近水平岩层隧道围岩变形监测及其稳定性分析_关惠平.pdf

2008 年 10 月 October 2008 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 27，No． 5 357 ～362 收稿日期 2008- 02- 26; 修订日期 2008- 04- 23 作者简介 关惠平 1962 ， 男， 辽宁丹东人， 副教授， 主要从事岩土工程、 工程地质等领域的研究工作。 E- mail huiping－guan163． com。 文章编号 02545357 2008 05035706 近水平岩层隧道围岩变形监测及其稳定性分析 关惠平1，熊俊楠1，陶双江2，吉随旺2 1． 西南石油大学建筑工程学院，四川 成都610500; 2． 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都611130 摘要 介绍了广巴高速公路某近水平岩层隧道新奥法施工过程中现场监测的项目、 手段及 方法， 基于监测结果， 分析了近水平岩层隧道围岩变形特点、 变形原因， 划分了围岩变形阶段。以 隧道左线进口段某断面为例进行回归分析， 利用位移加速度正负的判据分析评价围岩稳定性。 相关监测及分析结果为采取整治措施和后续施工提供科学依据， 也为日后分析研究提供参考。 关键词 隧道工程; 新奥法; 围岩变形监测; 稳定性分析 中图分类号 TU457文献标识码 A Deation Monitoring of Surrounding Rocks and Stability Analysis of Approximate Horizontal Rock Tunnel GUAN Hui- ping1，XIONG Jun- nan1，TAO Shuang- jiang2，JI Sui- wang2 1． College of Architecture Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China 2． Highway Planning and Reconnaissance Design Research Institute of Sichuan Communication Office，Chengdu611130，China Abstract The techniques and s used in in- situ monitoring of surrounding rock deation of approximate horizontal rock tunnel construction in G- B high- way project are presented． Based on the measured data，the deation properties and deation causes of surrounding rocks were analyzed and the classification of the deation stages was discussed． The regression analysis for surrounding rock deation was implemented on certain section of the tunnel． And the stability of surrounding rocks was also uated using displacement acceleration analysis． The monitoring and analysis results provide the scientific basis for high- way tunnel construction． Key words tunneling engineering; new Austrian tunnelling ; deation monitoring; stability analysis 目前， 在国内外公路隧道的施工中， 建立在岩 石的刚性压缩特性、 三向压缩应力应变特性和莫尔 学说基础上的新奥法 New Austrian Tunnelling ， NATM 已获得广泛应用。该方法将围岩 看作黏弹塑性连续介质， 根据围岩变位的稳定性来 设计隧道的支护结构， 通过现场量测来监视围岩动 态 ［1 ］。