唐 金

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 411004)

基于檀樹(shù)灣隧道監(jiān)控量測(cè)的圍巖變形特征分析

唐 金

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 411004)

結(jié)合檀樹(shù)灣隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)工作，研究了隧道圍巖的變形特征。通過(guò)分析隧道拱頂變形和周邊收斂變形發(fā)現(xiàn)圍巖變形曲線主要表現(xiàn)為臺(tái)階型、拋物線型和廠型3類曲線，且各類型曲線變化過(guò)程可劃分為快速變形階段、過(guò)渡變形階段和穩(wěn)定收斂階段3個(gè)階段；對(duì)圍巖變形進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)能較好的擬合圍巖拱頂沉降曲線和周邊收斂曲線；通過(guò)圍巖變形與掌子面的距離空間效應(yīng)分析，給出了施作二襯的合理間距。結(jié)合隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了圍巖變形的主要影響因素。

監(jiān)控量測(cè)；回歸分析；圍巖變形；時(shí)空效應(yīng)

0 引 言

新奧法是目前國(guó)內(nèi)外隧道設(shè)計(jì)與施工的核心思想，它強(qiáng)調(diào)隧道圍巖是支護(hù)體系的一部分，即充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。隨著隧道工程的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的隧道建設(shè)采用了新奧法施工。而在新奧法施工過(guò)程中，勤測(cè)量是保證隧道安全施工的重要手段。通過(guò)對(duì)隧道圍巖變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，為隧道二次襯砌支護(hù)提供理論依據(jù)；通過(guò)測(cè)量隧道圍巖變形及觀測(cè)圍巖是否產(chǎn)生裂縫，預(yù)測(cè)隧道塌方情況，從而避免發(fā)生安全事故。王彥清利用位移反分析法對(duì)廈門翔安海底隧道變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果在對(duì)控制隧道變形起到了重要的作用[1]。劉冠蘭基于工程實(shí)例研究了地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與分析預(yù)報(bào)方法[2]。谷志祥通過(guò)分析大南溝隧道不同開(kāi)挖方法下的圍巖變形，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)建立了圍巖變形預(yù)測(cè)模型[3]。本文對(duì)檀樹(shù)灣隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)得到的圍巖變形-時(shí)間、空間曲線進(jìn)行分類，分析了圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)及影響因素，并給出了施工二次襯砌的合理掌子面距離，對(duì)保障檀樹(shù)灣隧道安全施工及類似工程具有重要意義。

1 工程概況

婁衡高速檀樹(shù)灣隧道位于湖南省婁底市雙峰縣鏡內(nèi)，左線婁底端里程樁號(hào)為ZK11＋670，衡陽(yáng)端里程樁號(hào)ZK12＋698，隧道全長(zhǎng)1028 m；其中明洞30 m，Ⅲ級(jí)圍巖529 m，Ⅳ級(jí)圍巖221 m，Ⅴ級(jí)圍巖248 m。右線婁底端里程樁號(hào)為K11＋670，衡陽(yáng)端里程樁號(hào)K12＋690，隧道全長(zhǎng)1020 m；其中明洞30 m，Ⅲ級(jí)圍巖520 m，Ⅳ級(jí)圍巖222 m，Ⅴ級(jí)圍巖248 m。場(chǎng)地地貌類型為丘陵地貌，地表剝蝕較強(qiáng)烈。隧道所穿越的叢毛大山基本呈不規(guī)則帶狀，山頂最大高程282.5 m；隧道起點(diǎn)段位于從毛山北側(cè)坡腳，山前沖溝底部最低高程為113.7 m，北側(cè)山坡坡腳較緩，為山坡坡前堆積體，厚度較大，緩坡寬約130～150 m；山坡上部自然坡底較大，覆蓋層較薄。左、右線洞門均無(wú)偏壓，婁底端洞門采用削竹式洞門，衡陽(yáng)端采用端墻式洞門。

