某隧洞围岩变形监测及稳定性分析

徐庆功

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

围岩稳定性的主要影响因素有：开挖卸荷、震动、围岩岩性、强度、完整性、地下水活动状态等，变形是其主要表现形式[1]。洞室开挖后，由于围岩所处环境发生改变，并根据环境变化程度作出不同性质的响应，导致监测物理量随时间不断变化。通过分析洞室围岩松弛圈厚度变化、沉降收敛变形规律和发展趋势，预测围岩稳定性，优化设计参数、指导安全快速施工等提供科学依据[2]。

1 工程概况

某输水隧洞位于辽宁省朝阳市朝阳县境内，全长32.12km，最大埋深220m，采用传统钻爆法开挖，全断面施工，为城门洞型，为无压洞。地表多为缓隆起剥蚀低山区，穿越地层主要为侏罗系中统髫髻山组(J2t)，以凝灰质砂砾岩、安山岩、火山角砾熔岩为主，为火山碎屑沉积岩组合及中基性熔岩，局部见中酸性熔岩。

本文主要对桩号25+612- 25+712段进行变形监测分析，揭露岩性主要为凝灰质砂砾岩，灰白色，弱风化，碎屑结构，层理构造，胶结一般；其中砾石含量约占30%，一般粒径0.5～5cm，最大粒径10cm。砾石磨圆度较好，呈亚圆形。现场点荷载试验换算饱和单轴抗压强度为10～30MPa，为软岩-较软岩。洞室节理较发育，水平状薄层理较发育。洞室岩体完整性差-较破碎。地下水活动状态：滴水-线流。施工期桩号25+612- 25+648为Ⅳ类围岩，桩号25+648- 25+712为Ⅴ类围岩，基本与设计一致。该岩石具有一定的亲水性、重塑性、强度低容易变形等特点，围岩自稳能力较差，施工中容易受爆破震动、卸荷等影响发生局部失稳破坏，应及时一次支护[3]。

2 现场变形监测方法

2.1 干孔声波测试法

在断面径向拱顶、起拱处、腰墙适当布置5个测试孔，孔深依据洞室断面大小、揭露地质情况确定，以揭示一定深度的原岩应力为准。每个断面依次测试8次，观测时间约15d。用以测定岩石中波速及松弛圈范围[4]。

2.2 多点位移计观测

本段共安装5组多点位移计，每组3个锚头，分别测定径向1、3、5m点处围岩的位移，约观测20次[5]。

2.3 收敛及沉降观测

断面的测线采用3点3线法形式布置，拱顶点同时作为沉降观测点，根据已揭露地质条件、围岩类别、支护形式及围岩的时空效应等，共布置5个收敛观测断面，观测次数约30次，观测时间约30d[6]。

2.4 岩石含水率测试

随隧洞开挖的进行随机取样与制作，称重，在温度为105～110℃的烘箱内放置24h，再放置于干燥器中冷却至常温，称重后计算含水率[7]。

2.5 洞室环境温度与湿度测试

在不同部位及不同施工工序测度出现场环境温度与湿度，观测时间约20d。

3 观测结果及分析

3.1 观测结果

3.1.1围岩的松弛特性

松弛岩体波速为1500～2300m/s，原始岩体波速一般为2800～3200m/s。洞室爆破开挖后，岩体受爆破震动瞬时应力释放影响，洞壁岩体随即出现约1m的松弛带。随时间的延续，洞壁岩体松弛厚度逐渐增长，距开挖约72h内洞壁岩体松弛速度最大，72～300h速度逐渐变缓，超过300h后洞壁岩体松弛圈不再发展，即趋于稳定。随着测试断面与掌子面距离增大，洞周松弛圈岩体的厚度也在逐渐增加，当距离小于15m时松弛速度最快，当距离15～45m时速度逐渐变缓，当距离超过45m松弛速度基本为0，说明松弛圈停止发展[8]。

3.1.2围岩的位移特性

当观测断面与掌子面距离在40～260m时，围岩总变形量小，变化量也很小，且受洞内湿度、环境温度等影响较小，说明随开挖的进行围岩逐渐稳定。

3.1.3围岩沉降收敛特性

当观测断面与掌子面距离大于100m时，沉降收敛变形基本为0。实际测得5个断面中，收敛变形范围为8.1～18.9mm，沉降变形范围为8.9～19.9mm，总变形量较小。拱顶沉降较收敛变形稍大，Ⅴ类围岩变形比Ⅳ类围岩稍大，沉降收敛变形与环境温度、湿度关系不大，当观测断面距离掌子面超过30m时围岩基本稳定[9]。

3.1.4岩石含水率、环境温度与湿度

岩石含水率主要与原岩所处地下水环境有关，该段试样含水率为6%～11%。洞室温度一般较为稳定，随埋深、洞内施工工序、通风、地下水活动状况等略有差别，该段温度在15～22℃之间变化，湿度在40%～70%之间[10]。