因而只有在施工过程中对围岩进行监控量 测， 对监测数据进行分析和综合判断， 进一步指导 施工、 完善设计 ［2 ］， 才能保证施工的安全和顺利。 四川盆地近水平岩层多为砂泥岩互层， 岩层倾 角较缓 5 ～ 12 ， 具有软硬相间、 软硬层性质差 异大、 层间结合差，陡倾节理发育， 泥岩强度低且 遇水后易软化， 易于风化剥落等特点 ［3 ］， 隧道开挖 后易引起硬岩岩爆、 软岩的大变形等隧道地质灾 753 ChaoXing 害。研究近水平岩层隧道围岩变形特点、 分布规律 及其稳定性， 对隧道开挖及支护具有重要意义。 本文通过对广元至巴中高速公路某近水平岩层 隧道现场监测， 介绍监测项目及方法， 基于监测结果， 对近水平岩层隧道施工过程中围岩变形的特点及其 稳定性进行了分析， 为支护体系的优化提供依据， 并 进一步指导施工。所得数据和结论可望为日后类似 工程的设计、 施工和研究提供有益的借鉴和参考。 1工程背景 某近水平岩层隧道位于巴中市东兴乡广元至 巴中高速公路 19 合同段， 为双线越岭隧道。左线 里程桩号为 K141 035 ～ K141 785， 长 750 m， 右 线里程桩号为 K141 030 ～ K141 810， 长 780 m， 左右洞中线间距 38 ～ 65 m， 设计内空断面净宽 10． 90 m、 拱高 6． 95 m， 含仰拱总高度 8． 55 m。 隧道路段属中山斜坡地貌， 进出口段地形较 陡， 局部陡坎处坡角为 70 ～80， 陡坎前缘地势相 对宽缓， 地面坡角多在 5 ～ 20， 洞身段最大埋深 136． 5 m， 洞口浅埋段埋深 2 ～8 m。 隧址区地层由第四系全新统填筑土、 块石夹 土、 低液限黏土和中生界白垩系下统剑门关组 K1j 砂岩和泥岩互层组成。进洞口 小桩号 、 出 洞口 大桩号 从外到内为Ⅴ、 Ⅳ级围岩， 洞身均为 Ⅳ级围岩， 主要穿越泥岩， 岩体处于弱风化状态， 产 状平缓， 倾角近于水平， 岩质较软， 层间结合差， 发 育陡倾节理， 切割块体开挖后拱部易产生块体失 稳。岩体力学参数如表 1 所示， 表中 E 表示弹性 模量， C 表示抗剪强度， γ 为块体密度， RC表示单轴 饱和抗压强度， KV表示岩体完整性指数。 表 1围岩力学参数 Table 1Mechanical parameters of surrounding rock 围岩级别E/MPaC/MPaγ/ g/cm3 RC/MPaKV Ⅳ级1．7 1040．0419．55．70． 76 Ⅴ级3．8 1040．0318．65．70． 63 隧道建筑限界及衬砌内轮廓设计如图 1 所示， 要求施工遵循“短进尺、 弱爆破、 快封闭、 勤量测” 的指导原则， Ⅴ、 Ⅳ级围岩段均采用上下台阶法施 工， 开挖前采用超前注浆小导管或超前锚杆预加 固， 结构设计为复合衬砌， 初期支护以锚杆湿喷混 凝土、 钢筋网、 I16 工字钢或格栅钢架等施作 ［4 ］。 图 1隧道建筑限界及衬砌内轮廓图 Fig． 1The building limit boundary and lining build inner skeleton map 2监测概况 根据公路隧道施工规范的要求， 针对近水平岩 层隧道的结构特点、 施工方法及地质情况， 结合设 计单位的隧道监测建议， 监测项目主要包括周边收 敛、 拱顶下沉、 地表下沉、 围岩内部位移监测等。典 型断面测点埋设与测线布置如图 2 所示， 监测项目 沿隧道轴线的平面分布大致位置如图 3 所示， 各监 测项目所采用仪器、 元件、 测点数量如表 2 所示。图 2测点埋设与测线布置图 Fig． 2Measuring points and line arrangement on section 1 ～5 表示布设的测点， A、 B、 C、 D、 E、 F 表示测线。 853 第 5 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2008 年 ChaoXing 图 3监测项目布置图 Fig． 