隧洞围岩位移监测设计及结果分析

高 鹏

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110001）

1 工程概况

辽西北供水工程（二段）桓仁隧洞工程全长4.39 km，断面为圆拱直墙形，成洞断面尺寸为6.6 m×（6.15～7.28）m（宽×高），设计坡度为0.312%。初步设计采用“钻爆全断面开挖法”，支护结构为“钢架+钢筋网+锚喷”联合形式，联合支护结构如图1所示。为了保证支护效果良好，在支护结束后安排专业技术人员对围岩位移进行监测，以便及时发现超标地段并立即进行加固和整改[1]。

2 隧洞监控测量设计

2.1 监控量测内容

在隧洞开挖后应立即对围岩状况进行观察和记录，包括工作面状态、围岩风化程度、节理裂隙、断层分布和形态、地下水情况以及喷射混凝土的效果；观察后应进行地质特征的描述，绘制开挖工作面略图（地质素描），填写工作面状态记录表及围岩类别判定卡。每天至少进行一次对已施工区段的观察，内容包括已完洞段初期支护状况，洞口地表情况、地表沉陷、边仰坡的稳定、地表水渗透等[2]；对洞内周边围岩和拱顶位移进行量测。

2.2 断面及监测点布置

2.2.1 监测断面布置

按照安全监测监理实施细则的要求，施工现场应在开挖完成后及时按铅垂方向布置安全监测断面，具体要求如下。

（1）Ⅱ类围岩洞段不设监测断面。

（2）Ⅲa、Ⅲb 类围岩洞段监测断面设置间距不大于5B（B为毛洞洞宽，下同）。

（3）Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段监测断面设置间距不大于3B。

（4）围岩变化处和断层段适当加密设置监测断面。

2.2.2 监测点布置

按照安全监测监理实施细则的要求，本段周边位移及拱顶下沉量测量采用“三角形法”，监测点布置如图2所示。

图2 监测点布置示意

其中，拱顶监测点布置在正顶端，两帮监测点位于腰部中间位置，每个断面布置3 个标点。各量测点应紧跟开挖掌子面安设，一般距开挖掌子面的距离不宜大于1.0 m[3]。

2.2.3 收敛固定标点锚固器安装

（1）在设定的现场安全监测断面上测量，进行收敛固定标点定位并钻安装孔，孔深240 mm。

（2）在钻孔中充填水泥砂浆，插入锚固器。锚固器采用Φ18 mm、长225 mm 螺纹钢，如图3 所示。

图3 收敛固定标点锚固器安装

（3）待水泥砂浆凝固、量测点锚固器牢固后即可量测。

2.3 量测频率及仪器选择

2.3.1 量测频率

（1）在工作面开挖后12 h 内或下一次开挖前完成收敛仪的安装并测取初始读数。

（2）净空水平收敛位移和拱顶下沉位移宜采用相同的量测频率，应根据距开挖面的距离和变形速率选择较高的一个量测频率，详见表1[4]。

表1 量测频率

（3）当位移速率明显下降、水平收敛速率小于0.2 mm/d、拱顶位移速率小于0.1 mm/d，并持续到变形基本稳定后1～3周，经监理方批准，可停止量测。

2.3.2 量测仪器选择

现场利用浙江中科JSS30A 型数显式收敛仪进行收敛量测，收敛仪误差为0.05～0.07 mm；利用博世32 倍高精度GOL32D 型水准仪监测拱顶点的沉降，水准仪误差为±1 mm/7 m。各类量测仪器和工具均满足性能稳定、质量可靠、耐用、精度好等要求。

3 监测结果分析

总体而言，隧洞支护强度足够，因此在掘进过程中基本上没有出现围岩垮落情况，但其间遇到过破碎带，而且内部含有裂隙水，给钻进和支护均造成较大困难，最终采取预注浆堵漏措施，才得以顺利通过。项目对每一处的围岩位移监测持续时间约为20～30 d，监测结果及分析如下。

3.1 拱顶下沉位移量监测结果分析

3.1.1 Ⅳ类围岩拱顶位移量监测分析

隧洞围岩以浅变质玄武岩为主，而且分布较为均匀，属于Ⅳ、Ⅴ类围岩，以Ⅳ类为主，因此在变形过程中呈“光滑型”曲线分布。以ZK231+533 断面（属Ⅳ类围岩）采集数据为基础绘制的拱顶下沉位移量曲线，如图4 所示，数据采集时该断面距离掌子面2.0 m[5]。

图4 ZK231+533断面拱顶下沉位移量曲线

从图4可以看出，4月29日—5月11日13 d下沉位移总量约25 mm，位移速率较大且基本平稳，维持在1.92 mm/d；5 月12—23 日12 d 下沉位移总量为5.0 mm，变形速率明显下降且维持在一个较低水平，仅为0.42 mm/d。之后经过连续13 d 监测发现位移量不再变化，因此认定拱顶稳定时间为25 d左右。

