软弱围岩隧道变形监测与分析

赵香玲

摘 要：针对软岩隧道变形监测问题，本研究依托武都西隧道，选取监测断面布置测点，进行拱顶沉降和周边收敛监测。其间利用监测数据绘制拱顶下沉及周边收敛的位移、速率曲线，研究了拱顶沉降和周边收敛的变形规律，并对实测数据进行拟合，获得曲线拟合方程，初步预测变形稳定时的位移值，为类似隧道变形监测及变形规律研究提供借鉴。

关键词：软岩隧道;变形监测;拱顶下沉;周边收敛

中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）06-0119-04

Deformation Monitoring and Analysis of Tunnel

with Weak Surrounding Rock

ZHAO Xiangling

（Shaanxi Railway Institute，Weinan Shaanxi 714099）

Abstract： Aiming at the problem of soft rock tunnel deformation monitoring， this study relied on the Wuduxi Tunnel， selected the monitoring section to arrange the measuring points， and monitored the settlement of the vault and the surrounding convergence. In the meantime， the monitoring data was used to draw the displacement and velocity curves of the dome subsidence and the surrounding convergence， and the deformation laws of the dome subsidence and surrounding convergence were studied， and the measured data were fitted to obtain the curve fitting equation and preliminarily predict the displacement value when the deformation was stable， so as to provide reference for similar tunnel deformation monitoring and deformation law research.

Keywords： soft rock tunnel;deformation monitoring;dome settlement;peripheral convergence

高速鐵路和高速公路的发展使得山岭隧道逐渐增多，而山岭隧道施工过程中，地质环境存在一定的不确定性，软岩隧道施工往往直接决定整个工程能否按时完成。对于软岩隧道变形规律及监测方法，诸多学者做出了诸多研究。

任博等分析了软弱地层中围岩变形产生的原因，通过统计分析研究了围岩与支护结构的协调关系[1];林锦腾等借助数值模型和现场监测的方法，研究了山岭隧道超浅埋段围岩变形规律[2];王伟等依托在建隧道工程，研究了软弱围岩洞口浅埋段围岩变形控制的问题，得出了基于各施工阶段的超前加固措施[3];赵志刚等研究了围岩变形破坏的特征并分析了原因，提出了隧道大变形控制的有效措施[4];段清超等利用三维激光扫描技术，研究了隧道结构变形的时间、空间等问题[5];刘庆丰等利用区间估计方法，研究了公路隧道变形量分布范围及预留变形量的问题[6];侯公羽等采用分布式光纤进行不同预张拉试验，确定了光纤监测隧道变形时需要设定的最佳初始预张拉值[7];王英帆等通过对某高速公路隧道围岩变形、钢拱架应力、围岩压力等现场监测，研究了施工阶段的围岩变形规律和受力特点，并通过数值模拟，分析了不同钢架间距对隧道围岩变形控制效果的影响，提出了经济有效的初期支护参数[8];严锦江等通过现场预埋多点位移计和长期监测，研究了深埋隧道围岩变形特征，得出了围岩变形收敛天数[9];王永刚等通过统计分析隧道施工过程中的大量监测数据，得到了木寨岭隧道最大水平位移、拱顶沉降和挤压变大变形的分布规律，基于此研究了灰质板岩隧道初期支护和二衬施作时的变形控制基准[10];张卓等根据软硬岩围岩变形监测数据，利用统计归纳和比较分析，指出软硬岩塌方前变形曲线加速度呈整体递增趋势[11];成俊等通过对三维点云与若干断面变形监测数据进行对比分析，验证了运用三维激光扫描监测地铁隧道变形的可行性[12];张锦等改进了灰色神经网络，用于预测隧道变形[13]。

