基于监控数据的隧道围岩形变规律分析

王 凯，周来彬，钟松烈

(宁波市交通建设工程试验检测中心有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

随着我国经济建设的不断发展，许多山区都在规划建设长大隧道，由于山区复杂的地质环境条件，高地应力岩层以及高富水区域的山体等原因，给许多在山岭隧道建设过程中造成诸多安全问题。如施工期的隧洞坍塌、施工期的涌水、初支结构大变形及二次混凝土衬砌的破裂掉块等问题。给无论是施工期间还是运营期间的隧道安全和结构稳定性都造成较大的威胁。

针对隧道初期支护期间围岩的稳定性支护控制，张俊儒等[1]对大断面大变形隧道进行了研究，其中根据当时的隧道施工特征施作双层初期支护来提高初期支护的抗变形能力，提高安全系数。姚正源[2]通过对高地应力炭质千枚岩隧道进行了监控研究，采用双层初期支护进行有效的控制围岩形变，起到了较大的控制围岩形变作用。隧道的监控量测是隧道施工期的眼睛，可以实时的印证隧道围岩的变化和规律，为隧道的施工提供安全指导和控制数据。

本文以某工程隧道为依托，基于施工期的监控数据分析围岩形变规律，对比施工期间台阶施工顺序对围岩形变影响的规律变化，总结破碎围岩公路隧道变形特点，为类似工程隧道提供参考。

1 围岩变形特性分析

山岭隧道在掘进开挖过程中，打破原岩应力，围岩残余应力得到了释放，同时在隧道期支护后应力将重新分布，应力平衡重新调整[3]。在应力重分布的作用下，隧道径向岩体形成应力松弛，逐步径向收缩蠕变。隧道的初期支护起到了支护和应力释放的作用，既要阻止围岩形变，又要允许围岩发生一定的变形来释放围岩应力。隧道初期支护形变倘若过大将会造成倾陷，甚至造成塌方的可能[4]，监控量测是目前最有效也是最直接的了解围岩变形趋势的措施[5]。通过现场监控量测数据分析实时掌握围岩变形规律，将初期支护变形控制在合理的形变范围，为隧道二衬支护寻找最佳时机[6]，同时印证隧道支护设计的合理性。

2 监控量测技术内涵

山岭隧道在建设过程中，由于诸多复杂未知环境影响，利用现场的实时监控量测技术来监控和分析围岩形变规律与支护结构的可靠性已经是现代隧道施工中的最重要手段。监控量测内容主要分为选测内容和必测内容。早期的监控主要是以埋设应力应变原件于隧道围岩和支护结构上进行接触式监测。随着时代科技的发展，非接触式监测手段逐步发展起来，由激光断面仪到隧道施工期全过程无线传送接收测量系统都已兴盛起来。为监控量测提供了更简洁、方便、精确的监控手段。

山岭隧道施工期监控量测内容主要根据隧址区的围岩条件和所采用的工法及支护形式来进行确定。总结起来主要包括：

1)岩体的外观形态观察，主要是通过肉眼对施工范围内的围岩进行初步观察，对隧道掌子面和初期支护结构进行肉眼观察，初步记录和描述掌子面岩层构造形态以及支护结构的形变情况。

2)隧道洞身外侧的地表沉降量测，根据隧道实时推进情况，掌握洞身地表沉降变化规律，总结掌子面推进距离对地表沉降影响规律。

3)隧道内净空的水平收敛和拱顶沉降测量。紧跟隧道掘进距离，及时布设水平及拱顶下沉断面，实时跟踪测量。分析掌子面开挖时对前期支护结构形变的影响规律。

4)应力应变监测，主要分析围岩内部、围岩对初期支护、初支对二次衬砌的应力；分析围岩的松动圈范围，总结初期支护与二次衬砌支护的应力分担比例。本文主要通过地表沉降和隧道内净空水平收敛及拱顶沉降监测数据对依托工程围岩形变规律进行分析研究。为施工的工法选择和转化提供基本的指导性数据。

3 项目概况

依托工程隧道左洞长1 378 m，右洞长1 398 m。隧址所在地貌属浙东南侵蚀剥蚀低山丘陵平原区，主要包括海积平原、低山丘陵、山前洪积扇。隧址最高点位于区内最高点，位于测区南东侧的南山头海拔高程约639.6 m，最低点位于北测区部及北东部海积平原海拔高程约3.3 m，相对高差约636.3 m。