3.1.2 Ⅴ类围岩拱顶位移量监测分析

若围岩类型Ⅴ类占比较大，则围岩稳定性会大大降低，钻爆开挖后会进一步破坏围岩原有平衡结构，给支护带来困难，同时位移量也会有较大波动，一般呈“根号型”曲线分布。以YK227+347断面（属Ⅴ类围岩）采集数据为基础绘制的拱顶下沉位移量曲线，如图5所示，数据采集时该断面距离掌子面2.0 m[6]。

图5 YK227+347断面拱顶下沉位移量曲线

从图5 可以看出，4 月29 日—5 月2 日4 d，拱顶位移量增速很快，累计达到10 mm，平均位移速率2.5 mm/d；5 月3—7 日5 d，位移速率趋近于平稳，累计位移量为2.0 mm，平均位移速率0.4 mm/d；5月8—12日5 d，位移速率再次显著上升，位移量由10 mm上升至30 mm，平均位移速率5.0 mm/d；5月13—19日7 d，下沉速率再次下降，总位移量由30 mm 增加到33 mm，平均位移速率0.5 mm/d。之后经过连续13 d监测发现位移量不再变化，因此认定拱顶稳定时间为21 d左右。

经综合分析发现，本项目隧洞在Ⅳ类围岩地段，拱顶下沉位移量呈“光滑型”曲线分布，在前25 d 时间内基本完成沉降过程，之后保持稳定状态，总位移量在30 mm；在Ⅴ类围岩地段，拱顶下沉位移量呈“根号型”曲线分布，最初4 d位移量较大，之后5 d左右保持平稳，然后位移再次增大，最终趋于平稳，经过采取预注浆、加强支护等措施后，总位移量也能稳定在33 mm。总体而言，本项目对于拱顶位移量控制效果良好。

3.2 两帮位移量监测结果分析

隧洞两帮围岩的受力相对于拱顶要小，而且上部很大一部分压力被传到下部岩层，因此总体位移量较小，监测结果也证实了这一点[7]，监测结果和分析如下。

3.2.1 Ⅳ类围岩隧洞两帮位移量监测分析

以ZK231+547 断面（属Ⅳ类围岩）为分析对象，其两帮收敛量曲线如图6 所示。从图6 可以看出，5月17—19 日3 d，两帮收敛速率较大，累计收敛量达到6 mm，平均收敛速率2 mm/d；5月20—30日11 d，累计收敛量为6 mm，收敛速率有所降低，约为0.55 mm/d；5月31日—6月4日5 d，累计收敛量为2 mm，收敛速率进一步下降，约为0.4 mm/d。之后又经过连续13 d 监测发现收敛量基本不再变化，因此认定本隧洞Ⅳ类围岩两帮稳定时间为19 d 左右，且总收敛量约14 mm[8]。

图6 ZK231+547断面两帮收敛量曲线

3.2.2 Ⅴ类围岩隧洞两帮位移量监测分析

以YK227+347 断面（属Ⅴ类围岩）为分析对象，隧洞两帮收敛量曲线如图7所示。从图7可以看出，4 月29 日—5 月5 日7 d，两帮收敛量呈波动上升趋势，累计收敛量达到10 mm，平均1.43 mm/d；5月6—8日3 d，两帮收敛量极速上升，累计收敛量为10 mm，收敛速率有所降低，约为3.3 mm/d；5 月9—17 日9 d，累计收敛量为5 mm，收敛速率回归平缓，约为0.56 mm/d。之后又经过连续13 d 监测发现收敛量基本不再变化，因此认定本隧洞Ⅴ类围岩两帮稳定时间为半个月左右，且总收敛量约25 mm。

图7 YK227+347断面两帮收敛量曲线

经综合分析发现，本项目隧洞在Ⅳ类围岩地段，两帮收敛速率基本保持“快→慢”变化趋势，在前15 d时间内基本完成收敛过程，之后保持稳定状态，总收敛量为15 mm；在Ⅴ类围岩地段，两帮收敛速率基本保持“波动→快→慢”变化趋势，也是在15 d 时间内完成收敛过程，总收敛量为25 mm。隧洞两帮的收敛量相对于拱顶下沉量明显减小，也能说明本项目对于两帮支护效果良好[9]。

4 结语

通过对隧洞拱顶及两帮围岩位移量的监测结果进行分析，发现在支护结构相同的情况下围岩类型决定其位移量。本项目制定的支护方案能够把拱顶下沉量控制在35 mm以下、两帮位移量控制在25 mm以下，而且在整个施工过程中未发现局部垮塌和变形现象，说明该支护方案是合理的。但是，由于各地区围岩分布、种类、风化程度、完整性千差万别，因此还需根据现场情况灵活调整支护方案，做到经济适用。