3Arrangement of monitoring items 表 2隧道现场监控量测项目及量测方法 Table 2Measurement items and s 序号项目名称仪器布设断面测点数 1 地质及支护 状态 地质罗盘 开挖后、 初期 支护后 2周边收敛 SWJ4 型隧道 收敛计 全站仪 间隔10 ～50 m， 洞口段加密 每个断面3 个 或5 个点 3拱顶下沉 SWJ4 型隧道 收敛计 水准仪 间隔10 ～50 m， 洞口加密 每个断面3 个 或5 个点 4地表下沉水准仪、 铟钢尺 进、 出洞口附近 每个断面7 个点 5围岩内部位移 SDW 多点 位移计 如图布置两个孔每孔4 个点 3围岩变形监测结果与分析 3． 1周边收敛 净空收敛位移是隧道围岩应力状态变化的最直 观反映。周边收敛量测是在掌子面掘进 2 m 左右时 布线， 上导坑开挖后首先布设1、 2、 3 号测点， 形成 A、 B、 C 三条测线 见图3 ， 原则上保证三点位于同一平 面， 下断面开挖到相应断面时， 布设4、 5 号测点， 对下 部 D、 E、 F 测线进行监测， 每个断面至少保证 3 条测 线。将监测资料整理分析后， 左洞、 右洞周边收敛纵 向分布曲线如图4 所示， 周边收敛时程曲线如图5 所 示， 图中正值表示周边收敛， 负值表示周边扩张。 从左、 右洞收敛变形纵向分布曲线 见图 4 来 看， 隧道进口浅埋段 小桩号段 岩性较差， 且施工 图 4水平线收敛变形纵向分布曲线 Fig． 4Vertical distribution curve of horizon convergence deation Ⅳ、 Ⅴ表示围岩级别。 开挖复杂、 扰动大， 收敛变形相对较大， 左洞量测的 最大水平测线收敛变形为 115． 5 mm， 相对收敛为 0． 95， 洞身段收敛变形平均为 15 mm; 右洞量测 的最大水平测线收敛变形为 47 mm， 相对收敛 0． 3， 洞身段收敛变形平均为10 mm。出口段 大 桩号段 岩性相对较好， 左、 右线量测的最大水平 收敛变形均为 11 mm。变形较大段在现场地质状 态观察时发现， 其岩体较破碎， 节理较发育， 并有小 塌方发生。 953 第 5 期关惠平等 近水平岩层隧道围岩变形监测及其稳定性分析第 27 卷 ChaoXing 通过对周边收敛时程曲线分析， 可将周边收敛 变形归纳为“快速变化缓慢变化急剧变化 缓慢趋稳” 四个阶段， 对应图 5 中 A、 B、 C、 D 四段。 在上断面开挖， 初期支护施设后， 有着较快的变形， 变化趋势如 A 段所示; 经过约 15 d 时间后变化趋 于缓慢， 其变化如 B 段; 7 月下旬下断面开挖、 仰拱 开挖， 同时连续大量降雨， 产生了较急剧的变化， 如 图 5 中 C 段， 在变形较大的同时， 拱腰和拱顶初期 支护混凝土开始出现开裂及剥落， 钢拱架、 钢筋网、 连接筋外露， 并有不同程度的弯曲、 扭曲变形， 变形 段纵向长度达 90 m， 通过将监测数据的及时反馈 及预测， 设计、 施工等相关单位针对该段采取了相 应的加固措施; 8 月中旬后开始缓慢变化并趋于稳 定， 监测数据如图 5 中 D 段。 图 5周边收敛时程曲线 Fig． 5Time- dependent curves of horizontal convergence deations A、 B、 C、 D 表示 4 个阶段。 从稳定时间分析， 洞身段收敛稳定时间较快， Ⅴ级围岩稳定时间大约为40 d， Ⅳ级围岩稳定时间 大约为 30 d。按照围岩分级对水平收敛量和稳定 时间进行统计， 如表 3 所示。 表 3按围岩分级的水平收敛量统计 Table 3Statistic data of horizontal convergence deations based on surrounding rock classification 围岩级别洞位 t稳定/d 收敛量/mm 最大值平均值 Ⅴ左洞40115．544 Ⅴ右洞404822 Ⅳ左洞305115 Ⅳ右洞303210 一般围岩变形与测点到开挖面的距离 L 和 隧道直径 D 密切相关。理论上， 收敛位移与 L/D 呈指数关系， 一般在 L/D 达到 2 ～ 3 后基本稳定， 以后就迅速减小直至稳定 ［5 －7 ］。 3． 2拱顶下沉 拱顶下沉与周边收敛点布置在同一断面， 左、 右线拱顶下沉纵向分布曲线如图 6 所示。部分监 测断面的拱顶下沉时程曲线如图 7 所示。图中负 值表示拱顶下沉， 正值表示拱顶上升。 图 6拱顶下沉纵向分布曲线 Fig． 6Longitudinal distribution curves of crown settlements Ⅳ、 Ⅴ表示围岩级别。 