新疆某深埋硬岩引水隧洞围岩收敛变形特性分析

李 剑

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 83000)

20世纪80年代以来，我国的水利、公路隧道工程技术取得突飞猛进的发展，并多采用新奥法(NATM)[1]理论作为基础结构设计和施工指导。在爆破开挖完成后，及时在开挖面附近施作紧贴围岩的薄层喷射混凝土及锚杆、网片等支护措施，通过调节支撑围岩的变形和应力释放，使得在支护和围岩的共同变形过程中，围岩应力二次分布达到新平衡，在最大限度保持围岩的原有强度的同时还能充分利用其自承能力。新奥法作为一个具体应用岩体动态性质的完整力学方法，在喷锚支护的同时，按设计及规范要求布置监控量测断面，及时掌握围岩收敛变形稳定情况，故通常认为新奥法由喷射混凝土、锚杆支护及监控量测三大要素组成。

硐室围岩的轮廓可界定为因硐室开挖引起的应力变化忽略不计的范围，亦或是因硐室开挖而引起的位移变化刚好为零的位置。隧道开挖中，周边围岩及支护发生位移，该位移是围岩应力应变和支护共同作用变化的结果。利用已开挖洞室收敛变形量测数据，通过建立隧道的收敛变形数值模型来研究围岩变形规律已有很多学者进行研究。陈柳、李松磊[2]等对某硬岩隧道收敛变形数据进行线性回归分析，拟合分析隧道围岩收敛变形与开挖时间的关系。贠永锋、唐格[3]对收敛变形数值进行回归分析及特性参数反演，能够快速、准确的对隧道围岩稳定性做出合理评价，同时还对未开挖隧道在开挖支护后围岩的稳定性做出预测。硐室变形监控量测可以帮助工程技术人员及时准确判断隧洞围岩的稳定性，并预测隧洞可能出现的危险，对于工程地质条件较复杂的硐室，更能及时起到硐室稳定预警作用。掌握隧洞施工中收敛变形达到稳定时的累计变形及收敛变形规律，为隧道设计及支护施工，提供预留变形量及二次衬砌时间等重要参数，保证隧洞的正常使用。本文通过对某地下输水隧洞工程不同类别坚硬岩收敛变形监测，结合开挖具体数据比对分析，探讨该工程不同类别围岩收敛变形特性，为设计施工提供参考。

1 工程概况

该段隧道位主要位于新疆昌吉辖境内北侧山前区域，选取标段全长约5.5km，设计桩号80+295—85+795，标段内地表多为低山地貌，地形起伏不大，岩性主要以下石炭统凝灰质砂岩、凝灰角砾岩为主，局部夹少量凝灰质粉砂岩，多为厚层状-巨厚层状结构，桩号84+520.307附近为背斜构造的核部，背斜的西翼岩层产状为：270°～320°SW∠60°～80°，与洞轴线夹角30°～50°，东翼岩层产状为35°～50°SE∠40°～60°，与洞轴线夹角40°～50°，沿洞线方向越靠近背斜核部，岩层倾角越陡。岩石大多属坚硬岩，饱和抗压强度75～130MPa，岩石中石英含量一般<5%。隧道埋深一般163～200m，多处于新鲜、完整、坚硬基岩内，主要为Ⅲ类围岩，局部存在Ⅳ、Ⅴ类围岩。该段输水隧洞为马蹄形断面，设计尺寸5.3m×4.9m(Ⅲa)、6.1m×5.65m(Ⅲb)及6.3m×6.85m(Ⅳ)等三类对应不同围岩类别的开挖断面，均为中等断面硐室。

2 收敛变形监控量测

2.1 监测量测断面布置

该深埋硬岩引水隧洞采用普通钻爆法施工，每次爆破开挖后，在地质素描中记录围岩工程地质状况，包括岩性、岩层产状、裂隙及地下水发育情况及一次支护情况。

收敛断面布置按照SL 275—2016《水利水电工程安全监测设计规范》[4]要求，Ⅲ类围岩监测间距<50m，Ⅳ类围岩监测断面布置间距<40m，布置监测断面如图1所示，以5点法布置监测断面，按照SL378—2007规范[5]要求，监测断面应布置于距掌子面1～2m处，尽量保证能测得初始变形量，为硐室围岩最大变形量量测提供准确数据，同时考虑施工开挖影响，距掌子面过近距离布置时，后续爆破开挖往往会将布置测点破坏，故本工程监测断面布置一般距掌子面1.5～3m，监测仪器采用JSS30A型数显收敛计为主，全站仪辅助监控量测，精度能达到0.01mm。