2 檀樹(shù)灣隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)與方法

2.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)及方法

依據(jù)國(guó)家規(guī)范[4]和設(shè)計(jì)文件，檀樹(shù)灣隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目主要有地質(zhì)觀測(cè)、周邊收斂、拱頂下沉和地表沉降。隧道洞口及淺埋段地表沉降測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。由于隧道采用臺(tái)階法開(kāi)挖，拱頂測(cè)點(diǎn)和周邊收斂測(cè)線的布置見(jiàn)圖2。地質(zhì)觀測(cè)主要包括地質(zhì)內(nèi)容(巖性特征；地層時(shí)代及產(chǎn)狀；節(jié)理、斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀；地下水；開(kāi)挖工作面的穩(wěn)定狀態(tài)；圍巖類型等)和開(kāi)挖后已支護(hù)段情況，包括初期支護(hù)完成后對(duì)噴層表面的觀察以及裂縫狀況的描述與記錄；有無(wú)錨桿被拉壞或墊板陷入圍巖內(nèi)部的現(xiàn)象；噴混凝土是否產(chǎn)生裂隙或剝離，噴混凝土是否發(fā)生剪切破壞；鋼拱架有無(wú)被壓曲現(xiàn)象；有無(wú)底鼓現(xiàn)象等。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定收斂是反應(yīng)隧道圍巖穩(wěn)定的主要手段之一。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，預(yù)測(cè)圍巖變形速率及最終變形量，進(jìn)而為后續(xù)施工提供指導(dǎo)。常用的一元非線性回歸方程主要有3種:

(1)對(duì)數(shù)函數(shù):

(2)指數(shù)函數(shù):

(3)雙曲線函數(shù):

式中，a，b為擬合常數(shù)。

圖1 周邊位移、拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置

圖2 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置

3 隧道圍巖變形特征分析

隧道開(kāi)挖擾動(dòng)打破原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，同時(shí)由于隧道施工方法、地質(zhì)條件、支護(hù)形式的差異，圍巖的擾動(dòng)程度也大不相同。開(kāi)挖擾動(dòng)下的圍巖變形發(fā)展隨著掌子面的開(kāi)挖表現(xiàn)出明顯的時(shí)空效應(yīng)。

3.1 洞口段地表沉降結(jié)果分析

檀樹(shù)灣隧道左右線同時(shí)施工，Z7K12＋672和YK12＋670斷面分別位于隧道左右洞口段。由于洞口段處的圍巖等級(jí)低，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，當(dāng)進(jìn)行洞口開(kāi)挖擾動(dòng)時(shí)極易發(fā)生地表沉降。左右線洞口處斷面地表沉降隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，Z7K12＋672和YK12＋670斷面各地表沉降點(diǎn)在監(jiān)測(cè)開(kāi)始50 d后都趨于穩(wěn)定。各測(cè)點(diǎn)沉降變化波動(dòng)小，日均變化速率為0～0.5 mm/d，各斷面的累計(jì)沉降最大值都在隧道軸向附近，且離軸線距離越遠(yuǎn)，沉降變形越小，這與Peck沉降曲線相一致[5]。同時(shí)隨著隧道埋深增大，地表沉降變形逐漸減小。因此，對(duì)于洞口段開(kāi)挖應(yīng)加強(qiáng)重視，應(yīng)采取超前支護(hù)等有效措施嚴(yán)格控制地表沉降變形。

圖3 檀樹(shù)灣隧道地表沉降橫向曲線

3.2 圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)分析

圍巖變形是一個(gè)隨時(shí)間變化的過(guò)程，不同階段巖體變形規(guī)律各部相同，具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。

3.2.1 拱頂變形規(guī)律

選取檀樹(shù)灣隧道左線斷面ZK12＋555進(jìn)行圍巖變形分析，斷面拱頂沉降與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4可知，采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，該斷面的拱頂沉降變形累計(jì)沉降量為48.94 mm，變形過(guò)程主要分為 3個(gè)階段:

(1)快速變形階段，當(dāng)隧道上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂變形出現(xiàn)了快速沉降，日沉降量最大達(dá)3.75 mm，平均沉降速率達(dá)到1.97 mm/d，累計(jì)沉降量達(dá)25.63 mm，占總沉降量的52.4%；

(2)變形過(guò)渡階段，該階段日沉降量仍較大，但變形速率有減小的趨勢(shì)，主要發(fā)生在下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程。該階段累計(jì)沉降量達(dá)21.22 mm，占總沉降量的44.1%；

(3)變形穩(wěn)定收斂階段，初期支護(hù)后10 d左右，沉降變形逐漸變小并趨于穩(wěn)定，該階段變形速率逐漸減小，最終趨向?yàn)榱恪?/p>

采用公式(1)、(2)和(3)分別對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，通過(guò)擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)為ZK12＋555斷面拱頂沉降與時(shí)間關(guān)系曲線的最佳擬合函數(shù)。擬合結(jié)果為a＝59.4，b＝0.046，相關(guān)系數(shù)R2＝0.98。因此ZK12＋555斷面拱頂沉降與時(shí)間關(guān)系曲線的方擬合程為:

3.2.2 周邊收斂變形規(guī)律

圖5為斷面ZK12＋555上測(cè)線周邊收斂與時(shí)間關(guān)系曲線圖。由圖5可知，上測(cè)線周邊收斂累計(jì)穩(wěn)定值為34.71 mm，變形過(guò)程主要分為3個(gè)階段:

