王家湾隧道围岩变形监测与分析实例研究

吴 洁，雷 蕾，李海峰

(1.成都信息工程大学 物流学院 成都市 610103； 2.中铁西南科学研究院 成都市 610031)

王家湾隧道位于陕西省延安市安塞县王家湾乡，施工过程中易发生塌方和围护结构大变形等，严重威胁施工人员的安全，开展隧道监控量测工作十分必要[1]。与传统的隧道监控量测相比，王家湾隧道采用非接触监控量测，利用电脑全站仪布置测点，结合隧道施工监测信息化平台系统分析处理，得出隧道拱顶的变化和周围的水平位移量，结合预警基准和现场情况，指导施工[2]，保障施工安全。在王家湾隧道的监测工作，取得了良好的经济效益。

1 监控量测目的

(1)确保施工安全

以变形量测(必测项目)的反馈最为直接，及时发现不安全征兆，采取相应措施，确保施工安全，规避或减少损失。

(2)确保结构的长期稳定

针对某些特殊隧道或段落，除施工过程中的严格要求外，增设长期应力量测(选测项目)项目，收集和掌握隧道的长期稳定性，及时采取措施。

(3)通过监测反馈-指导施工-优化设计

通过监控量测工作的具体认真落实，及时反馈信息，结合实际施工情况进行分析，进而指导施工和设计的优化。

(4)为信息化设计和施工提供依据

积累大量数据和经验，指导下一步隧道信息化设计和施工[3]。

2 测点布设原则

2.1 拱顶下沉和水平收敛测点

根据设计图要求，隧道采用三台阶法施工，其点位布设按图1进行布置[4]。

三台阶法图1 拱顶下沉还和水平收敛测点布置图

2.2 测点布设要求

(1)拱顶下沉和水平收敛测点应布置在同一断面上。

(2)初支应与围岩密贴，测点埋设在钢架、格栅等初期支护上。

(3)测点应在初支支护后立即埋设，测点需在开挖后8h内埋设完成，初始读数应在测点埋设12h内读取。

(4)拱顶下沉测点应埋设在拱顶轴线附近，数值采用绝对高程，周期性复核后视点，保证其数据可靠性。

2.3 地表沉降测点

测点应在隧道开挖前布设，横向间距为2～5m，按图2所示进行布置，在隧道中线附近测点应适当加密，隧道中线两侧测量范围应不小于H0+B。

图2 地表沉降横向测点布置图

3 监测方法

3.1 拱顶下沉和水平收敛监测

拱顶下沉和水平收敛监测采用全站仪配合反射膜片进行。

测点埋设：采用直径不小于20mm的螺纹钢，尾端(隧道洞内方向)进行45°斜切形成斜切面或者端部焊接钢板，斜切面处或钢板上面粘贴测量专用反射膜片(不小于1cm×1cm)。

标识要求：测点布设以后，在测点位置用红色油漆做醒目标识，每个断面左右侧各布设1个标示牌，及时记录展示相关信息，监测点上严禁悬挂物品。

保护要求：测点及时进行布设，并做好保护，防止破坏。现场监测与施工必须紧密配合，施工现场应提供监测工作时间，保证监测工作的正常进行，监测测点的埋设计划应列入工程施工进度控制计划中。

破坏与松动处理要求：如果测点被破坏，应在被破坏测点附近补埋，重新进行数据采集；如果测点出现松动，则应及时加固，重新读取初读数。

3.2 地表沉降监测

地表沉降监测可采用全站仪进行，沉降测点埋设时先在地表钻孔，然后埋入沉降测点，外露1～2cm，四周用混凝土填实。测点一般采用直径20～30mm，长50～100cm半圆头钢筋制成。

4 实例

4.1 工程概况

王家湾隧道最大埋深约220m，最浅埋深约20m，进口里程DK266+945，出口里程DK274+233，全长7288m。王家湾隧道开挖工法为三台阶开挖法，洞内主要穿越粉质黏土，全风化、强风化细砂岩，围岩主要为IV级和V级，初支采用格栅钢架。

4.2 地质情况

王家湾隧道地处中朝古地台鄂尔多斯盆地伊陕斜坡区，区内地质构造相对简单。褶皱和断裂不发育，地势东高西低，总体上为一倾向西～西北的单斜构造。隧址区广布白垩系下统砂岩，斜层理极其发育。区域上无大的构造活动，无大型褶皱和断层，地质构造简单。隧道冲沟底部有流水，水面高程约为1302m。地表水主要为大气降水及基岩裂隙水渗出形成地表径流，主要由大气降水补给，以蒸发、地表径流及渗入为排泄条件，水量较少，受季节性降水影响大，雨季水量大且集中，非雨季无水或水量较少。

