水工隧洞施工对围岩变形影响分析

陆 亮，王成华

(山东润泰水利工程有限公司，山东 泰安 271000)

0 引言

受施工过程围岩应力重分布的影响，隧道掘进过程中其围岩会产生一定的变形，严重影响结构稳定性，围岩的受力及变形特性对引水隧洞施工过程的稳定性及安全性影响显著，近年来，许多专家学者针对TBM掘进隧道的围岩变形及稳定性开展相关研究。

杨延栋[1]建立盾构隧道围岩稳定性评价模型，对盾构开挖过程中的隧道围岩稳定性进行分析，结果表明，该方法的识别准确性较高、应用范围较广。刘远程等人[2]以某盾构隧道工程为研究对象，开展回弹试验，分析施工过程中围岩的变形及强度特性，结果表明，盾构施工的前期，围岩的变形量较大。孙文君等人[3]以某隧道工程为研究对象，分析掘进方向对围岩水平变形的影响规律，结果表明，围岩变形与土石交界的倾角呈正相关关系。白伟等人[4]以某盾构隧道为研究对象，基于修正Peck公式，对隧道掘进施工过程中的地表沉降进行计算，结果表明，地表沉降与拱顶埋深间呈正相关关系。杨平等人[5]以某地铁工程为研究对象，建立其隧道三维数值分析模型，分析掘进过程中的变形规律，结果表明，隧道埋深为3D时，地表沉降有最小值。

本研究以某引水隧洞施工为研究对象，对施工过程的围岩变形进行监测，分析围岩变形规律及变形速度，提出具有针对性的隧洞围岩支护建议。

1 工程概况

以某引水隧洞为研究对象，工程建设内容包括引水、加压、输水等，工程输水线路总长34.97km，主要由取水口、引水隧洞、加压泵站、高位水池、输水隧洞、出水池、输水明渠和涵管、出口防洪闸等建筑物组成，输水隧洞施工难度最大、技术要求高，所穿地区破碎带多、多处低矮冲沟部位围岩风化程度高，岩体破碎，岩石强度低，成洞条件差，洞身极不稳定，掘进过程中多次遭遇较大破碎带，施工进度缓慢。取水口设计引水规模为20m3/s，引水管道长度约2.9km，加压泵站最大扬程43m，设计总装机10800kW，输水隧洞总长约27.58km，输水明渠总长3.67km，线路总长约34.15km。

2 引水隧洞围岩监测点布设

围岩的受力及变形特性对引水隧洞施工过程的稳定性及安全性影响显著，为分析引水隧洞掘进过程中围岩的变形规律，在隧洞顶部布设3个监测点，如图1所示。

图1 围岩监测点布设

选取该引水隧洞的K54+534～K45+702段进行监测，此段隧洞围岩的物理力学性质见表1。

表1 围岩的物理力学性质

隧道的围岩支护为Ⅳ类围岩支护体系，支护参数见表2。施工掘进过程中，隧道上部的围岩变形有最大值，对于拱顶变形监测(H点)，监测点布设间距为5m，围岩两侧的变形较小(A点、B点)，监测点布设间距为20m。

表2 支护参数

3 围岩变形规律

根据引水隧洞围岩监测点的布设情况，选取4个断面(K45+701.92、K45+681.48、K45+669.74、K45+638.50)对A点、B点的围岩变形进行监测，断面1的围岩变形曲线如图2所示。

图2 A点、B点断面1的围岩变形曲线

由图2可知，随着施工过程的进行，A点、B点的围岩累计变形逐渐增大，说明施工过程会影响隧道围岩的变形情况，其中，A点的累计变形量大于B点，在施工的前期，二者间的累计变形差距较小，随着施工过程的进行，二者间的差距逐渐增大，累计时间为70h时，A点、B点的围岩累计变形差距为5.5mm，随后二者间的围岩累计变形差距逐渐趋于稳定，说明引水隧洞的围岩变形具有不对称性，变形以隧洞右侧为主。分析监测点的围岩变形速度可得，引水隧洞的围岩变形主要分为3个阶段，当时间为0～30h时，A点、B点的围岩变形速度较快，与累计时间呈正相关关系，时间为30h时，A点、B点变形速度有最大值，分别为24.7、12.9mm/d；累计时间为30～70h时，A点、B点的变形速度与累计时间呈负相关关系，此时引水隧洞的围岩变形速度逐渐减缓；时间大于70h时，A点、B点的变形速度差距较小，变形速度的变化趋势较为平缓，保持在2～2.5mm/d，说明施工的前期，施工过程对于引水隧洞围岩变形的影响较大，随着施工过程的进行，围岩变形逐渐趋于平缓。综合分析可得，引水隧洞的围岩变形主要分为3个阶段，分别为急剧变形阶段、快速变形阶段、缓慢变形阶段。

