隧道变形监测方案.doc

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富水土质隧道围岩变形监测及其应用

（中铁建某集团山东）

摘要本文以新松树湾隧道为例，通过内空收敛和围岩内部位移的量测，分析了富水土质隧道的围岩变形规律，对类似工程施工有一定的参考价值。

关键词富水土质隧道围岩变形

5

随着西部大开发的进行，对富水黄土地区的隧道施工参数的测试和研究具有重要的意义。

本文以新松树湾隧道为例进行探讨。

1工程概况

新松树湾隧道为既有松树湾隧道复线的单线铁路隧道，位于甘肃省陇西县境内大营梁，全长1726m，复合衬砌。

大营梁为黄土梁峁区，该隧道范围地层为上更新统风积粘质黄土和下、中更新统冲、洪积杂色砂粘土。

粘质黄土为淡黄色、棕黄色，厚0—20m，土质较匀，具孔隙及虫孔，局部含白色钙丝及钙质斑点，半干硬至硬塑，II级普通土，II类围岩，σ0=150kPa，具II级自重湿陷性。

杂色砂粘土主要表现为强崩解性，一定的膨胀性及含有盐碱成分。

II级普通土，II类围岩，σ0=200--250kPa（局部软塑—流塑状，I类松土，I类围岩，σ0=100--120kPa）。

大营梁地带年平均降水量513.3mm，隧道三面汇水，地下水较发育，系大气降水补给。

地下水主要有上层滞水和裂隙水，前者一般埋深15—30m之间。

多见有泉和渗水出露，水量相对较大，隧道内日渗水量22--18m3/d.地下水对混凝土具弱侵蚀性。

经调查，既有松树湾隧道（1960年建成）各地段有不同程度的渗漏水现象。

隧道渗水主要通过拱顶、边墙接缝、排水沟孔、墙角部位渗出，水对普通硅酸盐水泥有侵蚀性。

因此，新松树湾隧道采用曲墙有仰拱衬砌，除进口端I类围岩模筑衬砌，余均采用复合衬砌。

初期支护为1榀/m钢格栅+钢筋网+钢筋锚杆喷锚。

在施工中采用新奥法分三台阶开挖。

2量测项目

根据现场情况，选取了八个量测断面进行内空收敛的测试；还选取了两个断面进行围岩内部位移测试。

内空收敛在开挖后马上埋设测点，在12小时内测取初始读数，采用煤炭科学研究院生产的JSS30型数显收敛计量测。

观测断面里程分别为1#面——DK1601-8.4，2#面——DK1601+6.4，3#面——DK1601+21.9，4#面——DK1601+36.1，5#面——DK1601+46.5，6#面——DK1601+86.5，7#面——DK1601+122.5，8#面——DK1601+172.7，其中7#、8#面进行围岩内部位移测试（图1），每个断面各有六条内空收敛测线，即1-2、1-3、1-4、1-5、2-3、4-5。

围岩内部位移采用煤炭科学研究院生产的杆式多点位移计进行测量，这种位移计使用膨胀木锚头，具有安装简单，可靠等特点，每个钻孔可分别测量埋深1M，2M，4M处的围岩与洞壁之间的相对位移。

图1内空收敛及围岩内部位移测点布置图

Fig.1Arrangementoftheconvergencesandinternaldisplacementofthewallrock

3内空收敛量测

通过测量结果计算各测线收敛累计值，同时计算出各测线的位移速率。

隧道周边收敛按下式计算：

收敛速率按下式计算：

其中，——初始观测值；

——第i次观测值；

—第i次观测时的收敛速率。

为研究开挖面的影响，用下式计算观测面与掌子面的距离。

L=D-D0

其中，L—观测面与掌子面距离；

D—掌子面里程；

D0—观测面里程。

3.1内空收敛随时间变化趋势

根据现场情况，根据初期支护形式将观测面分为两组：

1#—5#面均为格栅钢架支护，7#、8#面为工字钢型钢钢架支护。

因篇幅所限，在两组观测面中各选取一个观测面作为示例（图2，图3）。

图23#面内空收敛与时间关系曲线

Fig.2Thecurveoftheconvergences-timeof3thcrosssection

根据观测曲线可见，隧道收敛随时间变化而增大，图中收敛量的瞬间突跳，通常由开挖进尺向前延伸引起；测值偶有下降，是围岩组构中局部范围内的节理裂隙，瞬时出现较大变形的伴生现象。