从左、 右线拱顶下沉纵向分布曲线比较可以看 出， 左洞平均拱顶下沉值明显大于右洞， 洞口段下 沉值大于洞身段， 左洞平均拱顶下沉值为 72 mm， 右洞平均下沉值为 26 mm， 从监测数据中表明， 后 掘进的右洞施工对先掘进的左洞有一定的影响。 从拱顶下沉时程曲线 见图 7 分析， 对于Ⅴ级 围岩， 上导坑开挖并施设初期支护后， 拱顶下沉速率 较大， 锚喷支护约20 d 后下沉速率减小， 变化趋缓; 随之下导坑及仰拱开挖， 近水平泥砂岩受雨水等因 素的影响， 拱顶下沉速率逐渐变大， 部分位置拱顶初 期支护混凝土开始脱落掉块， 钢筋弯曲及扭曲变形， 在采用工字钢加固后， 其下沉速率逐渐减小， 变形缓 慢增长， 大约70 d 后基本达到稳定; 对于Ⅳ级围岩， 初期支护施设约 25 d 左右， 下沉速率减缓， 大约 40 d 后基本达到稳定。从拱顶下沉时程曲线图分析， 拱顶下沉变化过程可分为“快速变化 A 缓慢变 化 B 急剧变化 C 缓慢趋稳 D ” 四个阶段。 063 第 5 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2008 年 ChaoXing 图 7拱顶下沉时程曲线 Fig． 7Time- dependent curves of crown settlements A、 B、 C、 D 表示 4 个阶段。 对拱顶下沉值按围岩分级统计如表 4， 从按围 岩级别进行拱顶下沉值的统计可以看出， Ⅴ级围岩 段平均拱顶下沉量明显大于Ⅳ级围岩段， 趋于稳定 时间长于Ⅳ级围岩段。 表 4按围岩分级的拱顶下沉统计 Table 4Statistic data of crown settlements based on surrounding rock classification 围岩级别洞位 t稳定/d 下沉量/mm 最大值平均值 Ⅴ左洞70226．592 Ⅴ右洞655931 Ⅳ左洞458952 Ⅳ右洞453621 3． 3围岩内部位移 通过在洞内对开挖过程中洞顶围岩的位移进 行监测， 以 K141 110 断面围岩内部位移监测为 例， 该段属于Ⅴ级围岩， 位移时程曲线如图 8 所示， 负值表示围岩向洞内移动。 图 8围岩内部位移时程曲线 Fig． 8Displacement- time curves of surrounding rocks A、 B、 C、 D 表示 4 个阶段。 从图 8 可以看出， 上断面开挖并施设锚喷支护 初期， 围岩内部位移量约 10 mm， 下坑道开挖、 仰拱 开挖后， 测点位移均达到最大位移量的 80 ～ 90， 并随着时间的推移逐渐趋稳 ［8 －9 ］。 3． 4监测结果讨论 从隧道周边收敛变形与拱顶下沉值比较来看， 各 监测断面拱顶下沉变形量大于水平收敛变形量， 可认 为围岩的变形主要由隧道顶部、 拱部围岩作用所致。 隧道上下坑道开挖过程中， 各项监测结果表明 左、 右线隧道洞身深埋段， 右线进、 出口Ⅴ级围岩段由 于开挖扰动等导致的变位均未超过设计预估值; 左线 进、 出口段变形均远超过预估值， 其中进口段 K141 090 ～K141 180 段初期支护混凝土均有不同程度破 坏， 通过分析， 其变形原因与下导坑开挖、 仰拱跟进不 及时、 连续降雨导致泥岩遇水软化等因素有关。 从以上监测数据及分析来看， Ⅴ级围岩变形量 大于、 稳定时间长于Ⅳ级围岩， 说明围岩变形及稳 定时间与地质情况有较大的关系， 地质条件越差， 变形越大， 稳定时间也越长。 4稳定性分析 由于围岩变形较大， 因此进行围岩稳定性分析 对于施作二次衬砌、 安全施工等有重要意义。一般 当位移加速度小于零时， 表明围岩变形速度减小， 围岩趋于稳定; 当位移加速度等于零时， 表明围岩 变形速度为恒定值， 围岩变形稳定发展; 当位移加 速度大于零时， 表明围岩变形速度逐渐增大， 围岩 变形加剧， 趋于破坏。 函数模型 U A Bln t 和 U A B/t， 其位 移加速度分别为 － B/t2和 2B/t3。在进行回归分 析时， 对数函数模型中常数 B 为正数， 而导数函数 模型中常数 B 为负数， 从而容易得出 d2U/dt2 － B/t2＜0 1 d2U/dt22B/t3＜0 2 对于指数函数模型 U e A Bt， 式中， U 表示变 形量， t 为时间， A、 B 为常数， 对函数表达式求二阶 导数即得位移加速度为 d2U/dt2 B2/t42B/t3 eA Bt 3 分三种情况来讨论公式 3 中位移加速度的正 负情况 ① 当 t ＜ －B/2 时， d2U/dt2＞0， 位移速率增 加， 围岩不稳定; ② 当 t － B/2 时， d2U/dt2 0， 位移速率达到最大值; ③ 当 t ＞ － B/2 时， d2U/dt2 ＜0， 位移速率减小， 围岩逐渐稳定。