隧道施工监控量测与围岩稳定性判断浅析

王役民 李明

摘要：监控量测是保证隧道施工质量、判断围岩和衬砌是否稳定的重要措施，依据围岩的地质条件准确判断围岩稳定性并提出恰如其分的施工建议，特别是预支护建议，对隧道施工将起到重大作用。

关键词：隧道监控量测 稳定性判断方法

0、 引言

隧道工程属于地下隐蔽工程，施工中可能出现实际的地质条件与设计时所考虑的地质条件不一致等不可预见的因素，这就需要及时根据监控量测的数据修正设计参数和调整施工措施。监控量测的目的是了解围岩稳定性、支护结构承载能力和安全性信息，确定初期支护补强及二次衬砌合理的施做时间，为在施工中调整围岩级别，优化施工方案提供依据，直接为设计和施工管理服务。

1、 隧道的监控量测

隧道是一种特殊的工程结构体系。从岩石力学角度讲，它是处于与围岩相互作用的体系之中的结构物；从地质力学角度讲，它是处于千变万化的地质体中的工程单元体。在这样的岩体和地质体中，隧道一经开挖，其中所包容的原状力学体系即被打破。四周原有的受力状态随即改变。在支护敷设后的一段时间里，虽然受力状态发生改变，但是支护与围岩体之间的力的作用还未达到最终平衡。随着时间的推移，根据监控量测得到的信息对支护再做若干变动，这种受力状态才逐渐趋于平缓，支护与围岩体间力的作用体系逐渐达到平衡。

2、 隧道现场监控量测必测项目方法及频率

序号 量测项目名称 方法及工具 布 置 量测间隔时间

1-15d 16d-1个月 1-3个月 大于3个月

1 地质和支护状况观察 岩性、结构面产状观察描述 开挖后及初支后进行 每次爆破后

2 周边位移 收敛计 每10-50m一个断面，每断面2-3对测点 1-2次/天 1次/2天 1-2次/周 1-3次/月

3 拱顶下沉 水平仪、水准尺和钢尺 每10-50m一个断面 1-2次/天 1次/2天 1-2次/周 1-3次/月

4 锚杆或锚索内力及抗拔力 锚杆测力计 每10m一个断面，每断面至少3根锚杆 —

5 地表下沉 水平仪、水准尺 每5-50m 一个断面，每断面至少7个测点；每隧道至少2个断面；中线每5-20m一个测点 开挖面据两侧断面前后＜2B时，1-2次/天；

开挖面据两侧断面前后＜5B时，1次/2天；

开挖面据两侧断面前后＞5B时，1次/周。

注：B为隧道开挖宽度。

上表中测试项目“地表下沉”实际非必测项目，但笔者根据几处隧道的实际施工情况，应该加强此项的量测，故加到表中。

3、 量测数据的处理与判断

由于量测的偶然误差所造成的离散性，绘制的散点图总是上下波动和不规则的，因此必须进行数字处理才能获得合理的典型曲线，并以相应数字公式进行描述。回归分析是对一系列具有内在规律的测试数据，通过处理和计算得到两个变量之间的函数关系。用这个函数式做出的曲线代表测试数据的散点分布，并推算因变量的极值。

1） 对数函数

u=a+b*ln(t+1) 或 u=a*ln［(b+T)/(b+t0)］

指数函数

u=a*e-b/t或 u=a*(e-bt0-e-bT)

