公路隧道拱顶下沉监测点埋设深度研究

2020-08-26袁岽洋

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年3期

彭飞，袁岽洋

(浙江省交通运输科学研究院，浙江杭州 311305)

监控量测作为“新奥法”施工的关键技术之一，对监测隧道施工安全、控制指导动态施工具有重要的作用[1]。隧道洞内位移是监控量测中最重要、最具代表性的监测参数之一[2]，实际监测时需准确的采集隧道的位移数据。监测数据采集的准确性依赖于监测点埋设的牢固性及合理性，现行规范[3]中关于测点的埋设规定应牢固、可靠、易于识别，应能真实地反应围岩、支护的动态变化信息。洞内必测项目各测点宜埋入围岩中，深度不应小于0.2m，不应焊接在钢支撑上，外露部分应有保护装置。规范中虽对监测点埋设深度有大致要求，但对于不同围岩等级情况下监测点埋深的选取并未做出明确限定，0.2m埋深监测点埋设深度是否适用于所有地质状况未知。针对现存问题，首先进行不同等级围岩开挖模拟计算，分析隧道围岩位移变化情况。然后开展基于监测点不同埋设深度的公路隧道围岩变形监测试验。最后对采集的数据进行拟合分析，对比围岩变形监测数据变化趋势，获取监测点的最佳埋深，实现对隧道围岩变形监测点埋设深度的优化。

1 依托工程概况

杭绍台高速公路全长约162.3km，设计速度100km/h，沿线多为山区，隧道所占比例较高。本次现场试验共选取了平水隧道、车头隧道、玄风岭隧道、高湖头隧道、陈家山隧道、镜岭隧道，隧道设计为分离式双向四车道，断面开挖最大跨度为11.6m，最大高度7.3m，开挖面积约89.9m2。

2 隧道拱顶下沉数值模拟分析

采用数值模拟的方法，分析隧道开挖时拱部不同深度的围岩位移值，了解围岩位移规律。采用Midas GTS/NX岩土有限元数值模拟分析软件，进行计算分析。

2.1 支护结构力学参数

隧道采用复合式衬砌支护方式，各类围岩条件下支护参数如表1所示。

支护结构力学参数的选取按照刚度等效原则，将喷砼、钢架、钢筋网统一折算称为喷混。在刚开始施工时喷混刚度较小，但是施工后期随着材料的硬化，喷混的刚度会逐渐的增大。为了模拟这一过程，在计算时将喷混分为软喷和硬喷，支护结构力学参数如表2所示。

2.2 围岩力学参数

此次现场实验围岩分类标准采用的是《公路隧道设计规范》中的BQ分类法，该分类标准综合考虑了地下水、主要软弱结构面、初始地应力等的综合影响，是一个综合性的评价标准。试验区段内隧道围岩等级有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三种，结合勘察试验情况，各类围岩力学参数如表3所示。

表3 围岩力学参数表

2.3 模拟结果分析

模拟得到不同围岩等级条件下，隧道垂直方向位移云图1～图3。

图1 Ⅲ级围岩竖直方向位移云图

图2 Ⅳ级围岩竖直方向位移云图

图3 Ⅴ级围岩竖直方向位移云图

由模拟位移云图可知，在垂直方向上，不同埋深处的围岩位移量明显的不同，表现出一定的分层现象，表明岩体位移具有一定的空间效应；随着隧道围岩等级的变化，在隧道拱顶位置，分层位移区域范围不断的变化。模拟计算表明，隧道拱顶围岩位移值与所研究处的围岩等级、研究点位置埋深有一定的关系。因此，为了更加真实、准确的监测岩体的位移情况，需要针对不同的围岩等级选择不同的测点埋设深度。

3 隧道拱顶下沉现场监测

结合数值模拟分析结果，进行隧道拱顶下沉现场监测试验。选取地质情况较复杂的隧道作为本次试验对象。其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩各9个监测断面。监测点现场埋设一共分为以下三步：

1)选定测点埋设位置。同一监测断面共计4处监测点，以隧道拱顶中心线为对称轴，左右两侧均匀分布，间隔20cm，采用红色喷漆现场标注(见图4)。

2)钻测点埋设孔。隧道开挖后，在测点位置采用冲击钻垂直向上钻孔，测孔孔径42mm，孔深分别为20cm、30cm、40cm、50cm。钻孔时尽量保证测孔沿着垂直方向。

3)安装测试器件。埋设试验监测点时，选用有足够刚度和强度的螺纹钢筋作为监测点材料。在钢筋端部焊接边长为4cm的正方形铁片，并用砂纸将铁片表面打磨光滑，然后粘贴反光片。采用强度为M8的砂浆作为锚固剂，为了较为真实的反映不同深度岩体的位移变化情况，在锚固时仅对监测器件的端部进行锚固，锚固范围为5cm(见图5)。现场埋设情况如图6所示。

图5 测点锚固

在距离监测点100m处埋设基准点，用于监测拱顶各点的沉降情况。当砂浆强度达到其最终强度的70%，采用全站仪进行拱顶下沉的监测。

图6 监测点现场布设情况

4 监测结果处理与分析

4.1 回归分析函数

现有研究结果表明，随着掌子面掘进距离和时间的推移围岩变化会不断发展并呈现一定的规律性。通过对这一规律的研究有助于掌握围岩的变形特征。拱顶沉降曲线是呈现出一个逐渐的收敛趋于平稳的趋势，围岩的变形在隧道开挖的初始阶段变化的较快，变化速率也较大，随着隧道开挖的逐渐推进，围岩的变形速率逐渐的变缓。目前，专家学者们通过对大量的隧道拱顶下沉监测数据整理分析后普遍指出，对数函数能较好的反映拱顶下沉趋势[4-6]。

对数函数表达式见公式(1)

(1)

Y=A+BX

(2)

对于系数A、B，可用最小二乘法估计得到

(3)

(4)

4.2 拟合结果分析

通过对不同围岩等级不同埋设深度的测点监测数据拟合回归分析，计算出拟合相关系数如表4～表6所示。

表4 Ⅲ级围岩拱顶下沉量-时间拟合相关系数表

由表4可知，埋深20cm时R2为0.900 0；埋深30cm时R2为0.928 4；埋深40cm时R2为0.904 6；埋深50cm时R2为0.903 0。对比以上数据可发现，当测点埋深为30cm时，数据拟合相关系数最大。因此，对于Ⅲ级围岩拱顶下沉监测点入岩深度应选30cm。

表5 Ⅳ级围岩拱顶下沉量-时间拟合相关系数表

由表5可知，埋深20cm时R2为0.882 4；埋深30cm时R2为0.876 5；埋深40cm时R2为0.900 1；埋深50cm时R2为0.880 7。对比以上数据可发现，当测点埋深为40cm时，数据拟合相关系数最大，较能反映围岩的变形情况。因此，对于Ⅳ级围岩拱顶下沉监测点入岩深度应选40cm。

表6 Ⅴ级围岩拱顶下沉量-时间拟合相关系数表

由表6可知，埋深20cm时R2为0.895 8；埋深30cm时R2为0.877 3；埋深40cm时R2为0.895 0；埋深50cm时R2为0.909 5。对比以上数据可发现，当测点埋深为50cm时，数据拟合相关系数最大，较能反映围岩的变形情况。因此，对于Ⅴ级围岩拱顶下沉监测点入岩深度应选50cm。