基于監測數據的大斷面隧道圍巖變形規律分析

摘要：文章對新建濟南至泰安高速公路柳埠隧道大斷面圍巖變形情況的監測數據進行分析，得知大斷面隧道圍巖的變形主要存在于隧道開挖后15 d內，隧道開挖后15～30 d圍巖存在一定波動，隧道開挖后30 d后變形情況基本穩定。研究認為：大斷面隧道監測對監測儀器和精度要求更高；當監測變形有較大值時或者地質條件有突然變化時應縮小監測點間距，實時調整以滿足變形觀測要求；剔除異常值，能夠保證已測數據的可靠性，并對圍巖未來變形趨勢做出正確可靠的預測。

關鍵詞：圍巖變形；變形監測；隧道安全

中文分類號：U456.3A481582

0引言

近年來，隨著我國經濟的迅猛發展，公路及鐵路交通基礎設施規模日益增加，隧道作為重要的交通組成部分，以縮短里程效果明顯、對自然環境影響小以及可避免滑坡、泥石流等自然災害的優勢在我國交通基礎設施中的占比越來越大，特別是在鐵路及公路穿越的山嶺地帶，隧道的優勢更為突出。然而，隨著隧道工程的不斷發展，隧道建設的跨度、斷面尺寸也不斷提高，建設過程中出現的問題數量及類型也逐漸增多，隧道建設工程對施工安全性的要求也越來越高。因此，為了進一步提高隧道施工的安全性，變形監測技術在隧道的施工及運營階段得到了廣泛應用。通過圍巖變形監測可以在施工及運營階段實時掌握圍巖的變形狀態，監控圍巖大變形等危險情況的發生，及時報告圍巖出現的異常狀況，為隧道施工安全提供了極大的保障。根據隧道施工過程中的圍巖監測數據，還可以對圍巖變形規律進行分析，為隧道施工提供理論依據［1-2］。

當前許多學者對圍巖變形規律進行了研究。吳潔等［3］對隧道施工中監控量測工作的目的、方法及測點布設原則進行了介紹，并結合實際工程監測數據對圍巖變形規律進行了分析；趙香玲［4］依托實際隧道工程對超大斷面隧道加寬段圍巖變形和圍巖壓力變化規律進行了研究，提出了一系列如優化工法、增加施工步以及及早閉環等控制圍巖變形的措施，并在實際隧道工程中選取監測斷面布置測點，對圍巖的拱頂沉降和周邊收斂進行了監測，同時對其監測數據進行了擬合，實現了圍巖變形穩定值的初步預測，為實際工程提供了經驗；陳秀義［5］以引漢濟渭工程秦嶺隧洞實際工程為背景，對圍巖破裂形式、隧洞拱肩及拱頂變形特征進行了研究，并分析了圍巖破裂變形規律。

1隧道概況

1.1基本情況

新建濟南至泰安高速公路柳埠隧道左線進口里程為ZK15+650，出口里程為ZK16+042，全長為392 m，最大埋深為73 m；右線進口里程為K15+626，出口里程為ZK16+025，全長為399 m，最大埋深為64 m。隧道設計為雙向六車道高速公路隧道，設計速度為120 km/h。隧道進口位于半山坡部位，山坡自然坡度約26.5°，坡面傾向約23°，出口段山坡自然坡度約16.5°，坡面傾向約166°。

1.2施工方案

隧道開挖施工方案常見的有臺階法、核心土法、CD法等。各種方法適用于不同的圍巖狀況，并與施工進度、質量、安全控制緊密相關。隧道設計中隧道明洞段和暗洞段分別采用明挖法和新奧法進行施工，并針對隧道圍巖情況和隧道埋深來選擇開挖方法。柳埠隧道為三車道大斷面隧道。考慮到隧道斷面尺寸大的特點，隧道長度比較短，圍巖為Ⅴ、Ⅳ級，穩定性較差，隧道施工開挖全部采用三臺階法施工。開挖揭露圍巖穩定性較差時，采用臺階法預留核心土的方法。柳埠隧道圍巖具體情況為：Ⅴ級圍巖隧道左線長287 m，右線長294 m，共計581 m，占隧道總長的73.5%；Ⅳ級圍巖隧道左線長105 m，右線長105 m，共計210 m，占隧道總長的26.5%。