曲线的几何形状可表示为连续的折线。

通过分析，从这些监测数据中可发现富含水土质隧道收敛有如下变形规律：

（1）每个监测断面内各测线收敛值差别较大，水平测线收敛量明显大于其他测线，说明侧墙朝向洞内变形较大，这是由于隧道仰拱施工前，两侧墙墙角受到的约束较小所致。

图37#面内空收敛与时间关系曲线

Fig.3Thecurveoftheconvergences-timeof7thcrosssection

（2）隧道的收敛主要出现在开挖后的短期内。

表1为各测线第一天收敛与最大收敛量比值，可见第一天内收敛量占各测线收敛量很大比重，要求初期支护尽快进行，以约束变形。

隧道开挖后的前两三天之内，隧道变形发展较快，之后收敛仍继续增大，没有稳定的趋势。

说明隧道围岩具有一定的时间依存性，在外荷载不变情况下，围岩变形随时间增加而增大。

另一方面与地下水渗透有关。

隧道开挖后，因地下水重新汇集，使围岩的应力状态和变形随时间而不断变化，结果使隧道周围可能出现一定范围的破坏区（或松动区），破坏区内围岩渗透系数增大，导致围岩变形增大，因此隧道变形趋于稳定需要较长时间。

表1第一天收敛量与最大收敛量比值表

Table1Ratioofthe1stdayoftheconvergences

观测面

测线

1--2

1--3

2—3

1--4

1—5

4--5

1#

0.11

0.397

0.354

2#

0.154

0.323

3#

0.323

0.49

0.678

0.409

0.232

4#

0.051

0.219

0.241

0.294

0.22

0.308

5#

0.366

0.56

0.399

0.403

0.878

0.121

（3）在进行1#—5#面观测后，经过一段时间，发生初期支护向内变形侵线现象，经分析为钢格栅支护变形过大所致，据此变更支护形式，将支护改为工字钢型钢拱架1榀/m支护，以增加支护刚度。

通过现场量测，变更收到了良好的效果。

修改支护参数后，内空收敛的规律相近，只是初期支护采用型钢拱架，收敛值大为减小。

根据变形曲线，各测线收敛并非都是单调增大，主要是开挖顺序影响；因采用左右上下的分步开挖方式，左右土体不是同时开挖，隧道变形也非对称分布。

3.2内空收敛与开挖面距离的关系

为研究内空收敛与开挖面距离的关系，选取典型数据做相关曲线（图4）。

图47#面内空收敛与掌子面距离关系曲线

Fig.4Thecurveoftheconvergences-distanceof7thcrosssection

由曲线可见，观测面与掌子面距离越远，收敛越大，因此时掌子面的约束随离开距离的增大逐渐减小，当掌子面离开一定距离（约30m），收敛变化幅度趋缓而不稳定，围岩仍产生缓慢变形。