综上所述，软岩隧道变形监测、变形控制、监测技术和变形规律等方面已有诸多研究，但是软岩隧道变形监测及变形规律还需要更多研究。

1 工程概况

武都西隧道采用分离式设计，长度为1 892 m。左、右线均采用[R]-2800圆曲线和平面线，设计纵坡坡度为-2.2%。左线隧道ZK85+690至ZK87+573的全长为1 883 m，设计纵坡坡度为-2.27%。隧道所处区域的外露地层构造由上至下分别为：黄褐色土质均匀、中密实新统黄土（[Q23]）;土质不均匀、含有大量卵石、水平层的新统洪积粉质黏土（[Q23]）;下部由泥灰岩变质而成的千枚岩以及呈薄片状、节理发育、极易破碎、岩石强度较低的灰软岩组成。

2 软弱围岩隧道变形监测方案

由于岩土工程的复杂性和特殊性，隧道前期勘察设计和实际开挖后地质构造会有一定偏差，因此隧道施工期间需要加强监控量测的管理。隧道施工过程中所进行的岩石力学试验和地质调查以及岩石力学参数的重新确定为进一步修订隧道开挖方法及支护参数提供了参考依据。武都西隧道采用新奥法施工，隧道采用复合衬砌。隧道开挖期间对拱顶、周边收敛等围岩变形进行监测，这关系到隧道二次衬砌的支护时间及初期支护的安全性。根据武都西隧道的施工方法、隧道所处区域的地质情况及支护形式等工程资料，最终确定隧道开挖过程着重开展拱顶下沉监测、周边收敛监测、洞内观察和支护情况监测等项目。

在隧道施工过程中，人们要监测断面布置间距，主要考虑围岩级别和隧道埋深两个因素。地表沉降监测主要针对浅埋隧道和隧道洞口段。如果隧道处于Ⅳ级围岩区域且埋深小于15 m，那么隧道属于浅埋隧道，这时需要进行地表沉降观测、拱顶沉降监测、周边收敛监测和洞内观测，监测断面沿纵向15～20 m布置。对于Ⅲ级和Ⅱ级围岩，监测断面纵向布置间距分别为20～30 m和30～50 m。如果围岩段落比较零碎，每一段落都小于相关规范要求的监测断面布置距离，那么需要保证每一级围岩段落至少布置一个监测断面。在隧道开挖中，可根据研究需要及研究的深入程度，布置一些选测项目。

武都西隧道埋深较大，而隧道所处的围岩绝大多数为Ⅴ和Ⅳ级围岩。依据《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660—2020），洞室内进行周边收敛、拱顶下沉和洞内观察等必测项目，周边收敛布置2条测线，按照规范要求，监测断面设定为15 m一个，断面具体测线布置如图1所示，围岩等级发生变化的地段可以根据实际情况适当增加监测断面。武都西隧道监控量测所采用的仪器如下：拱顶下沉采用精度为0.1 mm的AT-G2水准仪、铟钢尺;周边收敛采用精度为0.1 mm的周边收敛仪（JSS30A）。其间以《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086—2015）作为围岩稳定评价标准。

3 监测数据分析

3.1 软岩拱顶沉降分析

武都西隧道围岩基本为Ⅴ和Ⅳ级围岩，因此在研究隧道开挖过程中的围岩变形规律时，本文选取了隧道右线YK 86+530处观测断面拱顶下沉和周边收敛数据作为围岩变形的研究对象。拱顶下沉（见图2）主要出现在隧道开挖1～5 d，此过程位移较大，原因是隧道开挖过程中，围岩应力迅速释放，导致围岩变形量较大。另外，此时间段内，初期支护产生支护效果还需要一段时间，并且初期支护属于柔性支护，自身也会发生一定变形，最终导致此段时间内拱顶沉降位移较大。16 d以后，拱顶沉降位移变化不大并趋于稳定。

