隧道施工围岩失稳影响因素与监测分析——以磨山隧道为例

谭 启

(安徽工业经济职业技术学院 地质与建筑工程学院，安徽 合肥 230051)

我国地形地貌以山地丘陵为主，地质条件十分复杂，各种地质灾害严重，公路隧道建设难度大。[1]因此，作为高速公路的重要组成部分，公路隧道工程的设计计算理论和修建技术一直是我国公路界高度关注的问题之一。[2]其中，隧道围岩的失稳因素量测与研究是保证公路隧道工程施工正常进行的重要措施。通常通过隧道围岩现场控制测量的方法，了解与掌握围岩的动态变化与应力分布情况，为围岩稳定性提供相应的量测结果。[3]同时，研究发现通过双目立体视觉测量支护结构的受力情况能够确定合理的支护时间，对隧道的安全作业具有重要意义。[4]本文以磨山隧道为研究对象，对其拱顶下沉和周边位移收敛、混凝土层应力及锚杆轴力进行监控量测，通过数据处理得到围岩在开挖过程中的动态和支护结构稳定状态信息，为确保施工安全与支护结构的稳定提供参考。

1 隧道施工设计方案概述

1.1 工程概况

磨山隧道位于安徽安庆市境内，属于低山丘陵地貌区。[5]磨山隧道设计为左右线分离的平行双洞，测量轴线相距30 m，隧道中线相距39.50 m。隧道开县端洞口段位于曲线(左线R=311.8 m，右线R=414.22 m)上，其余地段均为直线。磨山走向呈北动—南西向，横跨长岗岭，区内海拔最高约860 m，最低高程约380 m，相对高差约480 m，受构造影响，局部形成支状冲沟。

(1)隧道工程地质评价

根据《公路工程地质勘察规范》有关隧道围岩分类标准，隧道区围岩类别可以分为Ⅱ～Ⅴ类围岩。洞口段围岩受浅埋和风化影响，为Ⅱ类围岩；Ⅲ类围岩主要为洞身段泥岩夹砂岩和薄层砂岩夹页岩段；Ⅳ类围岩为洞身深埋段厚层状泥岩、砂岩；Ⅴ类围岩为洞身深埋段巨厚层状、砂岩。

(2)洞身段稳定性评价

通过资料调查与现场考证，可以推断隧道的洞身地面山体稳定，不存在断裂、破碎的区域，地下水存储量少对隧道影响较低。隧道轴线与岩层走向呈大角度(80°)相交，穿越岩性砂岩、泥岩、页岩的不等厚互层。洞身段围岩完整性较好，裂隙不发育。但在砂岩与泥岩、页岩与泥岩、砂岩与页岩的交错区域的稳定性较差。通过统计总结出隧道失稳的主要影响因素包括：围岩岩体的结构与地质构造、岩体的应力状态。

1.2 监测技术实施

实验的监测技术实施方案，一方面，为了判断隧道主体及其围岩的稳定性，通过地质考察与现场调查的方式对隧道开挖面前方的地质和隧道支撑结构进行量测。另一方面，在前人的研究基础上，[6]进行了围岩剖面监测位置布置，如图1所示。

图1 隧道截面测点布置图

(1)拱顶下沉和周边位移收敛量测

首先，在监测方案实施中，为确认隧道支护的效果和预防突发性拱顶崩塌事故，确保施工作业效率与工程质量，对拱顶下沉量进行的检测。而周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映。[7]为了保证量测结果具有真实性，分别按照表1设置拱顶下沉和周边位移的量测频率。拱顶下沉和周边位移采用非接触量测技术进行量测，以消除人为因素对量测精度的影响，断面内空收敛和拱顶下沉的监测周期分别为100天和250天。

表1 拱顶下沉与周边位移量测频率

(2)初期支护及二次衬砌混凝土应力量测

其次，为了准确判断隧道围岩长期的稳定性能，分别对初期支护与二次衬砌混凝土应力进行量测。其中，初期支护是围岩稳定性监测的初始时刻，而二次衬砌混凝土质量则反映隧道使用寿命的关键因素。如图1所示，分离式单洞隧道每个断面在初期支护中布置9个混凝土应变计，在二次衬砌混凝土内布置9个混凝土应变计。整体式双连拱隧道每个断面在初期支护中布置14个混凝土应变计，在二次衬砌混凝土内布置20个混凝土应变计，监测周期为20天。

(3)锚杆轴应力量测

最后，为了判断隧道围岩形变的发展趋势，为应急预案提供准确的数据信息。采用锚杆应力量测的方式，对围岩内部强度进行监测。按照图1中锚杆应力监测点进行锚杆布置，安装后根据监测周期检查锚杆的安装质量、注浆效果和长期受力(承载)情况。分离式单洞隧道选取的断面右侧拱肩布置1根，设3个测点，监测周期为20天。

2 隧道施工监测结果分析

2.1 量测断面内空收敛及拱顶下沉监控

断面内空收敛及拱顶下沉数据，见图2和图3。从实际量测结果看，因为人为因素与测试环境的差异，导致量测结果存在偶然波动(偶然误差)数据分布情况，对后期的数据分析与稳定性预测存在较大的干扰。据此根据量测结果，对所得数据进行一元非线性回归分析。[8]