(1)急速變形階段。當(dāng)隧道上臺(tái)階開(kāi)挖后，周邊收斂變形出現(xiàn)了快速變形，日變化量最大達(dá)3.85 mm，大約6 d后變形速度變小，平均沉降速率達(dá)到2.92 mm/d，累計(jì)沉降量達(dá)18.32 mm，占總變形值的50.5%；

(2)過(guò)渡變形階段。該階段變形主要受下臺(tái)階開(kāi)挖影響，但變形速率變化較小，平均變形速率為1.29 mm/d，該階段的變形量為14.22 mm，占總變形量的40.9%；

(3)收斂穩(wěn)定階段。該階段變形速率逐漸減小，最終趨向?yàn)榱恪?duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)為ZK12＋555斷面周邊收斂與時(shí)間關(guān)系曲線的最佳擬合函數(shù)。擬合結(jié)果為a＝39.8，b＝0.084，相關(guān)系數(shù)R2＝0.97。因此ZK12＋555斷面周邊收斂與時(shí)間關(guān)系曲線的方擬合程為:

圖4 ZK12＋555斷面上測(cè)線周邊收斂曲線

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)圍巖變形的時(shí)間特征曲線主要分為3類:臺(tái)階型、拋物線型和廠型。拱頂沉降與時(shí)間關(guān)系曲線受上下臺(tái)階開(kāi)挖影響主要表現(xiàn)為臺(tái)階型曲線，可分為3個(gè)階段:快速變形階段、變形過(guò)渡階段及穩(wěn)定收斂階段。各階段的持續(xù)時(shí)間與后續(xù)工序關(guān)系密切，跟進(jìn)速度越快，持續(xù)時(shí)間則越小。周邊收斂與時(shí)間關(guān)系曲線多表現(xiàn)為拋物線型和廠型。上測(cè)線的周邊收斂由于受下臺(tái)階開(kāi)挖影響多表現(xiàn)為拋物線型曲線，而下測(cè)線的周邊收斂曲線則主要表現(xiàn)為廠型曲線。

3.3 圍巖變形的空間效應(yīng)分析

圍巖變形的空間效應(yīng)表現(xiàn)在隨著掌子面的推進(jìn)，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。圖5為ZK12＋555斷面在臺(tái)階開(kāi)挖法下圍巖變形與掌子面距離的關(guān)系。由圖5可知，ZK12＋555斷面拱頂沉降空間效應(yīng)呈“臺(tái)階”增長(zhǎng)，上測(cè)線周邊收斂的空間效應(yīng)表現(xiàn)出“拋物線型”，而下測(cè)線則表現(xiàn)出“廠型”。在距掌子面的距離為2.6倍洞徑時(shí)，拱頂沉降變形趨于穩(wěn)定，而周邊收斂時(shí)與掌子面距離約2.9倍洞徑，故建議在Ⅴ級(jí)圍巖施工中，當(dāng)距離掌子面三倍洞徑時(shí)可施作二次襯砌。

圖5 圍巖變形與掌子面距離的關(guān)系

3.4 圍巖變形影響因素分析

圍巖變形過(guò)程復(fù)雜，影響因素眾多，不僅受隧道施工、斷面尺寸等工程影響[6]，還與巖體地質(zhì)條件、構(gòu)造有關(guān)，如:巖體力學(xué)特性、圍巖類別、地下水、隧道埋深等[7]。結(jié)合監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，檀樹(shù)灣隧道圍巖變形的影響因素主要有:

(1)圍巖類別。圍巖的類別及力學(xué)特性對(duì)其穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是圍巖變形的最主要影響因素之一。對(duì)于硬巖易引起巖爆、剝落和開(kāi)裂現(xiàn)象；軟巖則變形問(wèn)題突出。施工過(guò)程表現(xiàn)出的大變形、失穩(wěn)、塌落等問(wèn)題與巖性密切相關(guān)。同時(shí)圍巖級(jí)別越高，圍巖變形越大。這是由于圍巖級(jí)別越高，節(jié)理裂隙越發(fā)育，工程特性越差，當(dāng)進(jìn)行開(kāi)挖擾動(dòng)出現(xiàn)應(yīng)力釋放時(shí)，高級(jí)別圍巖便表現(xiàn)出較大的巖體變形。