3.2 观测成果分析

3.2.1围岩的松弛圈厚度

围岩受到爆破震动、卸荷等因素的影响产生不同程度的松弛变形，Ⅳ类围岩松弛圈厚度为0.67～1.15m，Ⅴ类围岩为1.07～1.97m，见表1。

表1 围岩松弛圈测量结果

3.2.2围岩的沉降收敛变形

从测量结果来看，围岩并无严重的挤压膨胀变形现象，主要为卸荷后的松弛变形，且沉降收敛变形主要发生在初期，后期未观测到持续性的蠕变，且通过趋势线分析围岩将逐渐趋于稳定。选取2个有代表性的收敛变形断面，如图1—2所示。

图1 桩号25+637断面围岩收敛变形

图2 桩号25+662断面围岩收敛变形

围岩总沉降收敛变形量均较小，5个观测断面中，沉降量在8.9～19.9mm，收敛在8.1～18.9mm，最大相对位移量小于0.4%，最大收敛变形量/洞径小于0.4%，属于是小变形，见表2。

表2 围岩沉降收敛变形监测成果

3.3 根据测量成果分析初期支护时机

3.3.1根据岩体波速的变化分析一次支护时机

对于Ⅳ类围岩，在初始测试时刻，表层波速为2300m/s，约为原岩波速的58%，随时间发展松弛圈增大，隧洞表层波速仍小幅度降低，当松弛过程基本完成后，表层波速变为1600m/s，约为原岩波速的40%。当波速降为原岩的80%时，距离初始测试时间约为60h，与掌子面距离为20～30m。Ⅴ类围岩与Ⅳ类围岩的变化趋势相近，但波速降低幅度更大松弛圈变形稳定所需时间更长，初始表层波速为1400m/s，约为原岩波速35%。当波速为原岩80%时，距初始测试时间80～100h，距离掌子面30～40m[11]。

3.3.2根据松弛圈厚度分析一次支护时机

对于Ⅳ类围岩，在初始测试时刻围岩瞬时松动变形已完成约45%，当完成松动圈80%的时间约为80h，此时距离掌子面距离约为15m，如图3—4所示。

图3 桩号25+632断面围岩松弛程度与时间变化关系曲线

图4 桩号25+632断面围岩松弛程度与掌子面距离变化关系曲线

对于Ⅴ类围岩，在初始测试时刻围岩瞬时松动变形已完成约80%，当完成松动圈90%的时间约为60h，此时距离掌子面距离约为45m，如图5—6所示。

图5 桩号25+661- 25+671段松弛程度与时间变化关系曲线

图6 桩号25+661- 25+671段松弛程度与掌子面距离关系曲线注：图3—6公式中，E—自然对数;R2—拟合优度。

3.3.3根据收敛变形情况分析一次支护时机

某隧洞洞型为圆拱直墙式，开挖裸洞直墙高度4.6m，最大净高6m，宽度5.3m，计算时取洞径5.5m，埋深约200m。Ⅳ类允许位移值为0.4%～1.2%，实际测得最大相对位移值为0.13%～0.19%；Ⅴ类类允许位移值为0.6%～1.6%，实际测得最大相对位移值为0.32%～0.38%，从观测数据来看，各断面变形量整体在可控范围内，且逐渐趋于稳定。对于Ⅳ、Ⅴ类围岩一次支护的目的在于保证围岩稳定性，防止变形发展。

表3 隧洞围岩允许相对位移值 单位：%

对于Ⅲ类围岩一次支护仅采用喷混的隧洞，当沉降收敛变形一直无明显减小趋势，且出现下列情况之一时，须采取加强支护措施，并修改原设计参数：①洞室表层出现裂缝并不断发展，且伴随脱落掉块现象；②当表层实测收敛相对位移量达到表3允许值的70%时；③用回归曲线计算得到的相对位移值即将达到或接近允许相对位移时。对于Ⅲ类围岩一次支护重点是防止掉块、塌方的发生，应尽快锚喷[12]。

4 结论及建议

(1)对于该地区隧洞埋深约200m洞段，Ⅳ、Ⅴ类围岩岩石松动圈厚度约2m，沉降收敛变形均可控。变形具有明显的流变性，即初始变形量和速率较大，经过一段时间后趋于稳定，围岩整体稳定性较好。

(2)围岩变形主要发生在开挖后48h内，且初期变形较大、较快。Ⅳ、Ⅴ类围岩自稳能力较差，一次支护应在开挖后围岩未发生明显变形的情况下及时进行。

(3)通过施工期围岩变形监测，分析围岩变形规律及发展趋势，评价围岩稳定性，为优化设计参数、指导安全快速施工等提供科学依据。

(4)现有隧洞地质条件、监测资料具有一定局限性，还需根据进一步施工地质编录及持续围岩变形监测资料等成果动态跟踪分析和预测。