断面2的A点、B点围岩变形曲线如图3所示。

图3 A点、B点断面2的围岩变形曲线

由图3可知，该断面的围岩变形规律与断面1具有一致性，引水隧洞的围岩变形主要分为急剧变形阶段、快速变形阶段、缓慢变形阶段；随着累计时间的增大，A点、B点的围岩累计变形逐渐增大，施工前期，围岩变形增长较快，随着施工过程的进行，围岩变形增长趋势逐渐趋于平缓，A点的围岩累计变形小于B点，该断面的围岩变形以右侧为主。对比两个断面的最大累计变形可得，断面1的最大围岩累计变形小于断面2，说明不同断面位置的围岩变形情况存在一定的差异性。

断面3的A点、B点围岩变形曲线如图4所示。

图4 A点、B点断面3的围岩变形曲线

由图4可知，随着累计时间的增大，A点、B点的累计变形存在一定的波动性，累计时间大于70h时，引水隧洞的累计变形变化趋势较为平缓，变形波动范围在1mm以内。在施工前期，A点、B点的累计变形速度增长显著，二者间的差异较为明显，累计时间为30h，二者间的变形速度差值有最大值，为1.2mm/d，随着时间的增大，二者间的变形差异逐渐减小。累计时间为270mm时，B点的累计变形有最大值，为7mm，远小于截面1与截面2的最大累计变形，说明此处的围岩受力及变形情况与其余断面存在差异性[6-7]。

断面4的A点、B点围岩变形曲线如图5所示。

图5 A点、B点断面4的围岩变形曲线

由图5可知，该断面的围岩变形规律与其余断面具有一致性，随着累计时间的增大，A点、B点的围岩累计变形逐渐增大，施工前期，变形增长速度较快，随着时间的增大，当时间大于70d时，A点、B点的围岩累计变形逐渐趋于平缓，二者间的围岩变形差值约为5.2mm。综合以上分析可得，不同断面的围岩变形规律具有一致性，在施工过程中，A点、B点的围岩变形主要分别为急剧变形阶段、快速变形阶段、缓慢变形阶段。处于急剧变形阶段时，引水隧洞围岩的变形增长趋势显著，该阶段的累计时间较短，这一阶段为引水隧洞施工的前期，此时隧洞开挖导致其围岩受力情况发生变化，导致引水隧洞的变形较为剧烈，为减少该阶段的变形，可采用锚杆、钢筋挂网等支护措施。处于快速变形阶段时，引水隧洞的变形速率逐渐减小，此时，随着施工过程的进行，围岩的受力情况逐渐稳定，施工前期所采用的支护措施效果良好，可有效抑制围岩变形的发展情况，此阶段，可采取喷射混凝土层的方案，进一步控制引水隧洞施工过程中的围岩变形。处于缓慢变形阶段时，引水隧洞围岩的变形逐渐趋于平缓，为围岩变形的末期，此阶段应持续对围岩变形进行监测，发现变形异常立即采用喷射混凝土措施进行加固。

根据引水隧洞围岩监测点的布设情况，选取8个截面(K45+585.9、K45+579.8、K45+573.2、K45+567.1、K45+561.3、K45+555.8、K45+551.3、K45+547.8)对H点的围岩变形进行监测，围岩变形曲线如图6所示。

由图6可知，除断面1外，各断面的围岩变形规律具有一致性，累计变形与时间呈正相关关系，其中，截面8的围岩累计变形有最大值，截面3的围岩累计变形有最小值；而截面1的围岩累计变形呈先增大后减小再增大的趋势。对比A点、B点与H点的围岩累计变形可得，H点的围岩变形与A点、B点的变形具有一致性，施工的前期，其围岩变形增长趋势显著，随着时间的增大，围岩累计变形逐渐趋于平缓，H点的围岩变形也可分为急剧变形阶段、快速变形阶段、缓慢变形阶段，可根据不同阶段的围岩变形特征，采取不同的围岩支护方案，以控制引水隧洞施工过程中的围岩变形。

4 结论

本文以某引水隧洞TBM施工为研究对象，对隧洞施工过程中围岩变形进行监测，分析围岩变形规律。结果表明本隧洞围岩变形总体分急剧变形阶段、快速变形阶段和缓慢变形3个阶段。急剧变形阶段时围岩变形增长趋势显著，隧洞开挖导致围岩受力情况发生变化，可采用锚杆、钢筋挂网等支护措施；快速变形阶段时围岩变形速率逐渐减小，施工前期所采用的支护措施效果良好，可采取喷射混凝土措施控制围岩变形；缓慢变形阶段时围岩变形速率逐渐趋于平缓，应持续对引水隧洞的围岩变形进行监测，对于变形异常的部位，及时采取加固措施。受监测断面及监测点数量限制，研究结果尚需要更多监测数据验证。