(2)初始地應(yīng)力。圍巖在最大主應(yīng)力方向失穩(wěn)和破壞的概率最大，所以圍巖變形與初始地應(yīng)力與隧道軸線關(guān)系密切聯(lián)系:當(dāng)?shù)貞?yīng)力以垂直方向?yàn)橹鲿r(shí)，隧道拱頂沉降變形較為明顯；當(dāng)?shù)貞?yīng)力以水平方向?yàn)橹鲿r(shí)，隧道周邊收斂變形受地應(yīng)力影響較大。因此在隧道工程建設(shè)中必須充分考慮主應(yīng)力方向與隧道軸向及斷層節(jié)理的關(guān)系。

(3)地下水及不良地質(zhì)條件。地下水對(duì)圍巖變形的影響主要有表現(xiàn)在:水能加速土體崩解，弱化巖石強(qiáng)度；地下水滲流產(chǎn)生動(dòng)水壓力及靜水壓力，改變巖土體的應(yīng)力狀態(tài)。不良地質(zhì)條件如斷層破碎帶、巖溶等對(duì)圍巖變形也具有一定的影響。

(4)施工開(kāi)挖方法與支護(hù)工程措施。圍巖變形是圍巖-支護(hù)相互作用的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，所以，隧道圍巖的穩(wěn)定性除受地質(zhì)條件影響外，還受工程因素的影響[8]。隧道工程的影響因素主要包含隧道斷面的尺寸、隧道埋深、開(kāi)挖方法、施工工序、支護(hù)措施以及其它工程的影響等。

4 結(jié) 論

(1)受分部臺(tái)階開(kāi)挖影響，拱頂沉降與時(shí)間關(guān)系曲線主要表現(xiàn)為臺(tái)階型，可大致分為:快速變形、過(guò)渡變形、穩(wěn)定收斂3個(gè)階段，且其回歸曲線與指數(shù)函數(shù)較為相近。

(2)Ⅴ級(jí)圍巖施工中，在距掌子面的距離為3倍洞徑時(shí)，拱頂沉降和周邊收斂變形均趨于穩(wěn)定，故可建議當(dāng)距離掌子面3倍洞徑時(shí)施作二次襯砌。

[1]劉冠蘭.地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與分析預(yù)報(bào)方法研究[D].武漢:武漢大學(xué)，2013.

[2]谷志祥.大南溝隧道開(kāi)挖方法及圍巖變形預(yù)測(cè)的研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

[3]王彥清.位移反分析在廈門翔安海底隧道變形預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2013(8):27-29.

[4]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程(TB10121-2007)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

[5]方恩權(quán)，楊玲芝，李鵬飛.基于Peck公式修正的盾構(gòu)施工地表沉降預(yù)測(cè)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015(01):143-149，162.

[6]楊會(huì)軍，王夢(mèng)恕.隧道圍巖變形影響因素分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006，28(3):92-96.

[7]肖同強(qiáng)，李化敏，楊建立，等.超大斷面硐室圍巖變形破壞機(jī)理及控制[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014(04):631-636.

[8]張良剛.特大斷面板巖隧道圍巖變形特征及控制技術(shù)研究[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2014.

圖3s－lgt曲線

3 結(jié) 論

自平衡試樁法一般用于建筑工程地基檢測(cè)，在工程實(shí)踐中已得到一定的驗(yàn)證和認(rèn)可，并逐漸廣泛推廣。礦山工程基礎(chǔ)和建筑地基在巖土力學(xué)特征上有一定的相似性和可比性，將自平衡檢測(cè)用于例如豎井井筒，提升機(jī)房，高大選廠廠房等礦山工程的基礎(chǔ)檢測(cè)有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn):

[1]蘇華峰.石濟(jì)客專濟(jì)南黃河大橋自平衡樁基試驗(yàn)研究[J].城市建筑，2014，36:253-254.

[2]黃美成.百分表在擠壓造粒機(jī)安裝中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2013(3).

[3]高海超，李國(guó)權(quán).自平衡法樁基靜載檢測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用[J].天津建設(shè)科技，2013(3):49-250.

[4]趙軍德，董林育.自平衡試樁法在橋樁檢測(cè)中的應(yīng)用[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2014(4):287-2288.

[5]魏 亮，陳 飛.自平衡法在大直徑大噸位樁基檢測(cè)中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2014(2).

[6]許 鵬，王 清，齊 迪，等.我國(guó)北方某熱電廠樁載試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012(1):138-2143.

(收稿日期:2015-10-21)

作者簡(jiǎn)介:李欽斌(1985-)，男，廣西人，主要研究方向?yàn)榈V山安全環(huán)保工程，Email:182816308@qq.com。

2016-03-16)

唐 金(1984-)，男，湖南瀏陽(yáng)人，工程師，主要從事橋隧工程方面的研究，Email:1071384683@qq.com。