基于现场监测的隧道围岩压力分布规律与特征

丁文礼 　 陈 蒙 　 姜 宁

(烟台大学，山东 烟台　264000)



基于现场监测的隧道围岩压力分布规律与特征

丁文礼 陈 蒙 姜 宁

(烟台大学，山东 烟台264000)

结合邢汾高速公路隧道现场监测数据，探讨了国内其他隧道围岩压力的统计数据，分析了围岩压力的总体分布规律和围岩压力的时空分布特征，并对衬砌结构的优化提出了建议。

围岩压力，分布规律，现场监测

随着经济的发展，国家对基础设施不断投入，隧道工程由于其众多优点得到快速发展[1-3]。围岩压力作用在隧道等地下结构物上的主要计算荷载，它的性质、大小与分布直接影响到隧道临时支护和永久衬砌类型的合理类型，形状与尺寸以及与之相对应的施工方法,同时也是结构设计关注的重要内容[4-6]。由于影响围岩压力的因素很多，不同地区工程地质条件差异较大，故难以从理论上得到较准确的围岩压力数据，因此对围岩压力的现场监测就显得尤为必要[7-10]。关于围岩压力监测及分析，国内学者已经做了一定的研究，李鹏飞等[11]通过围岩压力统计分析，研究了围岩压力分布特征；刘学增[12]结合龙头山隧道监测数据，对大跨度公路隧道围岩竖向压力分布特征进行了探讨；雷军等[13]对特长隧道复杂地质条件下断层带应力及变形进行了监测分析。

上述学者的研究取得了丰硕的成果，深入了围岩压力的研究工作。然而，应该看到，部分研究工作存在仪器布置不够合理，研究结论过于笼统等问题，为了进一步探讨围岩压力作用机理，明晰围岩压力分布规律与特征，本文结合邢汾高速贺平峡隧道、黄岩子隧道、后偏梁隧道的现场监测数据，并综合国内其他隧道围岩压力统计数据，对围岩压力的分布与特征进行了探讨，并对衬砌结构的合理优化提出了建议。

1　围岩压力的统计分析

从国内42条隧道选取了85个有代表性的监测断面的围岩压力最大值进行统计分析，其中Ⅱ级围岩2个、Ⅲ级围岩10个、Ⅳ级围岩38个、Ⅴ级围岩35个，如表1所示。

表1　监测断面数量统计

根据围岩级别将统计数据分为围岩压力总体分布、Ⅳ级围岩压力值分布、Ⅴ级围岩压力值分布三组，如图1～图3所示；Ⅱ，

Ⅲ级围岩由于数据较少，因此不单独分组。

通过对所有围岩压力监测数据的统计分析可知:

1)围岩压力值的范围大体在0 MPa～1.6 MPa之间，均值为0.32 MPa；Ⅱ，Ⅲ级围岩压力值范围在0 MPa～0.162 MPa之间，均值为0.09 MPa；Ⅳ级围岩压力值范围在0 MPa～0.697 MPa之间，均值为0.20 MPa；Ⅴ级围岩压力值范围在0 MPa～1.597 MPa之间，均值为0.527 MPa，由此可见，随着围岩级别的增加，围岩压力值变化趋势是增大的，但并不意味着高级别的围岩其压力值一定大于低级别的围岩压力值。两个Ⅱ级围岩压力值达到了0.162 MPa， 0.147 MPa，大于Ⅱ，Ⅲ级围岩压力均值，这个例外可能与Ⅱ，Ⅲ级围岩压力值统计数据不足有关。

2)所有围岩压力值在0.02 MPa～0.55 MPa范围内的频数达到68个，占总体的80%，即总体来看，围岩压力很少低于20 kPa或大于550 kPa;Ⅳ级围岩压力值在0.019 MPa～0.358 MPa范围内的频数达到31个，占总体的82%，可知Ⅳ级围岩压力值很少低于19 kPa或大于358 kPa;Ⅴ级围岩压力值在0.024 MPa～1.282 MPa范围内的频数达到33个，占总体的94%，可知Ⅴ级围岩压力值很少低于24 kPa或大于1.282 MPa。

