山区破碎围岩隧道支护结构变形监测与分析

刘涛

（河北高速公路集团有限公司张涿分公司，河北 张家口 075600）

一、工程概况

河北张涿公路隧道为分离式、双向四车道设计，设计行车时速为100km，洞内路面设计荷载为公路一级。隧道长度约2800m，隧道净宽14.25m，净高5.0m，隧道周身岩体以IV、V级围岩为主，岩体较破碎。根据地质勘察报告可知地震动峰值加速度值为0.20g，设计区抗震设防烈度为8度，按9度设防，未发现不良地质条件，适合修建隧道。

IV、Ⅴ级围岩隧道的初期支护采用锚喷支护，即由喷射混凝土（C25混凝土，厚度为28cm）、锚杆（Φ25中空注浆锚杆，长度4.0m，环纵向间距100mm×100mm）、钢筋网（Φ8双层，环纵向间距20mm×20mm）及钢拱架（I20b的工字钢，纵向间距为60cm，每榀钢架之间采用HRB400 钢筋连接）共同组成的复合式衬砌初期支护整体结构，并与围岩密贴形成承载体系。二次衬砌采用模筑钢筋混凝土或素混凝土结构，衬砌断面等厚。

二、监测项目与方案

该项目主要是通过监测隧道开挖过程中拱顶的下沉值、隧道周身的收敛值及其变化速率，并对比设计值，判断围岩结构的稳定性，从而及时调整支护结构的参数，判断标准如表1、表2所示。

表1 位移判断标准表

表2 位移速率判断标准表

在每个监测断面处设置3个拱顶下沉值监测点和4个周身收敛值监测点，其中拱顶沉降值监测点分别布置在拱顶和距离隧道轴线水平距离3m处的左C和右D，在起拱线1.5m处分别设置周身收敛值监测点A、A1、E、E1，如图1所示。

图1 拱顶下沉、周身收敛位移测点布置图

三、监测结果与分析

（一）拱顶沉降值监测分析

zk109+675、k109+840断面的拱顶沉降监测值及拱顶沉降速率如图2、图3所示（位移向下为正，向上为负）。

图2 zk109+675、k109+840断面拱顶沉降值

图3 zk109+675、k109+840断面拱顶沉降速率

由图2可知，隧道开挖0～20天时间范围内，隧道拱顶下沉值几乎呈线性增加，其中zk109+675断面的拱顶沉降值为40.5mm，k109+840断面的拱顶沉降值为34.8mm，均大于沉降值的70%，这是因为zk109+675断面处的围岩条件较k109+840断面差，拱顶受力大，导致围岩变形值更大。隧道开挖20天～50天时间范围内，隧道拱顶下沉值明显下降，50天之后，拱顶沉降值几乎不变，zk109+675断面最终的拱顶沉降值为56.4mm，k109+840断面最终的拱顶沉降值为47.5mm，均小于1/3设计极限位移值，说明支护结构合理，隧道变形在合理范围内，可正常施工。

由图3可知，隧道在开挖的初期，拱顶下沉值的速率变化幅度较大，zk109+675断面为3mm/d左右，k109+840断面为2mm/d左右，沉降速率均大于1mm/d，围岩处于剧烈变形的阶段，应尽快完成初期支护，并增加监测频率。隧道开挖20天以后，拱顶沉降值的变化速率开始趋于稳定，zk109+675断面为0.3mm/d左右，k109+840断面为0.1mm/d左右，说明支护结构能很好地满足施工条件，符合设计要求。

（二）周身收敛值监测分析

zk109+675、k109+840断面的周身收敛监测值及周身收敛速率如图4、图5所示（位移向内为正，向外为负）。

图4 zk109+675、k109+815断面周身收敛值

图5 zk109+675、k109+815断面周身收敛速率

由图4可知，隧道开挖过程中，支护结构周身收敛值的变化情况和拱顶沉降值类似，均表现出先快速增大，然后趋于稳定，周身收敛变形主要发生在隧道开挖的前期。从监测开始到第20天内，k109+840和zk109+675断面隧道周身收敛值分别快速增加到13.11mm和15.37mm，然后开始缓慢增加，最终分别稳定在20.24mm和23.11mm，并保持不变，周身收敛稳定值均小于1/3设计极限位移值，满足规范要求。

由图5可知，zk109+675和k109+840断面的周身收敛速率值在开挖初期均出现较大的波动，zk109+675断面比k109+840断面周身收敛速率值的波动更大，这是因为支护结构还没能封闭成环，隧道周身的变形主要依靠围岩自身抵抗变形的能力，围岩等级越高，岩体抵抗变形的能力越差，变形更为复杂，波动也就更为明显。在周身收敛监测的第20天，zk109+675和k109+840断面的周身收敛值均开始稳定，k109+840断面周身收敛速率约为0.15mm/d，zk109+675断面约为0.2mm/d。k109+840 断面的周身收敛速率较zk109+675断面更加稳定，说明初期支撑结构能保证隧道稳定及施工安全。

四、结语

本文通过拱顶下沉及周身收敛的实时监测，分析了隧道支护结构的变形情况，结果表明，隧道开挖过程中，支护结构的拱顶下沉值与周身收敛值均表现出先增大后稳定的趋势，zk109+675、k109+840断面的周身收敛速率与拱顶下沉速率，在开挖初期均出现较大的波动，且zk109+675断面的波动更明显。