图1 收剑变形监测断面布置图

2.2 收敛变形数据记录统计

本文根据研究需要，选取BC测线水平收敛值及拱顶Z沉降值作为研究数据。因量测数据较多，受篇幅限制，本文仅选取82+570，、82+670、82+770及82+830四处断面量测数据进行分析。监控量测数据见表1—2。因各断面收敛变形数据均为施工中测得，实际施工往往难以做到较匀速开挖，故各断面量测时间间隔个别差异较大。

表1 82+570处水平收敛变形及沉降值统计表

3 数据分析

隧道围岩变形一般认为是“时、空间效应”共同作用的结果。地下洞室开挖前，岩体处于应力平衡状态，开挖后硐壁岩体失去支撑，原受力平衡状态被打破，围岩逐步向硐壁内侧发生蠕变位移，最终硐壁周围一定范围内的岩体应力形成新的平衡状态，称为重分布应力或二次应力。施工开挖中，距离掌子面较近时，空间效应往往起主要作用，在开挖停止或距掌子面足够距离后围岩的蠕变起主要作用[6]，即时间效应占主导。本文利用EXCEL软件来拟合选取隧洞工程围岩变形量与时间的关系，施工中因每日开挖量差异性较大，故对掌子面推进距离与收敛变形稳定未做详细分析。利用EXCEL软件绘制处上述表中收敛量、沉降量及收敛速率、沉降速率与观测天数之间的关系曲线见图2—9所示。

图2 82+570围岩收敛及沉降量与时间的关系曲线

表2 82+670处水平收敛变形及沉降值统计表

表3 82+770处水平收敛变形及沉降值统计表

根据SL 378—2007《水工建筑物地下工程开挖施工规范》，围岩稳定的基本判据为：

(1)变形总量已完成允许变形量的90%，其中允许变形量的取值参考GB 50086—2005[7]中表7.3.10的规定。

(2)变形速率明显下降，收敛变形速率小于0.2mm/d，顶拱沉降变形速率小于0.15mm/d。

3.1 统计分析

本工程段引水隧洞开挖断面分为5.3m×4.9m(Ⅲa)、6.1m×5.65m(Ⅲb)及6.3m×5.85m(Ⅳ)

表4 82+830处水平收敛变形及沉降值统计表

图3 82+570围岩收敛速率及沉降速率与时间的关系曲线

图4 82+670围岩收敛及沉降量与时间的关系曲线图

图5 82+670围岩收敛速率及沉降速率与时间的关系曲线图

三类马蹄形断面，据工程特性参考相关规范可知其允许最大变形量范围10.68～26.7mm。根据前述图表中曲线关系，结合未列举的断面量测数据，通过围岩水平收敛及拱顶沉降趋于稳定时的量测数据统计，综合施工开挖中因监测断面距掌子面较近时，高频次爆破开挖对围岩水平收敛情况的影响[9]，可得：①对于Ⅲ类围岩，开挖后一般12～19d内收敛变形值满足规范要求，此时认为围岩基本处于稳定状态，水平收敛量测值累计5.0～7.5mm，此数据初期收敛变形值可能少量缺失，故实际收敛变形值多大于此范围值；②对于Ⅳ类围岩，开挖后往往需要19～23d，收敛量测值满足规范关于围岩基本稳定的判定要求，累计收敛值7.4～10.4mm；③对于Ⅲ类围岩，开挖后一般13～18d内拱顶沉降满足规范要求围岩稳定判定依据值，累计沉降值多为5.0～6.9mm；④对于Ⅳ类围岩，开挖后往往15～30d内沉降量测值满足规范要求围岩稳定判定依据，个别需要36d，累计沉降值多为7.6～12.6；⑤水平收敛变形特点一般符合表5的规定，根据表1—4量测统计数据，可以看出本段隧洞围岩收敛在开挖后2～3d内变形较为急剧，考虑监测断面布置一般滞后于开挖1～1.5d，故实际急剧变形阶段一般为开挖后3～4.5d内，此时监测断面通常距掌子面2～3倍洞径[10]，且一般Ⅲ类围岩断面急剧变形时间要晚于Ⅳ类围岩断面1d左右，此后变形进入缓慢变形阶段，最终在10～15d内达到稳定阶段；⑥对于拱顶沉降值，其急剧变形阶段基本与水平收敛情况一一致，开挖后3～4.5d内收敛变形较急剧，之后变化趋势基本与收敛一致；⑦不同类别围岩收敛对比，通过统计数据可知：Ⅲ围岩水平收敛基本稳定所需时间与拱顶沉降稳定基本一致，而Ⅳ类围岩拱顶沉降基本稳定时间一般滞后于水平收敛稳定2～5d。

