隧道變形監(jiān)測方案

1、富水土質隧道圍巖變形監(jiān)測及其應用（中鐵建某集團山東）摘 要 本文以新松樹灣隧道為例，通過內空收斂和圍巖內部位移的量測，分析了富水土質隧道的圍巖變形規(guī)律，對類似工程施工有一定的參考價值。關鍵詞富水土質隧道圍巖變形隨著西部大開發(fā)的進行，對富水黃土地區(qū)的隧 道施工參數(shù)的測試和研究具有重要的意義。本文以 新松樹灣隧道為例進行探討。1工程概況新松樹灣隧道為既有松樹灣隧道復線的單線 鐵路隧道，位于甘肅省隴西縣境內大營梁，全長 1726m，復合襯砌。大營梁為黃土梁峁區(qū)，該隧道 范圍地層為上更新統(tǒng)風積粘質黃土和下、中更新統(tǒng) 沖、洪積雜色砂粘土。粘質黃土為淡黃色、棕黃色， 厚020m，土質較勻，具孔隙及蟲孔，局

2、部含白 色鈣絲及鈣質斑點，半干硬至硬塑，II級普通土， II類圍巖，a o=150kPa，具II級自重濕陷性。雜色 砂粘土主要表現(xiàn)為強崩解性，一定的膨脹性及含有 鹽堿成分。II級普通土，II類圍巖，a 0=200-250kPa （局部軟塑一流塑狀，I類松土，I類圍巖，a 0=100-120kPa）。大營梁地帶年平均降水量 513.3mm，隧道三面匯水，地下水較發(fā)育，系大氣 降水補給。地下水主要有上層滯水和裂隙水，前者 一般埋深1530m之間。多見有泉和滲水出露，水 量相對較大，隧道內日滲水量22-18m3/d.地下水 對混凝土具弱侵蝕性。經(jīng)調查，既有松樹灣隧道 （1960年建成）各地段有不同程

3、度的滲漏水現(xiàn)象。隧道滲水主要通過拱頂、邊墻接縫、排水溝孔、墻 角部位滲出，水對普通硅酸鹽水泥有侵蝕性。因此， 新松樹灣隧道采用曲墻有仰拱襯砌，除進口端I類 圍巖模筑襯砌，余均采用復合襯砌。初期支護為1 棉/m鋼格柵+鋼筋網(wǎng)+鋼筋錨桿噴錨。在施工中采 用新奧法分三臺階開挖。2量測項目根據(jù)現(xiàn)場情況，選取了八個量測斷面進行內空 收斂的測試；還選取了兩個斷面進行圍巖內部位移測試。內空收斂在開挖后馬上埋設測點，在12小 時內測取初始讀數(shù)，采用煤炭科學研究院生產(chǎn)的 JSS30型數(shù)顯收斂計量測。觀測斷面里程分別為1# 面DK1601-8.4, 2#面DK1601+6.4, 3#面一DK1601+21.9，4

4、#面DK1601+36.1，5#面一 DK1601+46.5，6#面DK1601+86.5，7#面一DK1601+122.5，8#面DK1601+172.7，其中 7#、8#面進行圍巖內部位移測試（圖1），每個斷面 各有六條內空收斂測線，即1-2、1-3、1-4、1-5、 2-3、4-5。圍巖內部位移采用煤炭科學研究院生產(chǎn) 的桿式多點位移計進行測量，這種位移計使用膨脹 木錨頭，具有安裝簡單，可靠等特點，每個鉆孔可 分別測量埋深1M，2M，4M處的圍巖與洞壁之間 的相對位移。圖1內空收斂及圍巖內部位移測點布置圖Fig.1 Arrangement of the convergences and i

5、nternaldisplacement of the wall rock3內空收斂量測通過測量結果計算各測線收斂累計值，同時計 算出各測線的位移速率。隧道周邊收斂按下式計算：U = R R收斂速率按下式計算：v.=a - r）m -1,1）其中，R0初始觀測值；R.第i次觀測值；v 第i次觀測時的收斂速率。 .為研究開挖面的影響，用下式計算觀測面與掌子面的距離。L=D-D。其中，L一觀測面與掌子面距離；D掌子面里程；D0觀測面里程。3.1內空收斂隨時間變化趨勢根據(jù)現(xiàn)場情況，根據(jù)初期支護形式將觀測面分 為兩組：1#5#面均為格柵鋼架支護，7#、8#面為 工字鋼型鋼鋼架支護。因篇幅所限，在兩組觀測

6、面 中各選取一個觀測面作為示例（圖2，圖3）。0246810經(jīng)過時間(d)1-21-32-31-5 4-5圖2 3#面內空收斂與時間關系曲線Fig.2 The curve of the convergences-time of 3th crosssection根據(jù)觀測曲線可見，隧道收斂隨時間變化而增 大，圖中收斂量的瞬間突跳，通常由開挖進尺向前 延伸引起；測值偶有下降，是圍巖組構中局部范圍 內的節(jié)理裂隙，瞬時出現(xiàn)較大變形的伴生現(xiàn)象。曲 線的幾何形狀可表示為連續(xù)的折線。通過分析，從 這些監(jiān)測數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)富含水土質隧道收斂有如 下變形規(guī)律：（1）每個監(jiān)測斷面內各測線收斂值差別較大，水 平測線收斂量