由图3可以得出，隧道开挖至监测断面YK 86+530后的第一天，拱顶沉降速度较快，而且处于急剧变化状态，这一现象与图2拱顶沉降位移急剧增加的情况一致。当掌子面开挖6 d后，拱顶沉降速率变缓，由于武都西隧道所处围岩较为软弱，施工单位为了控制围岩变形，使其尽早处于稳定状态，在初期支护发挥作用的同时施作了第二道初期支护结构。依据最新围岩稳定性判定标准，16 d以后，拱顶下沉速率保持在0.07～0.15 mm/d，由此判定围岩变形基本稳定。

如图4所示，当开挖掌子通过监测断面10 m以后，拱顶沉降位移逐渐减少，说明隧道开挖对监测断面处的拱顶沉降位移影响减小，开挖至30 m以后基本对其未产生影响，初期支护发挥作用，围岩逐渐趋于稳定。隧道在监测断面30 m以内开挖，对监测断面处的拱顶沉降有一定的影响。本研究对现场拱顶沉降监测数据进行拟合回归分析，得出拟合曲線为[y=69.521lnx+88.459]，其中，[y]为拱顶沉降位移量，[x]为时间，相关系数[R2]=0.962 8，说明拟合函数和实际监测数据相关，即使用拟合函数是可以初步判断拱顶沉降的最终值的，预测其最终净空位移量为323.09 mm，如图5所示。

3.2 软岩周边收敛变形分析

隧道开挖至监测断面后，在1～5 d内，周边收敛位移变化较大，如图6所示。由于隧道开挖工艺的原因，初期支护并未完全闭合而形成支护拱圈，因此初期支护并不能充分发挥其支护作用，导致该时间段内周边收敛位移较大。隧道掌子面开挖5 d后，周边收敛速度再次急剧减小。在到开挖后的第3 d时，周边收敛速度明显有所减缓，如图7所示，这时初期支护已发挥一定支护作用，使得周边收敛速度有所减缓。根据围岩稳定性判定标准，到16 d时，周边收敛速率小于0.6 mm/d，本研究据此判定围岩处于稳定状态。

如图8所示，周边收敛主要发生在距离监测断面25 m以内的区域，25 m以后，隧道开挖对其监测断面的周边收敛位移影响不大，隧道掌子面开挖至40 m以后对周边收敛几乎没有影响。在距离掌子面5 m以内，周边收敛变化最大，其后增加量相对减少，由于隧道为软弱围岩，开挖后围岩自身外部拱圈形成较难，而在施作了超前加固及辅助支护结构后，外部支护拱圈才逐渐形成，发挥其支护作用，承担了一定的围岩应力。基于此，在软岩隧道施工过程中，监测断面25 m以内要提高监控量测频率，同时提高隧道施工的安全意识。通过对该测点周边收敛速度实测数据进行拟合回归，本研究得出拟合曲线方程为[y=100.371lnx+76.537]，其中，[y]为周边收敛位移量，[x]为时间，相关系数[R2]=0.971 8，说明拟合函数和实际监测数据具有相关性。利用拟合曲线预测可得，其最终净空位移量为487.49 mm，如图9所示，随着时间的增加，沉降速度趋于减小，围岩变形收敛，逐渐趋于稳定。

4 结论

通过对武都西隧道YK 86+530断面布设拱顶沉降、周边收敛监测点，本研究对其围岩变形进行监测，然后整理监测数据，绘制拱顶下沉和周边收敛的位移、速率曲线，分析该处围岩变形规律。在掌子面开挖6 d以内，以上两部分位移量较大，而16 d以后位移变化基本趋于稳定。通过对拱顶沉降、周边收敛实测数据进行拟合可得，拱顶沉降拟合曲线为[y=69.521lnx+88.459]，周边收敛位移量的拟合曲线方程为[y=100.371lnx+76.537]。

参考文献：

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[2]林锦腾，邱洪志，王永祯.山岭隧道超浅埋段开挖围岩变形分析[J].科学技术与工程，2020（24）：9982-9987.

[3]王伟，李忠，沈学军，等.软弱围岩隧道洞口浅埋段变形特征及控制措施研究[J].中国安全生产科学技术，2020（9）：103-109.

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