浅谈软质围岩隧道监控量测方案的制定

任永强

（甘肃省远大路业集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

随着我国交通网的不断完善，山区软质围岩公路隧道日益增多，施工过程中经常出现大变形、坍塌等地质灾害。监控量测是隧道工程施工实现动态化控制的重要手段，其目的在于了解围岩变形机理，判断支护方案的可靠性，优化设计和施工方案，从而达到指导施工的目的。因此，根据围岩情况制定科学合理的监控量测方案是隧道施工的重中之重。

目前，施工单位对监控量测的方案制定不够重视，通常情况只做洞内外观测、周边位移和地表下沉等必测项目，没有做到有效结合围岩变形特点制定监控量测方案，施工过程中没有做到系统掌握围岩变形规律，而进行盲目施工，致使后期出现二次衬砌厚度控制不精准、衬砌侵限和衬砌开裂等一系列问题。特别是地质复杂的软质围岩隧道，围岩变形量大，周期长，过程复杂，不但每段围岩变形规律都不一样，而且同一断面上的不同点变形也不尽相同，只做以上必测项目是远远不够的。采古隧道为炭质页岩和板岩互层的软质围岩隧道，变形量大且复杂，施工过程中，为系统了解围岩变形机理，将围岩内部变形量、围岩及衬砌间压力、衬砌内部及钢支撑应力和应变等选测项目，结合围岩特点纳入监控量测的范畴，根据围岩实际情况制定了采古隧道监控量测方案，取得了良好的效果。下面就以采古隧道监控量测方案的制定为例，介绍如何根据围岩变形特性，制定监控量测方案。

1 工程概况

1.1 隧道概况

采古隧道位于甘南州S313 线宕昌（南河）至迭部二级公路中段迭部县洛大乡采古村，隧道起讫桩号K56+904～K58+282，全长1378m，设计围岩为Ⅳ级、Ⅴ级两种等级，其中Ⅳ级围岩600m，Ⅴ级围岩778m，Ⅴ级围岩占隧道总长的56%。最大埋深320m，设计净宽10.5m，净高5m，为单线双向双车道隧道，设计行车速度40km/h。

1.2 工程地质条件

采古隧道进口左侧为一古滑坡堆积体，表面覆盖层为泥石混合体，厚度约为15m，地表沟壑纵横，该堆积体有缓慢移动迹象，进口段埋深为左浅右深。岩层走向与隧道轴线基本平行，倾角为30°-80°之间，层理与隧道轴线组合关系极为不利，围岩破碎，拱部掉块严重，局部段落有崩塌、大变形等不良地质现象。隧道穿越桑谷山及桑底-翠谷山南区域断层F2，褶皱（褶曲）和断层伴生节理大量发育。采古隧道围岩主要为炭质页岩和炭质板岩互层，层间夹杂着大量矿物粘粒。炭质页岩为黑色弱风化沉积岩，含水率在7%－10%之间，饱和单轴抗压强度在3－4MPa 之间，为极软岩。炭质板岩饱和单轴抗压强度约10－20MPa 之间，为软岩。

2 围岩变形特性

采古隧道施工前期，为制定合理监控量测方案来指导施工，查阅了大量类似地质的工程实例。并根据炭质页岩工程特性，对采古隧道围岩变形规律进行了分析推理。

2.1 围岩变形量大

围岩主要以炭质页岩为主，属软岩，局部段落为极软岩，强度极低，自稳能力极差。加之炭质页岩具有膨胀性、崩解性，围岩变形量极大。受地下水等不良因素的影响，单日变形量可达5～10cm，累计变形量可达60～110cm。

2.2 围岩变形持续周期长

一般情况下，隧道洞身开挖后，随着支护体系的不断完善，围岩变形逐渐趋于稳定。而炭质页岩隧道不同，开挖后围岩应力重新分布，层状结构围岩出现裂隙，空气、水等不良因素侵入岩体内部，致使围岩层间粘粒膨胀，产生大量塑性变形，若不采取适当工程措施，影响范围将不断扩大，甚至发生突变，所以，此类围岩变形周期长。

2.3 围岩变形不规则性

采古隧道岩层由北倾向东，由于膨胀作用，岩层间产生法向作用力（如图1 所示），隧道右层岩层间作用力受下部地层约束而平衡，而左侧围岩开挖后形成临空面，无约束力，从而造成隧道左侧围岩变形普遍大于右侧。炭质页岩隧道大变形主要是由于塑性变形所致，且受水等不利因素影响，不同断面围岩松动范围变化大，致使采古隧道围岩变形所表现出的规律性不明显。