由此可见， 对于 指数函数， 围岩变形自支护后 t － B/2 指数函数 中 B 为负数 时间后， 围岩逐渐趋于稳定 ［ 9 ］。 隧道采用上下台阶法施工， 稳定性判断标准以仰 163 第 5 期关惠平等 近水平岩层隧道围岩变形监测及其稳定性分析第 27 卷 ChaoXing 拱开挖后函数模型为准。对监测数据用统计分析软 件进行拟合计算， 得到每一模型下的二变量的相关系 数， 选相关系数最大且接近1 者为该断面的最终分析 模型 ［ 5 －6 ］。以左线 K141 140 断面为例， 下导坑开挖 后其水平收敛函数模型为 S e3．6714 －20．2671/t， 拱顶下沉 函数模型为 S e4．4782 －25．3691/t， 根据回归分析结果， 判 定该断面当t 70 d 后即初期支护施设约70 d 后趋于 稳定。经过对该断面长达4 个月的监测， 其稳定时间 与模型判断的稳定时间相符。 5结语 通过对该近水平岩层隧道的监测及分析， 得到 如下结论 1从左、 右两线的监测成果来看， 右线围岩变 形小于左线， 后开挖的右线对先开挖的左线有一定影 响; 监测成果及时反馈、 预报为左线变形段加固处置 及决策提供了重要依据， 为右线施工提供有益参考。 2近水平岩层隧道围岩变形与地质情况、 施工工序、 连续降雨有着较密切联系， 各监测断面 拱顶下沉值大于水平收敛位移， 说明该近水平岩层 隧道围岩变形主要由顶部、 拱部围岩压力所致。 3对于下导坑开挖前后围岩初期变形与时间 多呈指数函数关系变化， 具有较好的规律性， 围岩位 移加速度为负或者在短期之后为负值， 表明围岩初期 变形呈收敛模型， 围岩趋于稳定， 可施作二次衬砌。 6参考文献 ［ 1］王建秀， 朱合华， 唐益群． 高速公路隧道跟踪监测及承 载状况诊断［ J］ ． 土木工程学报， 2005， 38 2 110 －114． ［ 2］夏才初， 龚建伍， 唐颖， 朱合华． 大断面小净距公路隧 道现场监测分析研究［J］ ． 岩石力学与工程学报， 2007， 26 1 44 －50． ［ 3］周应华， 邵江， 罗阳明． 近水平红层边坡变形破坏的 力学机制分析［ J］ ． 路基工程， 2006 1 6 －7． ［ 4］四川省交通厅公路规划勘察设计研究院． 广元至巴中 高速公路19 合同段两阶段施工图设计［ R］ ． 成都 四川 省交通厅公路规划勘察设计研究院， 2006． ［ 5］王军， 夏才初， 朱合华， 李永盛， 林志良， 陈晓钜． 不对 称连拱隧道现场监测与分析研究［J］ ． 岩石力学与 工程学报， 2004， 23 2 267 －271． ［ 6］雷启云， 谌文武， 张景科， 杜鹏． 乌鞘岭隧道 7 号斜井 围岩变形及稳定性分析［ J］ ． 地下空间与工程学报， 2006， 2 5 873 －876． ［ 7］夏才初， 李水盛． 地下工程测试理论与监测技术 ［ M］ ． 上海 同济大学出版社， 1999 206 －209． ［ 8］张顶立， 黄俊． 地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测 ［ J］ ． 岩石力学与工程学报， 2005， 24 10 1703 －1707． ［ 9］刘招伟， 何满潮， 肖红渠． 浅埋大跨连拱隧道施工中 变形的监测与控制措施［J］ ． 岩土工程学报， 2003， 25 3  339 －342． 欢迎订阅欢迎投稿 质谱学报 国内刊号 CN 11 －2979/TH国际标准刊号 ISSN 1004 －2997 邮发代号 82 －349 国外发行代号 Q 1717 质谱学报 双月刊 ， 是经国家科委批准， 由北京中科科仪技术发展有限责任公司和中国物理学会质谱分会共同主 办， 中国原子能科学研究院承办的学术期刊， 中国科学院 核心期刊 之一。 本刊的宗旨是刊登物理、 化学、 生物化学、 材料化学、 核科学、 地球科学、 生命科学等基础学科中质谱法的新理论、 新方 法、 新技术及其在各领域的应用研究成果; 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