软岩引水隧洞围岩稳定性分析

曹 宇，陈士银

(费县许家崖水库管理中心，山东 临沂 273400)

1 概 述

在山岭隧洞中，软岩隧洞由于地质环境比较薄弱，是一种极容易变形和开裂的隧洞。

目前，关于软弱围岩隧洞的变形研究是国内外研究的重点和难点。张兴伟、王超[1]基于三维数值模拟，研究了软弱隧洞围岩稳定性及地表沉降，结果表明拱顶沉降随曲率增大而减小，在曲率为0.5时趋于稳定。此外，当土层界限越过拱底时，围岩变形和地表沉降影响较大。康海波等[2]综合采用相似模型试验和数值模拟，研究了不同倾角软弱层隧洞围岩变形规律，结果表明软弱层倾角对隧洞围岩的变形影响极为显著，围岩的位移随倾角的增大而先增大后减小。蒲松等[3]基于颗粒流数值模拟，研究了白马隧洞软弱围岩掌子面稳定性，结果表明采用锚杆支护后，围岩位移量随隧洞距离增大而增大。袁飞等[4]综合采用现场监测和数值模拟，研究了红层软岩隧洞大变形特征规律，结果表明围岩衬砌的施加时机对于围岩的稳定性有重要的影响。王传武等基于弹性地基曲梁模型，推导了仰拱结构内力、仰拱地基反力等计算公式，结果表明单独提高混凝土强度等级对改善仰拱稳定性效果并不明显。王亚鹏依托兰成铁路软岩隧洞，研究了高地应力软岩大变形隧洞的合理支护技术，提出采用长短锚杆相结合和多层支护体系的综合支护方式。张智博基于数值模拟，考虑流固耦合作用，研究了富水软岩隧洞施工围岩力学特性，结果表明考虑流固耦合作用的隧洞围岩水平位移和竖向位移显著增大，实际工程中应进行修正。应华峰等采用数值模拟，研究了软岩隧洞超前预加固布置优化方式，结果表明0.4 bolts/m2是掌子面超前锚杆布置的最佳密度，且支护结构在掌子面中部进行布置对于隧洞变形控制最优。

2 工程概况及现场监测

2.1 工程概况

研究区隧洞地处软弱地层，隧洞总长为1.9 km，左右线均采用圆曲线和平面线设计。隧洞地层由上至下分别为新统黄土、新统洪积粉质黏土、千枚岩和薄片强度较低的灰软岩组成。其中，黄土呈褐色，土质比较均匀；粉质黏土土质不均匀，且含有大量的卵碎石；灰软岩呈薄片状态，节理裂隙发育，易破碎，岩石强度低。

2.2 现场监测

研究区隧洞采用新奥法施工。为系统研究隧洞开挖期间隧洞拱顶以及隧洞周边的变形情况，采用现场监测对相关内容进行监测。监测主要包括拱顶沉降和周边变形及支护变形等。

监测断面的选取主要是考虑围岩级别和隧洞埋深因素。规范规定，对于IV级围岩，且埋深小于15m，监测内容应包含地表沉降观测、拱顶沉降监测等，且监测断面沿纵向15～20 m布置；对于II级和III级围岩，规定监测断面间距为30～50 和 20～30 m。

本文所研究的隧洞围岩一般介于V～IV级之间，按照规范要求，监测断面设定为15m间距，具体的监测布置见图1。监测仪器采用精度为0.1mm的水准仪及相同精度的周边位移收敛监测仪。

图1 隧洞地层典型断面图

3 监测结果与分析

3.1 隧洞拱顶沉降

图2为拱顶位移值在监测期间内的变形情况。结果表明，隧洞拱顶变形随时间的增加而逐渐减小，变形主要发生在1～5d内。这是因为在隧洞初始开挖过程中，围岩应力释放和重新分布，从而导致变形较大。此外，由于初期支护未开始发挥效果，也会导致在隧洞开挖前期出现较大的变形。当监测时间大于16d后，隧洞拱顶沉降量基本保持不变。

