监控量测在大断面隧道围岩破碎段的应用

赵 飞 (中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

1 工程概况

奉节隧道位于重庆市奉节县朱衣镇境内，正洞全长13.48km，最大埋深656m。隧道设计纵坡为9‰、20‰、-4.6‰的人字坡.因隧道正洞出口不具备作业条件，全隧共设有1个正洞进口工作面和4个斜井工作面。隧道地质条件复杂，进口围岩较差，存在顺层偏压、岩溶弱发育、围岩易变形、自稳性极差，另有部分段落通过须家河组砂岩、巴东组泥岩、珍珠冲组煤系地层，按照低瓦斯隧道管理。

奉节隧道为客运专线双线隧道，采用CRTS-I型双块式无砟轨道，设计时速350km，隧道建筑限界、衬砌内轮廓及基本尺寸执行《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）规定[1]。

奉节隧道进口DK721+990～DK722+036段穿越三叠系中统巴东组二段，地层含石膏，水系发育，地下水SO42对混凝土结构具有侵蚀性，且岩层单斜，岩层产状N70-85。，在横断面上视倾角31。～47。，倾向线路左侧，洞口右侧边坡顺层，洞身右侧顺层偏压。该段为Ⅴ级围岩，以软弱破碎围岩为主，拱部及左侧壁无支护时可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定。施工时采用控制爆破结合机械开挖，减少对围岩的扰动，保证开挖成形质量，改善衬砌工作环境，Ⅴc型复合式衬砌，初期支护及时成环，同时加强洞顶及左侧壁支护措施，严格按照“短开挖、弱爆破，强支护、快封闭、勤量测”的原理进行施工。

2 监控量测方案的实施与结果分析

2.1 监控量测的目的

①掌握隧道围岩破碎段拱顶沉降和周边收敛位移变化情况。

②了解初期支护结构应力变化情况。

③及时将隧道拱顶沉降和周边收敛位移监控量测结果进行反馈，为施工提供有关围岩稳定性、支护结构可靠性、二次衬砌合理施作时间、围岩级别及支护参数调整、施工方法改变的信息和依据，以便及时调整施工方案。

2.2 监控量测项目与布点要求

依据《铁路隧道监控量测技术规程》（Q/CR 9218-2015）[2]和《高速铁路隧道工程施工技术规范》（Q/CR 9604-2015）[3]规定与设计文件要求，结合隧道现场实际情况，合理确定监控量测项目和布置现场监控量测测点以及监测频率，确保监测信息为正确调控施工决策和调整、验证支护设计参数提供科学依据，确保隧道施工中围岩变形的真实性。具体项目详见表1。

为了得到围岩破碎段的围岩变形规律，选择DK722+000断面对其净空位移、拱顶沉降进行量测。量测频率按照表1要求进行。

2.3 数据的回归处理以及分析

现场量测数据具有一定的离散性，其中包含着测量误差。因此，应对所测数据进行一定的数学处理，其目的是将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确定量测数据的可靠性；探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化的规律，判定围岩和初期支护系统稳定状态。在取得监测数据后，及时由专业监测人员整理分析监测数据。结合围岩、支护受力及变形情况，进行分析判断，将实测值与允许值进行比较，及时绘制各种变形或应力～时间关系曲线，预测变形发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况，从而实现动态设计、动态施工。

监控量测项目表 表1

2.4 围岩量测信息化的管理等级及预警机制

围岩量测信息化采用变形总量和变形速率对隧道安全进行等级管理，位移管理等级及采取措施见表2、表3。

对采用上下台阶法开挖的DK722+000断面的拱顶沉降、周边收敛位移监测结果采用图1、图2、图3描述，然后分别对其所示曲线进行求导即为拱顶沉降、周边收敛位移、收敛速率，虽然相对应速率小于预警值，但最后累计值超过了预警值，见图1、图2、图3。

位移管理等级 表2

措施对应表 表3

图1 断面拱顶累计沉降

图2 断面上台阶累计收敛位移

图3 断面下台阶累计收敛位移

经过对 DK721+990～DK722+000段监测成果分析，结合对现场初期支护结构的勘查，拱顶初支混凝土表面已出现不同程度的开裂、掉块，且局部已侵蚀。为了确保施工安全，施工单位及时对掌子面进行了封闭处理，并对初支变形侵蚀段采取临时护拱加固措施，待沉降稳定后进行换拱处理。

3 开挖方案调整

根据监控量测数据对开挖方案进行优化，施工单位提出应将原开挖方案调整为“短三台阶法加临时仰拱开挖法”，经过专家论证审核后，按此方案调整施工。

4 处治效果

采用“短三台阶+临时仰拱”开挖方法组织施工，有效地降低了初支沉降变形量，为了验证该法是否能确保围岩变形不超过预警值，选取DK722+024断面的拱顶沉降以及上、下台阶周边收敛位移进行监测，监测频率为每天一次。当围岩速率＞5mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应及时采取加强初期支护；速率变化在0.2～5.0mm/d时，应加强观测，做好加固的准备；速率＜0.2mm/d时，围岩达到基本稳定。

现场监控所得的数据具有一定的离散性，且现场的诸多因素导致原始数据不可避免地存在一些误差，因此对现场所测得的数据进行回归分析，将所得曲线与原始数据所得曲线进行对比，以探求初支随时间的变化规律。采用式（1）进行回归分析：

式（1）中：U- 形变量，mm；T- 形变时间，d；A、B- 回归系数。

经计算得出，DK722+024断面拱顶累计沉降量为66.7mm，DK722+024断面上台阶累计收敛位移为53.4mm，DK722+024断面下台阶累计收敛位移为71.5mm。

由此可见，随着时间的推移，曲线斜率在逐渐减小，即收敛的累计值虽然仍在增加，但是拱顶下沉速率、周边收敛速率在逐渐减小。在观测时间内，收敛值在逐渐增加，最后逐渐趋于稳定值，围岩与支护结构之间达到稳定状态，此时是施作二衬的最佳时机。通过对奉节隧道进口软弱围岩段的监控量测及数据处理分析，为预报险情、指导开挖与支护参数及时提供信息依据，以便及时采取应对措施，降低安全风险及经济损失。

5 结语

高速铁路隧道断面大、穿越地层复杂、围岩变形大且不稳定，变形速率、时间与位移等因素与隧道围岩变形特性有着非常紧密的联系，而且不同阶段的围岩变形具有不同特性。因此，为确保施工过程的安全可靠，施工期间应根据现场实际情况制定相应的监控量测方案，加强对隧道围岩尤其是对软弱破碎围岩段的监控量测，及时分析拱顶沉降、周边收敛位移的变化情况。在了解隧道洞内实际情况的基础上掌握围岩变形特性，进而为探究解决措施提供有力依据，保证隧道安全施工。