2　邢汾高速围岩压力监测

对邢汾高速四条隧道，五个监测断面进行长期监测。监测使用的压力盒为钢弦式压力盒，布置方法为“密布搭桥”布设法[14]，如图4所示，相比传统在拱顶、拱腰、拱底布置压力盒的方法，增加了围岩压力值的准确性。压力盒测得的压力值为围岩与初次衬砌之间的接触应力，由于压力盒布置在钢拱架与围岩之间，即隧道开挖之后，此时围岩已经有了一定的形变，围岩压力得到部分的释放，故实测围岩压力值小于实际围岩压力值。各监测断面基本情况如表2所示。

表2　各监测断面基本情况

监测断面贺坪峡隧道ZK77+613.5黄岩子隧道ZK79+160黄岩子隧道YK79+521黄岩子隧道YK80+383后偏梁隧道ZK63+353围岩级别ⅢⅢⅣⅣⅤ埋深1301962279120岩性石英砂岩石英砂岩石英砂岩石英砂岩黑云片麻岩开挖方式台阶法台阶法台阶法台阶法台阶法

3　围岩压力分布特征

3.1围岩压力的时间变化特征

以监测断面的监测结果为依据，作拱架总压力随时间的变化曲线。其中Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩各有1个断面。各监测断面拱架总压力时程变化曲线如图5～图7所示。

根据各样本隧道围岩压力监测数据曲线可知：

1)各监测断面围岩压力在压力盒安装之后7 d之内迅速增大，随后进入平稳增长阶段，并最终趋于稳定。如图5所示，贺坪峡隧道ZK77+613.5监测断面拱架总压力值在7 d的时候增大到8 kN，达到拱架总压力稳定值的75%,之后经过约14 d的平稳增长而趋于平稳，并最终稳定在12 kN左右。

2)各监测断面拱架总压力值在增大过程中均出现了不同程度的波动。这种波动反映了围岩压力大小受多种因素(地质情况、施工条件等)的影响，而不是稳定不变的。例如贺坪峡隧道ZK77+613.5监测断面拱架总压力值在37 d左右由11 kN减小为8 kN，这是由于下台阶开挖引起的，随着下台阶支护结构的施作，支护结构承担围岩变形而释放的围岩压力，围岩压力值又逐渐增大。

3.2围岩压力的空间分布特征

图8～图10为各监测断面压力盒压力值。

通过对图8～图10进行分析可知：

1)同一个监测断面，拱圈不同位置布置的压力盒所测得的围岩压力值可能有很大的不同。绝大部分的压力盒读数为正值，有一些为零，甚至是负值，这与隧道工程中复杂的岩体条件有直接的关系，例如岩体物理力学性质、岩体构造发育状况、地应力、地下水等。 若围岩向洞内挤压变形则会产生正值，反之则会出现零值或者负值。

2)在拱圈的不同位置，围岩压力的分布表现出了极大的不均匀性，即围岩压力的极大值可能出现在拱圈任一位置，但是不难发现，在拱肩位置往往有着相当的围岩压力，因此在施工中加强对拱肩等支护结构受力比较大的部位是极其必要的。

3)在公路隧道中，偏压往往是一种比较普遍的现象。图8～图10均出现了不同程度的偏压，图10中后偏梁隧道的偏压现象尤其明显，监测断面左侧埋深24 m,右侧埋深11 m，埋深较浅，地表坡度较大。因此浅埋且地表起伏较大的地段尤其要注意隧道偏压的问题，从而保证施工质量与施工安全。

4　衬砌结构安全性分析

根据JTG D70—2004公路隧道设计规范[15]计算Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩的设计值，与现场实测值进行对比，见表3。由此可知：Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩的围岩压力实测值均小于设计值，Ⅴ级围岩偏压段实测值甚至只占其设计值的8%,这表明当前支护结构存在一定的优化空间以节省施工成本，减少浪费。但是，值得注意的是，隧道围岩条件复杂多变，围岩压力实测值小并不一定代表围岩就是稳定的、安全的，尤其对于隧道开挖阶段和初期支护阶段，需要进行综合判断和合理优化。