王家湾隧道2号斜井正洞DK271+340～840段隧道长500m，隧道洞身地层砂岩，全风化，呈角砾状松散结构：强风化，砂质结构，厚层至巨厚层状交错层理结构，岩质较软，节理裂隙发育，呈块碎状镶嵌结构。勘测期间存在基岩裂隙水，埋深为14.7m，水位高程1302.67m，水位变幅2.0～5.0m，水面埋深位于开挖面以上，局部斜层理破碎地段可能会赋存较多地下水，主要受地下水径流补给，水量较大，隧道围岩等级V级。

4.3 预警情况

监控量测小组进行围岩量测，数据分析发现2016年10月6日10:32 DK271+590处水平收敛变化较大，在重新复测确认后，上传数据。预警信息如下：

(1)DK271+590黄色预警，日收敛值1.68mm。

(2)DK271+590黄色预警，累计收敛值46.51mm。

4.4 预警处理

(1)处理机制

2016年10月6日，蒙陕指挥部在11:48收到王家湾隧道2号斜井正洞大里程方向DK271+590黄色预警，工区立即组织工程技术部、质量安全部到现场，会同铁四院(湖北)工程监理项目部、中铁十八局集团MHTJ-5标项目经理部到王家湾隧道2号斜井进行现场察看，对黄色预警情况和现场应急处理措施进行研究讨论。

图3 DK271+590断面预警处理情况图

(2)原因分析

经过现场查看和数据对照得出原因主要为该段位于强风化，砂质结构，厚层至巨厚层状交错层理结构，岩质较软，节理裂隙发育，呈块碎状镶嵌结构，局部斜层理破碎地段可能会赋存较多地下水，主要受地下水径流补给，水量较大；隧道埋深约11.4m，地层砂岩，全风化，呈角砾状松散结构；该段落格栅钢架尚未封闭成环。

(3)预警处理

针对上述情况经由业主、监理、设计、施工单位研究并制定处理措施，对现场处理提出按照“勤量测、早封闭、快支护”的原则，对开裂段落进行加固补强，确保施工和结构安全的要求。同时，要求监控量测组对加固圈拱顶沉降、周边收敛变形加密测量，并同步开展王家湾隧道相关里程段相应部位应力测试及分析工作。

4.5 监测数据分析

围岩变形情况：断面DK271+590仰拱封闭前拱顶、周边收敛累计变形量分别为72.5mm、20.26mm、52.73mm，如图4～图6，拱顶累计值约41d后趋于稳定，左洞典型断面周边收敛累计值27d后趋于稳定，右侧洞典型断面周边收敛累计值41d后趋于稳定；累计值-时间曲线总体呈“厂型”，即变形监测曲线的变化大致分为三个阶段：快速上升阶段，缓慢上升阶段，平稳阶段。

图4 DK271+590断面拱顶变形累计值

图5 DK271+590左侧洞断面收敛一变形累计值

图6 DK271+590右侧洞断面收敛变形累计值

从图中所示数据情况可以看出：拱顶变形在仰拱初支封闭后，变形得到有效抑制，但是周边收敛在加固圈形成后变形量还占总变形量的85%，说明加固圈的支护强度不足以抵抗当前围岩的应力，使用格栅钢架初支能保证释放围岩的应力，允许围岩有一定变形；拱顶在加固圈形成后变形量还占总变形量的72.5%，并且拱顶位置围岩应力大于拱腰位置围岩应力，说明目前隧道断面受力不是最优状态，可以优化隧道截面曲率，使隧道结构受力得到优化。

5 结语

施工过程中通过及时的监测信息反馈指导施工，确保了结构自身的安全稳定，从而有效地将施工控制在安全范围之内。根据王家湾隧道的监测数据分析得出以下几点变形规律：

(1)下部开挖过程中会出现较明显的沉降或收敛。

(2)工序之间的衔接不及时也会造成较明显的沉降或收敛。

(3)在开挖仰拱完成初支成环后2～3d内，沉降与收敛会得到逐步控制，变化量基本稳定。

(4)拱顶变形在仰拱初支封闭后，变形得到有效抑制，但是周边收敛在加固圈形成后变形量还占总变形量的85%，说明加固圈的支护强度不足以抵抗当前围岩的应力，使用格栅钢架初支能保证释放围岩的应力，允许围岩有一定变形；拱顶在加固圈形成后变形量还占总变形量的72.5%，并且拱顶位置围岩应力大于拱腰位置围岩应力，说明目前隧道断面受力不是最优状态，可以优化隧道截面曲率，使隧道结构受力得到优化。

(5)隧道围岩开挖过程中，变形监测曲线的变化大致分为三个阶段：快速上升阶段，缓慢上升阶段，平稳阶段。左侧洞开挖过程会对右侧洞产生影响，右侧洞典型断面收敛值趋于稳定的时间长于左侧洞。