2監測設備及方案

2.1監測內容及工具

柳埠隧道采用新奧法理念設計和施工。在隧道施工中開展監控量測工作是新奧法隧道設計和施工的重要環節和組成部分。通過在施工現場，按照圍巖不同類別和洞口地質情況布置監控量測點，應用全站儀、精密水準儀、收斂計等儀器獲得進出口地表和圍巖變形的實際狀況，并對檢測數據進行分析，對已有的監測結果按照有關規定進行判斷，對未來變形數據進行預測。這不僅需要一定的分析預測理論，同時需要具有一定精度和可靠性的監測儀器。柳埠隧道是三車道高速公路隧道，從開挖襯砌斷面尺寸來說屬于大斷面隧道，大斷面隧道變形對隧道結構和安全影響更重要。因此，大斷面隧道監測對監測儀器和精度要求更高。柳埠隧道位于山東省，氣溫低，尤其是冬季溫度變化對儀器監測結果會產生影響。因此，實際監測還要考慮溫度變化的影響，配備溫度計以測量觀測時的現場溫度，便于計算溫度改正值。根據柳埠隧道設計、施工和地質條件等實際狀況，結合《公路隧道施工技術規范》（JTG F60-2009）的要求，柳埠隧道監控量測項目為洞內外觀察、地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂，所用的主要儀器設備如表1所示。

2.2監測點布置及觀測頻率

隧道監測點的布置既要滿足監測點便于觀察測量，又要保證監測數據的精度和可靠性。因此，洞內洞外布點都要布置在堅固穩定的地方、施工開挖或施工機械不易損壞的地方，盡量不被雜物樹木遮擋的地方，避免多次轉點或移站。洞口地表沉降測點在橫斷面方向的開挖范圍以外至少布置一個監測點，在縱面斷面方向至少布置在2.5倍開挖洞徑以外，且縱向布置間距要兼顧地表自然地形，間距不宜太大。洞內Ⅳ級圍巖測點布置間距為10～20 m，洞內Ⅴ級圍巖測點布置間距為5～10 m。當監測變形有較大值時或者地質條件有突然變化時應縮小監測點間距，實時調整以滿足變形觀測要求。柳埠隧道施工方法為三臺階法，或者三臺階預留核心土法。當上臺階施工至Z1K15+955處時，中臺階施工至Z1K15+955處，下臺階施工至Z1K15+878處，二襯防水布掛至Z1K15+736處。柳埠隧道洞內監測點布置如圖1所示，圖1中A點為拱頂沉降監測點，B、C、D、E為水平收斂監測點。當圍巖發生變化變差或觀測變形較大時，根據審批的實施方案和有關規范規定在特殊地段還需按實際情況增設水平監測點。

正常情況下在測點埋設之后盡早獲取初始數據。在觀測初期的1～15 d每天觀測讀數一次。隨著變形速率減小，適當減小觀測頻率至每2 d觀測讀數一次。當變形值趨于穩定時放棄觀測讀數。當觀測數據出現異常，需要復測讀數。當觀測值出現明顯增大時，加密觀測讀數頻率，必要時觀測2次/d。