图1 围岩压力示意图

2.4 断层段围岩的特殊性

采古隧道穿越断层，而断层是一种断裂构造，岩层被挤压破碎，呈块石、碎石、角砾及断层泥等，岩体破碎且强度低。断层带中由于充填物的活动性和强烈的挤压作用，往往聚集了潜在应力，开挖后潜在应力释放出强大的膨胀力，且断层带易储存大量地下水，加之本隧道围岩主要以具有膨胀性得炭质页岩为主，各种不利因素叠加，造成采古隧道断层段开挖后，围岩稳定性极差，拱部易掉块，甚至出现崩塌。

3 监控量测方案

根据采古隧道围岩的以上特性，只进行周边外移等必测项目量测远远不够的，很可能造成一系列质量问题，有针对性的制定了监控量测方案很有必要。

3.1 成立监控量测小组

采古隧道围岩变形量大，周期长，变形过程复杂。为将监控量测工作做细做实，成立了由技术骨干组成的监控量测小组，专职负责监控量测工作，并邀请地质专家作为项目技术咨询顾问，为解决地质方面疑难问题提供技术支持。设立了采古隧道地质试验室，负责隧道围岩产状量测、岩性试验、岩石强度和围岩含水量等试验工作，为监控量测工作提供数据支持。

3.2 监控断面选择

监控断面分为典型断面和一般断面两种，典型断面设置于有代表性围岩的断面上，进行围岩周边位移、围岩压力、衬砌各结构层间应力及衬砌内部应力应变等项目量测[1]。若段落内围岩变化不明显，该段落内只设置一般监控断面，一般断面只进行洞内外观察、周边位移和地表下沉等必测项目量测。隧道开挖后，仔细观察围岩状况有无变化，并进行地质素描，如果围岩岩性、岩体构造、含水量等发生明显变化时，及时设置典型监控断面，否则只设置一般断面[2]。进入断层后，必须设置典型监控断面，及时进行量测数据分析，总结围岩变形规律，确保断层段顺利施工。

3.3 监控量测项目

3.3.1 典型断面量测项目

通过典型断面量测数据，总结该类围岩段落施工方法，尽可能全面掌握围岩及衬砌受力和变形情况，量测项目包括围岩内部变形量、围岩压力、初衬与二衬间接触压力、钢支撑应力应变、衬砌内部应力及规范要求的周边位移等必测项目。

3.3.2 一般断面量测项目

一般量测项目包括洞内外观察、周边位移和地表下沉等常规监控量测项目，每循环洞身开挖后，通过对围岩观察，详细描述围岩状况，并进行地质素描，及时判断围岩变化与否。

3.4 监控量测方法

围岩内部变形量通过在典型断面左拱腰、拱顶、右拱腰三个位置围岩内部安装位移计，量测施工不同阶段和围岩不同深度的位移情况；围岩压力、衬砌间压力通过在围岩与初衬间、初衬与二衬间相应位置安装压力盒进行量测；钢支撑应力应变和二衬内部应力应变使用钢弦测压仪进行量测，在钢支撑及二衬内部钢筋骨架上安装量测元件。在衬砌边墙位置设立观测孔，所用量测装置电缆都集中至观测孔内，并做好编号，以防混淆。一般断面量测按规范要求频率，用全站仪、水准仪和收敛仪等仪器进行量测。

3.5 数据采集分析

在上台阶初支施工、下台阶初支施工、仰拱开挖及封闭、二衬施工前后等不同施工节点，及时采集量测数据。为便于分析围岩受力与变形之间的关系，必测项目数据采集尽量与选测项目同时进行。通过分析不同时段，不同部位受力和变形情况，总结受力变形规律，为及时采取工程措施和调整施工方案提供依据。

3.6 量测断面技术总结

通过对典型断面从洞身开挖至二次衬砌施工完成后，围岩变形基本稳定，总结出该断面变形规律，用以指导后续类似围岩段落施工，对需要采取特别工程措施进行围岩加固的段落，及时采取措施，防止造成不必要的损失。

4 结束语

通过阐述采古隧道如何根据实际围岩状况，制定合理的监控量测方案，对监控量测数据分析总结，发现了以下几方面围岩变形规律：一是围岩及衬砌间压力、衬砌内部应力应变、围岩内部位移左侧远大于右侧，进一步证实了该隧道围岩变形左侧大于右侧这一规律。施工过程中，对左侧支护加大了预留变形量，并提高支护参数；二是围岩变形周期长，在二衬施工前围岩内部位移、衬砌间压力和衬砌周边位移仍未趋于稳定，围岩松动范围进一步扩大，为确保施工质量，及时对围岩进行注浆加固；三是该围岩暴露时间越长，各项量测数据越大，变形越大。针对这一特点，开挖完成后第一时间对裸露岩面进行初喷封闭。采古隧道根据围岩状况，有针对性制定监控量测方案，取得了显著效果，真正意义上做到了隧道施工的动态化控制，也为以后类似软质围岩隧道施工提供参考实例。