7、明顯大于其他測線，說明側墻朝向洞 內變形較大，這是由于隧道仰拱施工前，兩側墻墻 角受到的約束較小所致。cross section（2）隧道的收斂主要出現(xiàn)在開挖后的短期內。表 1為各測線第一天收斂與最大收斂量比值，可見第 一天內收斂量占各測線收斂量很大比重，要求初期 支護盡快進行，以約束變形。隧道開挖后的前兩三 天之內，隧道變形發(fā)展較快，之后收斂仍繼續(xù)增大， 沒有穩(wěn)定的趨勢。說明隧道圍巖具有一定的時間依 存性，在外荷載不變情況下，圍巖變形隨時間增加 而增大。另一方面與地下水滲透有關。隧道開挖后， 因地下水重新匯集，使圍巖的應力狀態(tài)和變形隨時 間而不斷變化，結果使隧道周圍可能出現(xiàn)一定范圍 的破壞區(qū)

8、（或松動區(qū)），破壞區(qū)內圍巖滲透系數(shù)增 大，導致圍巖變形增大，因此隧道變形趨于穩(wěn)定需 要較長時間。表1第一天收斂量與最大收斂量比值表Table 1 Ratio of the 1 stday of the convergences觀測面測線1-21-3231-4154-51#0.110.3970.3542#0.1540.3233#0.3230.490.6780.4090.2324#0.0510.2190.2410.2940.220.3085#0.3660.560.3990.4030.8780.121（3）在進行1#5#面觀測后，經(jīng)過一段時間，發(fā)生 初期支護向內變形侵線現(xiàn)象，經(jīng)分析為鋼格柵支護 變形

9、過大所致，據(jù)此變更支護形式，將支護改為工 字鋼型鋼拱架1棉/m支護，以增加支護剛度。通過 現(xiàn)場量測，變更收到了良好的效果。修改支護參數(shù) 后，內空收斂的規(guī)律相近，只是初期支護采用型鋼拱架，收斂值大為減小。根據(jù)變形曲線，各測線收 斂并非都是單調增大，主要是開挖順序影響；因采 用左右上下的分步開挖方式，左右土體不是同時開 挖，隧道變形也非對稱分布。3.2內空收斂與開挖面距離的關系為研究內空收斂與開挖面距離的關系，選取典 型數(shù)據(jù)做相關曲線（圖4）。40140120100-20-40m（ 值 斂 收1008060402006080距掌子面距離（m）1-21-31231-41-54-5圖4 7#面內空收斂

10、與掌子面距離關系曲線Fig.4 The curve of the convergences-distance of 7th cross section由曲線可見，觀測面與掌子面距離越遠，收斂 越大，因此時掌子面的約束隨離開距離的增大逐漸 減小，當掌子面離開一定距離（約30m），收斂變 化幅度趨緩而不穩(wěn)定，圍巖仍產(chǎn)生緩慢變形。根據(jù)隧道開挖進尺，大部分時間為3.3m/天, 當進尺增大為6.6m/天時，收斂一開挖面距離曲線 斜率增大，測線收斂有增大的趨勢。說明開挖進尺 對圍巖變形有一定影響。曲線有凸凹狀。根據(jù)施工記錄分析，曲線呈凹 陷部分為掌子面開挖過程，曲線凸出部分為掌子面 噴混凝土和打錨桿過程。

11、掌子面開挖過程中，因未 支護部分臨空時間短，變形較?。徽谱用鎳娀炷?和打錨桿過程中，開挖后的未支護圍巖臨空時間較 長，變形較大。從曲線和施工記錄還可看出，核心土開挖完成 后，14、15、45等位置靠下的測線收斂較大， 12、13、23等位于上部的測線收斂較小。可 見，核心土對拱腳等位置的變形影響較大。掌子面對觀測面的影響還體現(xiàn)在測線收斂的 不均勻性。當左馬口開挖施工后，14測線的變形 大于15測線的變形，而與1-4測線同側的12 測線的變形小于13測線變形。隧道有向馬口方 向略微傾斜的趨勢。因此，要注意上臺階土開挖完 成后的下一步施工程序。左右邊墻馬口交錯開挖， 同側馬口宜跳段開挖，不宜順開

12、。先開馬口長度不 能太長，并及時施做邊墻襯砌。后開馬口應待相臨 邊墻墻頂與拱腳混凝土達到一定強度后方可開挖， 以防止變形過大。3.3收斂速度與時間關系根據(jù)觀察，隧道開挖初期收斂速度較快，隨著 時間的增長，收斂速度逐漸變得穩(wěn)定。各測線收斂 速度逐漸接近，隧道變形均勻，未出現(xiàn)偏心現(xiàn)象?？傮w上觀測第一天測線的收斂速度最快，在三 天左右收斂速度穩(wěn)定。部分測線收斂速度曲線出現(xiàn) 峰值和波谷，根據(jù)施工記錄，此現(xiàn)象由開挖部位的 不同引起。如上臺階開挖后，23測線達到峰值； 而挖核心土后，45測線達到峰值。可見，本工程采用的分步開挖法較為合適，初 期支護應緊跟開挖面施做。3.4本工程現(xiàn)場情況探討因收斂測點的埋設