表3　实测值与规范设计值对比

5　结语

1)围岩压力的大小与围岩的级别即围岩的质量有直接关系，围岩级别越高，围岩质量越差，围岩压力越大，一般实测围岩压力很少超过1.6 MPa。

2)隧道开挖以后，拱架上的围岩压力在一个7 d内快速的增长，14 d～21 d后趋于稳定，台阶法由于下导开挖，围岩压力增长过程会有波动。

3)围岩压力沿拱圈不均匀分布，且拱肩部位可能经常出现较大值，偏压在公路隧道中经常出现。

4)与实测围岩压力相比，现行规范提供的围岩压力设计值偏保守，存在优化空间，但鉴于围岩条件的复杂性，要格外注重开挖与初支阶段施工安全。

[1]曲海锋,杨重存,朱合华,等.公路隧道围岩压力研究与发展[J].地下空间与工程学报,2007,3(3):536.

[2]蒋树屏.我国公路隧道工程技术的现状及展望[J].公路交通技术,1999(2)：32-41.

[3]黄伦海,蒋树屏,张军.公路隧道洞口环保型设计施工现状及展望[J].地下空间与工程学报,2005(3)：455-459.

[4]李文江,贾晓云,刘志春.地铁区间大断面隧道施工力学行为研究[J].地下空间与工程学报，2007,31(1):40-43.

[5]钟祖良,刘新荣,刘元雪.浅埋双侧偏压小净距隧道围岩压力计算与监测分析[J].重庆大学学报,2013(2)：63-68.

[6]张俊儒,孙克国,卢锋.不等跨连拱铁路隧道围岩压力分布及受力特征模型试验研究[J].岩土力学,2015(11)：3077-3084，3093.

[7]陈庆,卢珂,韩聪.岩质隧道围岩压力影响因素分析[J].人民黄河,2013(6)：134-137.

[8]陈武奋,蔡周春,刘爱莲.隧道围岩压力监测的非线性回归分析研究[J].光学技术,2014(3)：249-253.

[9]肖涛,李春峰.偏压隧道冒顶现场监控量测研究[J].公路交通科技(应用技术版),2011(6)：195-199.

[10]史宝童,赵佳云,谢祥光.风积沙隧道围岩压力分布特征及衬砌结构强度验算分析[J].公路,2013(6)：270-276.

[11]李鹏飞,赵勇,张顶立.基于现场实测数据统计的隧道围岩压力分布规律研究[J].岩石力学与工程学报,2013(7)：1392-1399.

[12]刘学增,罗仁立.大跨度公路隧道围岩竖向压力分布特征探讨[J].同济大学学报(自然科学版),2010(12)：1741-1745.

[13]雷军,张金柱,林传年.乌鞘岭特长隧道复杂地质条件下断层带应力及变形现场监测分析[J].岩土力学，2008(5)：1367-1371.

[14]赵文忠,侯哲生,王丙兴.基于现场围岩压力监测的黄岩子隧道衬砌结构安全性评价[J].水利与建筑工程学报,2015(2)：24-27.

[15]JTG D70—2004，公路隧道设计规范[S].

On tunnel surrounding rock pressure

distribution law and characteristics on the basis of site monitoring

Ding WenliChen MengJiang Ning

(YantaiUniversity，Yantai264000,China)

Combining with Xing-Fen highway tunnel site monitoring data, the paper explores other domestic tunnel surrounding rock pressure statistics, analyzes integral surrounding rock distribution law and time-space distribution properties of surrounding rock pressure, and finally puts forward some suggestions of optimizing masonry structure.

surrounding rock pressure, distribution law, site monitoring

1009-6825(2016)08-0194-03

2016-01-07

丁文礼(1988- )，男，在读硕士；陈蒙(1987- )，男，在读硕士；姜宁(1989- )，男，在读硕士

U456.3

A