根据隧道开挖进尺，大部分时间为3.3m/天，当进尺增大为6.6m/天时，收敛—开挖面距离曲线斜率增大，测线收敛有增大的趋势。

说明开挖进尺对围岩变形有一定影响。

曲线有凸凹状。

根据施工记录分析，曲线呈凹陷部分为掌子面开挖过程，曲线凸出部分为掌子面喷混凝土和打锚杆过程。

掌子面开挖过程中，因未支护部分临空时间短，变形较小；掌子面喷混凝土和打锚杆过程中，开挖后的未支护围岩临空时间较长，变形较大。

从曲线和施工记录还可看出，核心土开挖完成后，1—4、1—5、4—5等位置靠下的测线收敛较大，1—2、1—3、2—3等位于上部的测线收敛较小。

可见，核心土对拱脚等位置的变形影响较大。

掌子面对观测面的影响还体现在测线收敛的不均匀性。

当左马口开挖施工后，1—4测线的变形大于1—5测线的变形，而与1--4测线同侧的1—2测线的变形小于1—3测线变形。

隧道有向马口方向略微倾斜的趋势。

因此，要注意上台阶土开挖完成后的下一步施工程序。

左右边墙马口交错开挖，同侧马口宜跳段开挖，不宜顺开。

先开马口长度不能太长，并及时施做边墙衬砌。

后开马口应待相临边墙墙顶与拱脚混凝土达到一定强度后方可开挖，以防止变形过大。

3.3收敛速度与时间关系

根据观察，隧道开挖初期收敛速度较快，随着时间的增长，收敛速度逐渐变得稳定。

各测线收敛速度逐渐接近，隧道变形均匀，未出现偏心现象。

总体上观测第一天测线的收敛速度最快，在三天左右收敛速度稳定。

部分测线收敛速度曲线出现峰值和波谷，根据施工记录，此现象由开挖部位的不同引起。

如上台阶开挖后，2—3测线达到峰值；而挖核心土后，4—5测线达到峰值。

可见，本工程采用的分步开挖法较为合适，初期支护应紧跟开挖面施做。

3.4本工程现场情况探讨

因收敛测点的埋设在隧道开挖后混凝土初喷时进行，只能在初喷后量测测线。

这样，已经将收敛最大的阶段忽略，故量测结果小于实际的内空收敛值。

因工程情况所限，收敛结果未与拱顶下沉共同分析。

故此量测结果无法反映各测线的绝对变形大小。

4围岩内部位移量测

围岩内部各点的位移是围岩动态表现。

它不仅反映围岩内部的松弛程度，更能反映围岩松弛范围的大小，这是判断围岩稳定性的一个重要参考指标。

现阶段因各种测试手段受实际工程地质条件影响较大，测点固定困难，国内此方面研究进行较少，所得结果大多作为参考。

在本工程中，采用煤炭科学研究院研制的DW-3A型钻孔多点位移计量测。

先向围岩钻孔，将此位移计埋入洞壁内部，在距离洞壁1m,2m,4m处用遇水膨胀软木锚头与周围围岩固定，并与围岩共同变形。

用游标卡尺测量钻孔内（围岩内部）各点相对于孔口（洞壁）一点的相对位移。

4.1围岩内部位移随时间变化趋势

由图5、图6可见，围岩内部变形较小。

比较每个测点在围岩内部4m、2m、1m不同深度的变形大小，大致为同一测点围岩内部4m处的变形值>2m处的变形值>1处的变形值；比较每个观测面上各测点的变形值，发现4#、5#点变形值>2#、3#点变形值>1#点变形值，即墙趾变形>拱脚变形>拱顶变形。

将围岩内部位移与内空收敛观测结果进行比较，可发现同一测线上孔口累计位移和与内空收敛观测结果基本一致，围岩内部位移变形趋势与内空收敛变化趋势也基本一致。

根据每个钻孔的变形曲线，未见滑动面产生，说明隧道围岩是稳定的。

2#、3#，4#、5#点4m处的内部位移之和与收敛值相近，说明围岩松动圈为此范围。

图57#面2#、3#点围岩内部位移与时间关系曲线

Fig.5Thecurveoftheinternaldisplacementofthewallrock-timeof7thcrosssection

5结论

（1）隧道开挖后，围岩土及孔隙裂隙水失去支撑环境，形成新的水力坡度，造成渗流，带走部分土颗粒，使黄土产生崩解破坏作用。

随着水力坡度变小，变形速度减小，即收敛先快后慢。

隧道开挖后，围岩土体失去平衡状态，应力重新调整，改变土体颗粒流动方向，引起开挖面周围一定范围内土体产生移动，即为松动圈。

隧道收敛量测表明，隧道开挖后发生明显变形，且各方向收敛量差别较大，水平测线收敛量明显大于其他测线，说明两个侧墙朝洞内变形较大，这可能与隧道高度大于跨度，仰拱未及时浇筑，形成封闭支护等因素有关。

（2）开挖后一周或更长时间后，隧道收敛仍无稳定趋势，仍缓慢发展。

可能与洞壁面上地下水渗透引起围岩应力变化有关，也可能隧道围岩具有一定的时间依存性，即围岩具有一定的蠕变特性。

对此应采取相应的工程措施。

比如加强喷射混凝土的质量，防止围岩中水的渗透，或加强初期支护刚度，增加系统锚杆等。

另外，开挖后及时施工仰拱，封闭底板围岩，或者在仰拱完成之前，尽可能减少施工用水渗入底板。

图67#面4#、5#点围岩内部位移与时