3監測數據分析

通過對觀測數據的分析處理，可以了解圍巖目前變形狀態，并可以根據圍巖目前變形狀態結合有關變形預測曲線預測圍巖未來變形趨勢。因此，在數據分析處理過程中，對當前數據正確處理，發現異常值，必要時預警或剔除異常值非常重要。及時預警能夠為施工、設計支護參數調整提供必要的依據。剔除異常值，能夠保證已測數據的可靠性，并對圍巖未來變形趨勢做出正確可靠的預測。以隧道左線Z1K15+742斷面為例對其圍巖變形數據進行整理。如表2所示為柳埠隧道Z1K15+742斷面隧道拱頂下沉及周邊收斂數據；如圖2所示為柳埠隧道Z1K15+742斷面隧道拱頂沉降變化曲線；如后頁圖3所示為柳埠隧道Z1K15+742斷面隧道周邊收斂變化曲線。

通過表2和圖2可以看出，隧道拱頂沉降在隧道開挖后15 d處于急劇變化階段，在此階段隧道拱頂沉降迅速增加，在非常短的時間內就接近了隧道拱頂沉降的最大值；隧道拱頂沉降在隧道開挖15～30 d處于波動階段，在此階段隧道的拱頂沉降會出現偶爾的回彈情況，隧道拱頂沉降存在一定波動，但波動幅度較小；隧道拱頂沉降在隧道開挖30 d后處于穩定階段，在此階段隧道拱頂沉降變化較小，逐漸趨于穩定。

通過前頁表2和圖3可以看出，隧道周邊收斂在隧道開挖后15 d處于急劇變化階段，在此階段隧道周邊收斂迅速增加，在非常短的時間內就接近了隧道周邊收斂的最大值；隧道周邊收斂在隧道開挖15～30 d處于波動階段，在此階段隧道的周邊收斂會出現偶爾的回彈情況，隧道周邊收斂存在一定波動，波動存在一定幅度，且隧道周邊收斂在此階段達到最大值；隧道周邊收斂在隧道開挖30 d后處于穩定階段，在此階段隧道周邊收斂變化較小，逐漸趨于穩定。

4結語

通過對柳埠隧道典型斷面圍巖監控量測數據進行分析，得到了柳埠隧道大斷面拱頂沉降和圍巖收斂變形規律，主要結論如下：

（1）隧道拱頂沉降在隧道開挖后15 d處于急劇變化階段，在此階段隧道拱頂沉降迅速增加，在非常短的時間內就接近了隧道拱頂沉降的最大值；隧道拱頂沉降在隧道開挖15～30 d處于波動階段，在此階段隧道的拱頂沉降會出現偶爾的回彈情況，隧道拱頂沉降存在一定波動，但波動幅度較小；隧道拱頂沉降在隧道開挖30 d后處于穩定階段，在此階段隧道拱頂沉降變化較小，逐漸趨于穩定。

（2）隧道周邊收斂在隧道開挖后15 d處于急劇變化階段，在此階段隧道周邊收斂迅速增加，在非常短的時間內就接近了隧道周邊收斂的最大值；隧道周邊收斂在隧道開挖15～30 d處于波動階段，在此階段隧道的周邊收斂會出現偶爾的回彈情況，隧道周邊收斂存在一定波動，波動存在一定幅度，且隧道周邊收斂在此階段達到最大值；隧道周邊收斂在隧道開挖30 d后處于穩定階段，在此階段隧道周邊收斂變化較小，逐漸趨于穩定。

參考文獻：

［1］中華人民共和國交通運輸部.2021年交通運輸行業發展統計公報［R］.2022.

［2］劉濤.山區破碎圍巖隧道支護結構變形監測與分析［J］.中國公路，2022（9）：110-111.

［3］吳潔，雷蕾，李海峰.王家灣隧道圍巖變形監測與分析實例研究［J］.北方交通，2022（1）：83-86.

［4］趙香玲.軟弱圍巖隧道變形監測與分析［J］.河南科技，2021，40（6）：119-122.

［5］陳秀義.高地應力狀態下硬質碎裂巖隧道變形機理研究［J］.鐵道標準設計，2017，61（11）：56-60.

作者簡介：曾曉天（1995—），助理工程師，主要從事公路技術服務工作。