双曲线函数

u=t/(a-b*t)或 u=a*｛［1/(1+b* t0) ］2-［1/(1+b*T) ］2｝

式中： u — 位移值（mm）

a、b — 回归常数

t0 — 测点初读数时开挖的时间（d）

t — 初读数后的时间（d）

T — 量测时距开挖时的时间（d）

2) 绘制曲线

绘制位移与时间曲线，位移与时间的正常曲线和反常曲线见下图例说明，反常曲线是指非工序变化所引起的位移急剧增长现象，此时应加密监测，必要时停止开挖进行处理。

正常曲线

反常曲线

4、 隧道围岩稳定性的判定方法很多，主要有理论分析法、数值计算法、经验类比法等。

1）数值计算法围岩稳定性判断：根据最大位移值判断；根据位移变化速率判断； 根据位移速率变化趋势判断

2）经验类比法围岩稳定性判断：

高初始应力地区围岩在开挖过程中出现的主要现象

应力情况 主要现象 Rc/ómax

极高应力 1. 硬质岩石：开挖过程中有岩爆发生，有岩块被弹出，洞壁岩体发生剥离， 新生裂缝多，成洞性能差；

2. 软质岩石：岩芯常有饼状现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞 ＜4

高应力 1. 硬质岩石：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体发生剥离、石块坠落现象，新生裂缝多，成洞性能差；

2. 软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性能差 4-7

3）隧道各类别围岩自稳能力判断

围岩的自稳能力应根据围岩的变形量测和理论计算数据进行分析评定，也可按下表大致评判：

岩体类别 自稳能力

Ⅰ 跨度20m，可长期稳定，偶有掉块

Ⅱ 跨度10-20m，可基本稳定，局部可发生小掉块或小塌方

跨度10m,可长期稳定，偶有掉块

Ⅲ 跨度10-20m，可稳定数日-1月，可发生小-中塌方

跨度5-10m，可稳定数月，可发生局部块体位移计小-中塌方

跨度5m，可基本稳定

Ⅳ 跨度5m，一般无自稳能力，数日-数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中、大塌方。埋深浅时，以拱部松动为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏

跨度小于5m时，可稳定数日

Ⅴ 无自稳能力，跨度5m或更小时，可稳定数日

Ⅵ 无自稳能力

注：①小塌方：塌方高度＜3m,或塌方体积＜30m3

②中塌方：塌方高度3-6m,或塌方体积30-100m3

③大塌方：塌方高度＞6m,或塌方体积＞100m3

4）围岩稳定性最终评价的其他指标

围岩稳定性最终评价和鉴定围岩级别的其他指标有：地下水、构造应力和毛洞开挖后的围岩稳定状态三种。

① 地下水：地下水在围岩分级中有着至关重要的作用，特别是对软弱岩层、断层破碎带、岩溶陷落柱和其他亲水性岩层（遇水软化）的作用尤其明显。

一般原则是“遇水降级”。

具体原则是：初步鉴定为Ⅰ、Ⅱ级的硬岩，遇任何涌水不降级；

初步鉴定为Ⅲ、Ⅳ级硬岩，遇小股涌水-大股涌水，应对应降为Ⅳ、Ⅴ级围岩；初步鉴定为Ⅱ、Ⅲ级软岩，有小股涌水-大股涌水，应分别降为Ⅲ、Ⅳ级围岩

初步鉴定为Ⅳ级软岩，即使只有一般的渗水、滴水、淋水，也应降为Ⅴ级围岩

②构造应力：在多数情况下，构造应力对围岩稳定性评价和围岩级别鉴定影响较小，但在高地应力地区，特别是轴线垂直于水平最大主压应力轴的隧道隧洞，构造应力这个因素就是特别需要考虑的。

③毛洞开挖后的围岩稳定状态：毛洞包括各类导洞、平导或其他各种断面较小的隧道隧洞，开挖后的围岩稳定状态是检验依据围岩工程地质条件、充分考虑地下水和构造应力因素最终判定的围岩级别是否正确的标志，同时，它也是围岩分级的指标之一。

5、结语

通过以上对围岩监控量测和围岩稳定性判断的简要分析，试验性研究，在现代隧道施工中，通过数据统计与分析，数据量化分析，为现场施工支护提供科学的依据，便于选择合理的支护时机，减少围岩变形对支护体系的作用，保证隧道施工的安全与质量。

参考文献：《公路隧道施工技术规范》JTG F60-2009 人民交通出版社

《隧道隧洞施工地质技术》 刘志刚等编著北京2001年

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。