图6 82+770围岩收敛及沉降值与时间的关系曲线图

图7 82+770围岩收敛速率及沉降速率与时间的关系曲

图8 82+770围岩收敛及Z沉降值与时间的关系曲线图

图9 82+770围岩收敛速率及沉降速率与时间的关系曲线

表5 围岩稳定判定依据 单位：mm

3.2 数据回归分析

隧洞开挖变形监控量测的常用动态预测方程为U=alnt+b，其中U为收敛位移，t为时间(d)，a、b为拟合常数，可以通过带入各断面监测数据求得。利用EXCEL软件对BC测线位移收敛量、拱顶沉降量与时间的相关性进行拟合，拟合函数曲线的类型选择原则是相关系数R2最大的函数为最优函数，相关系数越接近1，其相关程度越高。入各个断面的量测数据，可得上述4个断面的收敛及沉降回归方程见表6。

通过表6不难看出，对于Ⅲ类围岩，82+670断面，水平收敛相关系数R2=0.980，拱顶Z沉降值拟合方程相关系数R2=0.980，二者相关性均较好，故选取此断面回归方程；对于Ⅳ类围岩，82+770断面收敛拟合方程相关系数R2=0.986，拱顶Z沉降拟合相关系数R2=0.991，二者相关性均最优，故选取此断面拟合方程。由于上述函数均为不收敛函数，参考3.1统计分析规律，结合变化曲线图，对于BC线水平收敛，选取(0，20)为水平收敛拟合函数时间取值范围，对于Z沉降，选取(0，30)为拱顶沉降时间取值范围。即Ⅲ类围岩：①y=1.7964lnx+1.2738(BC)；②y=1.9346lnx+0.6787(Z沉降)；即Ⅳ类围岩；③2.8098lnx+0.5227(BC)；④y=2.9884lnx+0.1965(Z沉降)。对于函数①，du/dx=1.796/x，根据相关规范其值≤0.2时围岩趋于稳定，此时观测时间为8.98d。对于函数②，du/dx=1.935/x，根据相关规范其值≤0.15时围岩趋于稳定，此时观测时间为12.9d。同理可得对于函数③及④，其围岩趋于稳定时观测时间分别为14.2d和19.92d，符合3.1中的统计分析规律

表6 各断面收敛及沉降回归方程

4 结语

(1)在坚硬岩中，变形收敛较为迅速，围岩越完整，硐室变形收敛趋于稳定所需时间越短。收敛及沉降变形一般在开挖后3d内较为急剧，后期逐渐变缓慢，直至稳定。

(2)Ⅲ类围岩水平收敛一般在12～13d内稳定，累计收敛值通常5.0～7.5mm。Ⅳ类围岩略晚于前者，一般需15～20d内趋于稳定，其累计收敛值略大于前者，多为7.4～10.4mm。Ⅲ类收敛变形与沉降达到稳定所需时间相近，稳定值亦相近，Ⅳ类沉降稳定时间要迟于水平收敛稳定，且沉降值略大于收敛值。

(3)通过监控量测数据统计分析及拟合，建议本文Ⅲ、Ⅳ类围岩引水隧洞设计预留开挖变形量宜为单侧5～8mm。