图2 内空收敛回归曲线图

图3 拱顶下沉回归曲线图

(1)内空收敛回归曲线

如图2所示，为内空收敛回归曲线图。由计算可得，内空收敛量回归曲线方程为：

y=-3x5×10-8+7x4×10-6-4x3×10-4-8.8x2×10-3+1.3204x-0.4461

根据回归方程，内空收敛量(μ/mm)与时间(t/d)的关系为：

μ1=-3t5×10-8+7t4×10-6-4t3×10-4-8.8t2×10-3+1.3204t-0.4461

则其一介导数和二阶导数分别为：

μ＇1=-15t4×10-8+28t3×10-6-12t2×10-4-17.6t×10-3+1.3204

μ＇＇1=-60t3×10-8+84t2×10-6-24t×10-4-17.6×10-3

经计算，μ＇＇＇1恒小于0，所以μ＇＇1在定义域内单调递减，且当t=0时，μ＇＇1=-17.6×10-3<0，所以当t>0时，μ＇＇1<0恒成立。所以，当t>0时，μ＇1单调递减，μ＇1最大值为1.3204 mm/d，即内空收敛最大速率为1.3204 mm/d，且随着时间增加，内空收敛速率逐渐减小，与实际量测结果一致。根据公路隧道设计规范(GTJD 70-2004)规定，隧道围岩周边收敛速率为0.1～0.2 mm/d时，变形基本稳定。令μ＇1<0.1mm/d，结果取整数值，计算可得，t=39时，μ＇1=0.106mm/d，t=40时，μ＇1=0.088mm/d，由μ＇1单调递减的性质，可以判断出，从第40天开始，断面的内空收敛速率μ＇1<0.1mm/d。即开挖40天后，该断面内空收敛趋于稳定。

(2)拱顶下沉回归曲线

如图3所示，为拱顶下沉回归曲线图。由计算可得，拱顶下沉量回归曲线方程为：

y=3.8592Ln(x)-2.6694

根据回归方程，拱顶下沉量(μ/mm)与时间(t/d)的关系为：

μ2=3.8592Ln(t)-2.6694

求出其一介、二阶导数，分别为：

2.2 量测断面喷层应力监控

此外，隧道初期支护喷射混凝土与围岩之间存在接触应力，通过测定应力值可以直观反映喷层与围岩的作用特征与支护效果。[7]喷层应力可以分为切向和径向两个方向的应力。为了全面分析断面喷层的应力分布分别对切向和径向进行监测，监测结果如图4所示。

(a)切向

如图4所示，隧道开挖7天后喷层不同测点(左拱肩、拱顶和右拱肩)切向的应力值开始增大，说明隧道需要加强支护以防止断面的形变。而在径向方向左拱肩和拱顶的应力值在14天开始急剧增大，右拱肩应力值在10天出现峰值，说明右拱肩是监测断面围岩与喷层接触应力最大值所处区域。

2.3 断面锚杆轴力监控

锚杆轴力测评能够反映隧道断面不同深度土层(围岩节理)形变所产生的应力作用。对锚杆轴力的数据进行分类处理，绘制出锚杆上部、锚中上部和锚杆下部的轴力与时间关系图，见图5。

从图5可以看出，隧道断面围岩的右拱肩区域均处于受压状态。随着工况时间的延长锚杆不同深度位置的应力逐渐增大。其中，随着锚杆深度的增加，应力值产生的时间越晚，在开挖5天后锚杆中部的应力值超过锚杆上部的应力值，说明该区域的可能受到围岩内部节理的影响导致变化，[9]而在开挖15天后应力值达到平衡状态，与断面喷层径向应力变化状态一致，说明此刻围岩形变处于稳定。

图5 断面右拱肩锚杆轴力与时间关系图

2.4 施工建议

(1)洞口软弱围岩浅埋地段

在隧道洞口软弱围岩浅埋地段，隧道围岩的稳定性较差，因此建议采用短台阶法进行施工，一方面提升开挖面的稳定性；另一方面提高隧道土方的开挖速度，为超前支护提供便利条件。同时，在施工支护上采用喷射混凝土、钢筋网和锚杆联合支护，对围岩稳定性较差的区域进行补强，保证施工安全。

(2)洞身地段

根据隧道围岩特征以及开挖后的应力分布情况，建议洞身Ⅲ类围岩地段采用台阶法开挖；Ⅳ、Ⅴ类围岩地段可采用全断面开挖法施工。

(3)支护时间

根据隧道断面内空收敛及拱顶下沉情况，在开挖第5天应该进行支护加固。

3 结论

通过磨山隧道新奥法监测数据处理及综合分析，发现拱顶下沉和周边位移收敛量测、初期支护及二次衬砌混凝土应力量测和锚杆量测能较好地跟踪监测隧道周边的变形过程，具体结论如下：

(1)对同一测线，随着土层深度的增加形变量越小，所产生应力越小；

(2)隧道围岩的净空收敛包含三个阶段：急剧变形期、缓慢变形期和基本稳定期；

(3)当围岩变形速率小于0.1 mm/d时，隧道围岩即进入基本稳定期，以此作为围岩稳定的判定准则是合理的；

(4)从喷层应力和应力与时间变化曲线看出，喷层径向应力小于切向应力，径向喷层应力小于0.062MPa，断面处的锚杆长度等参数符合底层条件，能及时起到支护作用。