隧址区岩体复杂，进洞口段属缓坡地貌，植被发育，表层分布崩坡积含黏性土碎石和残坡积含角砾黏性土碎石呈散体结构，稳定性差，厚度约6.5 m；强风化凝灰岩，呈碎裂结构，稳定性差，厚度大约1.5 m；中风化凝灰岩，节理、裂隙较发育，围岩自稳能力较差，岩体呈碎裂状结构。地下水为覆盖层孔隙水和基岩裂隙水，水文地质条件简单，隧道开挖时沿岩体结构面有滴水或流水现象。洞身段落主要以Ⅳ级、Ⅴ级围岩为主，其中Ⅳ级围岩主要为中风化和微风化凝灰岩。节理裂隙较发育，岩体完整性较差，自稳能力较差，岩体呈镶嵌碎裂结构。Ⅴ级围岩主要为强风化凝灰岩，呈碎裂结构，稳定性差。隧道最大埋深为150 m,最小埋深为18 m。

4 选取现场监控量测断面

依托工程隧道围岩以Ⅳ级、Ⅴ级为主，节理裂隙较发育，完整性较差，自稳能力弱。监控量测内容主要选取必测项目中的地表沉降，拱顶下沉及周边收敛数据进行分析研究，本次研究分析分别选取Ⅴ级围岩K6+294断面地表下沉监测、Ⅴ级围岩K6+290断面的拱顶下沉与周边收敛为监测断面。两监控断面根据规范进行测控点布置，具体布置见图1。

5 监测数据分析

5.1 地表沉降监测分析

对K6+294断面开展的地表沉降7个点位监测，连续收集32 d监测数据进行分析，并绘制累计位移趋势图，具体监测数据趋势见图2。

根据地表沉降累计曲线变化趋势图可知，在隧道开挖初期，沉降位移变化较大，单日变化量最大值为0.6 mm。随着隧道的不断掘进，掌子面向前推移，围岩逐步稳定，地表沉降逐步趋于平缓稳定。在该断面地表下沉监测中，最大沉降值为7.4 mm，为隧道正上方监测点4，由此可知，在隧道初期开挖过程中，隧道上方的围岩松动范围最大。同时根据地表下沉曲线趋势可以看出，在各监测点监测第4天～第7天时，沉降出现稳定趋势；在第8天～第14天监测期间出现沉降加速的现象，即累计位移曲线呈现“S”型。根据监控日志发现，在曲线反弯处即第5天～第11天监测期间，隧道在该断面附近正处于上下台阶转换施工工序。由此可知，隧道上下台阶换导施工将打破原有的围岩应力平衡，再次扰动围岩。对此应在施工上下台阶转换过程中，加强现场监控，适当增加监控频次，确保施工的安全性。

5.2 拱顶沉降与周边收敛监测分析

对K6+290断面开展的拱顶下沉和周边收敛量测收集24 d连续监测数据，并进行函数回归曲线分析，具体回归曲线分析走势见图3，图4。

由图3,图4累计位移趋势线得知，在隧道初期开挖及初期支护完成时，由于围岩受扰应力重新分布，围岩新的平衡处于调整期，导致拱顶下沉和周边收敛变化幅度较大，呈现线性变化趋势[7]。在此阶段应加大监控频次。通过对拱顶下沉和周边收敛曲线建立数学模型，结合相关系数R确定应用对数函数进行拟合回归分析[8]，拱顶下沉回归函数为y=1.634 8ln(x)+2.579 7；周边收敛回归函数为y=1.014 7ln(x)+2.920 7。

在拱顶下沉和周边收敛的监测周期内，累计位移变化曲线是逐步稳定的收敛抛物线，未出现类似地表沉降的反常曲线，说明本隧道初期支护结构安全系数较大，能够支挡隧道因上下台阶开挖造成的围岩多次受扰后的应力调整影响。

6 结论

本文依托隧道工程，选取K6+294断面、K6+290断面两个近似同一切面作为研究对象。分别进行了地表沉降、拱顶下沉和周边收敛的监测数据分析，并对拱顶下沉和周边收敛进行了回归拟合，得出以下结论：

1)通过K6+294断面地表下沉曲线分析可知，隧道开挖过程中围岩受扰造成松动，围岩松动范围最大位置位于隧道正上方。

2)隧道上下台阶转换施工过程中，将导致地表沉降位移变化加快，应在此阶段加大监测频率。同时根据K6+290断面的拱顶下沉和周边收敛曲线分析表明，本工程隧道初期支护结构性能较强，可以抵挡围岩再次受扰的应力调整影响。

3)通过对K6+290断面拱顶下沉和周边收敛曲线进行回归分析，本工程隧道沉降和收敛变形宜采用对数函数进行拟合。