呈“根號型”曲線分布，最初4 d位移量較大，之后5 d左右保持平穩，然后位移再次增大，最終趨于平穩，經過采取預注漿、加強支護等措施后，總位移量也能穩定在33 mm。總體而言，本項目對于拱頂位移量控制效果良好。

3.2 兩幫位移量監測結果分析

隧洞兩幫圍巖的受力相對于拱頂要小，而且上部很大一部分壓力被傳到下部巖層，因此總體位移量較小，監測結果也證實了這一點[7]，監測結果和分析如下。

3.2.1 Ⅳ類圍巖隧洞兩幫位移量監測分析

以ZK231+547 斷面（屬Ⅳ類圍巖）為分析對象，其兩幫收斂量曲線如圖6 所示。從圖6 可以看出，5月17—19 日3 d，兩幫收斂速率較大，累計收斂量達到6 mm，平均收斂速率2 mm/d；5月20—30日11 d，累計收斂量為6 mm，收斂速率有所降低，約為0.55 mm/d；5月31日—6月4日5 d，累計收斂量為2 mm，收斂速率進一步下降，約為0.4 mm/d。之后又經過連續13 d 監測發現收斂量基本不再變化，因此認定本隧洞Ⅳ類圍巖兩幫穩定時間為19 d 左右，且總收斂量約14 mm[8]。

圖6 ZK231+547斷面兩幫收斂量曲線

3.2.2 Ⅴ類圍巖隧洞兩幫位移量監測分析

以YK227+347 斷面（屬Ⅴ類圍巖）為分析對象，隧洞兩幫收斂量曲線如圖7所示。從圖7可以看出，4 月29 日—5 月5 日7 d，兩幫收斂量呈波動上升趨勢，累計收斂量達到10 mm，平均1.43 mm/d；5月6—8日3 d，兩幫收斂量極速上升，累計收斂量為10 mm，收斂速率有所降低，約為3.3 mm/d；5 月9—17 日9 d，累計收斂量為5 mm，收斂速率回歸平緩，約為0.56 mm/d。之后又經過連續13 d 監測發現收斂量基本不再變化，因此認定本隧洞Ⅴ類圍巖兩幫穩定時間為半個月左右，且總收斂量約25 mm。

圖7 YK227+347斷面兩幫收斂量曲線

經綜合分析發現，本項目隧洞在Ⅳ類圍巖地段，兩幫收斂速率基本保持“快→慢”變化趨勢，在前15 d時間內基本完成收斂過程，之后保持穩定狀態，總收斂量為15 mm；在Ⅴ類圍巖地段，兩幫收斂速率基本保持“波動→快→慢”變化趨勢，也是在15 d 時間內完成收斂過程，總收斂量為25 mm。隧洞兩幫的收斂量相對于拱頂下沉量明顯減小，也能說明本項目對于兩幫支護效果良好[9]。

4 結語

通過對隧洞拱頂及兩幫圍巖位移量的監測結果進行分析，發現在支護結構相同的情況下圍巖類型決定其位移量。本項目制定的支護方案能夠把拱頂下沉量控制在35 mm以下、兩幫位移量控制在25 mm以下，而且在整個施工過程中未發現局部垮塌和變形現象，說明該支護方案是合理的。但是，由于各地區圍巖分布、種類、風化程度、完整性千差萬別，因此還需根據現場情況靈活調整支護方案，做到經濟適用。