图3为拱顶下沉速率曲线。结果表明，监测断面在监测的第1d拱顶沉降速率较大，且变化速率也较为迅速，这与图2结果一致。当掌子面开挖6d以后，拱顶沉降速率变化比较缓和。这是因为在施工过程中，为了降低围岩变形，实际工程中施加了第二道衬砌支护。总体来看，隧洞拱顶沉降速率介于0.07～0.15mm/d，表明围岩基本满足规范要求的安全性规定。

图2 拱顶位移时程曲线

图3 拱顶下沉速率曲线

图4为拱顶位移时程曲线。结果表明，随着开挖面距离的增大，拱顶位移逐渐减小。当掌子面开挖距离达到10m时，拱顶位移显著减小。当掌子面开挖距离大于30m时，开挖施工对拱顶的影响基本消失。此外，也证明衬砌支护开始发挥效果。进一步对拱顶位移进行拟合得到图5，结果表明拱顶位移随时间变化满足指数函数关系。

图4 拱顶位移随开挖面距离关系

图5 拱顶位移随时间拟合关系

3.2 隧洞周边变形

图6为隧洞周边位移时程曲线。结果表明，周边位移随时间的增大而先迅速增大，随后趋于平缓。当监测时间大于6d时，周边位移变化趋于平缓。导致这一现象的主要原因是在隧洞开挖的初始时刻，由于支护未形成系统的支护群，因此支护效果并不明显。

图6 隧洞周边位移时程曲线

图7为周边位移变化速率随时间的关系。可以看出，当掌子面开挖至5d后，位移速率明显减小，表明支护开始发挥作用。根据规范要求，当隧洞周边位移速率小于0.6mm/d时，隧洞围岩处于稳定状态。

图8为隧洞周边位移随开挖掌子面的关系。结果表明，隧洞周边位移随距掌子面的距离增大而增大，但当距掌子面距离大于25m时，周边位移较小，且变化速率也较小。当距掌子面距离小于25m时，周边位移显著增大。尤其是在5m范围以内，周边位移变化速率最大。这是因为研究隧洞处于软弱岩层，开挖后围岩自身很难形成自稳定的岩圈。当施加支护结构后，且支护结构与围岩形成支护拱圈时，位移才有所收敛。根据监测数据，在实际工程施工中，对于监测断面25m以内的位移监测要适当进行加密。对图8的数据进行拟合得到周边位移随时间拟合关系曲线，见图9。可以发现，周边位移速率与时间符合指数函数关系。进一步采用该函数关系可以预测净空位移量为488mm。

图7 周边位移速率时程曲线

图8 周边位移随开挖掌子面关系

图9 周边位移随时间拟合关系

3.3 围岩稳定性判别经验法

由于地下工程地质条件通常具有较强复杂性，实际中对于围岩稳定性的判别存在一定难度，所以一般会利用判别的经验法对围岩稳定性开展精准性的判定工作。首先是围岩分类法，根据国内外相关实践工作经验，将围岩工程所在位置含有的地质特征和地下水状态表现作为依据，可以对围岩稳定性作出精准性判断。其次为根据岩体质量指标开展评估的方法，该方法也被称作RMQ评估法或者M法，该方法所遵循的分类原则和依据都拥有一定的合理性与科学性，该方法的应用需要将地质工作作为基础，明确岩体质量所受各方面影响因素，同时采用合理勘测手段来获取相关资料，在此基础上开展各类影响因素的综合性分析，根据RMQ值便可以准确判断岩体的质量和稳定性。

4 结 论

本文基于软岩隧洞围岩现场监测数据，对隧洞围岩的稳定性进行了分析，结论如下：

1)受软弱岩层的影响，掌子面开挖范围6m以内，拱顶沉降值和周边位移值的变化最大，且拱顶位移沉降和周边位移与时间的关系符合指数函数关系，利用该拟合曲线可对隧洞变形进行预测。

2)由于研究隧洞处于软弱岩层，开挖后围岩自身很难形成自稳定的岩圈。当施加支护结构后，支护结构与围岩形成支护拱圈时，位移会有所收敛。因此在实际隧洞施工过程中，对于监测断面25m以内的位移监测要适当进行加密。

3)对于软岩区隧洞，由于隧洞地层的工程性质较差，因此隧洞开挖后要及时进行支护。此外，在实际施工过程中，要重视现场隧洞变形监测，发现问题及时处理。