13、在隧道開挖后混凝土初噴 時進行，只能在初噴后量測測線。這樣，已經(jīng)將收 斂最大的階段忽略，故量測結果小于實際的內空收 斂值。因工程情況所限，收斂結果未與拱頂下沉共 同分析。故此量測結果無法反映各測線的絕對變形 大小。4圍巖內部位移量測圍巖內部各點的位移是圍巖動態(tài)表現(xiàn)。它不僅 反映圍巖內部的松弛程度，更能反映圍巖松弛范圍 的大小，這是判斷圍巖穩(wěn)定性的一個重要參考指 標?，F(xiàn)階段因各種測試手段受實際工程地質條件影 響較大，測點固定困難，國內此方面研究進行較少， 所得結果大多作為參考。在本工程中，采用煤炭科 學研究院研制的DW-3A型鉆孔多點位移計量測。 先向圍巖鉆孔，將此位移計埋入洞壁內部，在距離 洞

14、壁1m,2m,4m處用遇水膨脹軟木錨頭與周圍圍巖 固定，并與圍巖共同變形。用游標卡尺測量鉆孔內 （圍巖內部）各點相對于孔口（洞壁）一點的相對 位移。4.1圍巖內部位移隨時間變化趨勢由圖5、圖6可見，圍巖內部變形較小。比較 每個測點在圍巖內部4m、2m、1m不同深度的變形 大小，大致為同一測點圍巖內部4m處的變形值2m 處的變形值1處的變形值；比較每個觀測面上各測 點的變形值，發(fā)現(xiàn)4#、5#點變形值2#、3#點變形 值1#點變形值，即墻趾變形拱腳變形拱頂變形。將圍巖內部位移與內空收斂觀測結果進行比較，可 發(fā)現(xiàn)同一測線上孔口累計位移和與內空收斂觀測 結果基本一致，圍巖內部位移變形趨勢與內空收斂 變

15、化趨勢也基本一致。根據(jù)每個鉆孔的變形曲線， 未見滑動面產(chǎn)生，說明隧道圍巖是穩(wěn)定的。2#、3#， 4#、5#點4m處的內部位移之和與收斂值相近，說 明圍巖松動圈為此范圍。2005101520經(jīng)過時間（d）J 2#1m T2#2m 2#4m3#1m 3#2m 3#4m圖5 7#面2#、3#點圍巖內部位移與時間關系曲線Fig.5 The curve of the internal displacement of the wallrock-time of 7th cross section5結論（1）隧道開挖后，圍巖土及孔隙裂隙水失去支撐 環(huán)境，形成新的水力坡度，造成滲流，帶走部分土 顆粒，使黃土產(chǎn)生

16、崩解破壞作用。隨著水力坡度變 小，變形速度減小，即收斂先快后慢。隧道開挖后， 圍巖土體失去平衡狀態(tài)，應力重新調整，改變土體 顆粒流動方向，引起開挖面周圍一定范圍內土體產(chǎn) 生移動，即為松動圈。隧道收斂量測表明，隧道開 挖后發(fā)生明顯變形，且各方向收斂量差別較大，水 平測線收斂量明顯大于其他測線，說明兩個側墻朝 洞內變形較大，這可能與隧道高度大于跨度，仰拱 未及時澆筑，形成封閉支護等因素有關。（2）開挖后一周或更長時間后，隧道收斂仍無穩(wěn) 定趨勢，仍緩慢發(fā)展?？赡芘c洞壁面上地下水滲透 引起圍巖應力變化有關，也可能隧道圍巖具有一定 的時間依存性，即圍巖具有一定的蠕變特性。對此 應采取相應的工程措施。比如

17、加強噴射混凝土的質 量，防止圍巖中水的滲透，或加強初期支護剛度， 增加系統(tǒng)錨桿等。另外，開挖后及時施工仰拱，封 閉底板圍巖，或者在仰拱完成之前，盡可能減少施 工用水滲入底板。圖6 7#面4#、5#點圍巖內部位移與時間關系曲線 Fig.6 The curve of the internal displacement of the wall rock-time of 7th cross section（3）圍巖內部位移變形趨勢與內空收斂變化趨勢基本一致，說明本次測試比較成功和可靠，所得 結果對于類似工程具有一定的參考價值。參考文獻1于書翰隧道施工第1版北京人民交通出版社1999 年A MONITORING OF THE DEFORMATION OF THE WALL ROCKFOR TERRENE TUNNELS WITH RICH WATER AND ITS APPLICATION1Yanhan 1Qiaochunsheng 2Guanzhenxiang 1Chenhe(1 Northern Jiaotong University, 2 No. 3 Dept. of No.14 Engineering Bureau of CRCC)Abstract: With an example of XinSongShuWan tunnel, the paper intro