隧道变形监测方案

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1、富水土质隧道围岩变形监测及其应用（ 中铁建某集团山东）摘 要 本文以新松树湾隧道为例，通过内空收敛和围岩内部位移的量测，分析了富水土质隧道的围 岩变形规律，对类似工程施工有一定的参考价值。关键词 富水土质隧道 围岩变形随着西部大开发的进行，对富水黄土地区的隧 道施工参数的测试和研究具有重要的意义。本文以 新松树湾隧道为例进行探讨。1 工程概况新松树湾隧道为既有松树湾隧道复线的单线 铁路隧道，位于甘肃省陇西县境内大营梁，全长 1726m，复合衬砌。大营梁为黄土梁峁区，该隧道 范围地层为上更新统风积粘质黄土和下、中更新统 冲、洪积杂色砂粘土。粘质黄土为淡黄色、棕黄色， 厚020m, 土质较匀，具孔

2、隙及虫孔，局部含白 色钙丝及钙质斑点，半干硬至硬塑， II 级普通土， II类围岩，O 0=15OkPa，具II级自重湿陷性。杂色 砂粘土主要表现为强崩解性，一定的膨胀性及含有 盐碱成分。II级普通土，II类围岩，O o=2OO25OkPa （局部软塑流塑状， I 类松土， I 类围岩， O =100-120kPa）。 大营梁地带年平均降水量 513.3mm，隧道三面汇水，地下水较发育，系大气 降水补给。地下水主要有上层滞水和裂隙水，前者 一般埋深1530m之间。多见有泉和渗水出露，水 量相对较大，隧道内日渗水量 22-18m3/d. 地下水 对混凝土具弱侵蚀性。经调查，既有松树湾隧道 （19

3、60年建成）各地段有不同程度的渗漏水现象。 隧道渗水主要通过拱顶、边墙接缝、排水沟孔、墙 角部位渗出，水对普通硅酸盐水泥有侵蚀性。因此， 新松树湾隧道采用曲墙有仰拱衬砌，除进口端I类 围岩模筑衬砌，余均采用复合衬砌。初期支护为 1 榀/m钢格栅+钢筋网+钢筋锚杆喷锚。在施工中采 用新奥法分三台阶开挖。2 量测项目根据现场情况，选取了八个量测断面进行内空 收敛的测试；还选取了两个断面进行围岩内部位移测试。内空收敛在开挖后马上埋设测点，在 12 小 时内测取初始读数，采用煤炭科学研究院生产的 JSS30型数显收敛计量测。观测断面里程分别为1# 面DK1601-8.4, 2#面DK1601+6.4,

4、 3#面一DK1601+21.9, 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#面进行围岩内部位移测试（图1），每个断面 各有六条内空收敛测线，即 1-2、1-3、1-4、1-5、 2-3、4-5。围岩内部位移采用煤炭科学研究院生产 的杆式多点位移计进行测量，这种位移计使用膨胀 木锚头，具有安装简单，可靠等特点，每个钻孔可 分别测量埋深 1M， 2M， 4M 处的围岩与洞壁之间 的相对位移。图 1 内空收敛及围岩内部位移测点布置图Fig.1 Arrangement

5、of the convergences and internaldisplacement of the wall rock3 内空收敛量测通过测量结果计算各测线收敛累计值，同时计 算出各测线的位移速率。隧道周边收敛按下式计算：U 二 R - Ri i 0收敛速率按下式计算：12 i13 一2314 1545V =6 - R ）C-1 ）iii 1ii 1其中， R 初始观测值；0R 第 i 次观测值；iV 第 i 次观测时的收敛速率。i为研究开挖面的影响，用下式计算观测面与掌 子面的距离。L=D-D0其中，L观测面与掌子面距离；D掌子面里程；D观测面里程。3.1 内空收敛随时间变化趋势根据现场

6、情况，根据初期支护形式将观测面分 为两组：1#5#面均为格栅钢架支护， 7#、8#面为 工字钢型钢钢架支护。因篇幅所限，在两组观测面 中各选取一个观测面作为示例（图2，图 3）。经过时间（d） 1213 231545图 2 3# 面内空收敛与时间关系曲线Fig.2 The curve of the convergences-time of 3th crosssection根据观测曲线可见，隧道收敛随时间变化而增 大，图中收敛量的瞬间突跳，通常由开挖进尺向前 延伸引起；测值偶有下降，是围岩组构中局部范围 内的节理裂隙，瞬时出现较大变形的伴生现象。曲 线的几何形状可表示为连续的折线。通过分析，从

7、这些监测数据中可发现富含水土质隧道收敛有如 下变形规律：（1）每个监测断面内各测线收敛值差别较大，水 平测线收敛量明显大于其他测线，说明侧墙朝向洞 内变形较大，这是由于隧道仰拱施工前，两侧墙墙 角受到的约束较小所致。图 3 7# 面内空收敛与时间关系曲线Fig.3 The curve of the convergences-time of 7thcross section（2）隧道的收敛主要出现在开挖后的短期内。表 1 为各测线第一天收敛与最大收敛量比值，可见第 一天内收敛量占各测线收敛量很大比重，要求初期 支护尽快进行，以约束变形。隧道开挖后的前两三 天之内，隧道变形发展较快，之后收敛仍继续

8、增大， 没有稳定的趋势。说明隧道围岩具有一定的时间依 存性，在外荷载不变情况下，围岩变形随时间增加 而增大。另一方面与地下水渗透有关。隧道开挖后， 因地下水重新汇集，使围岩的应力状态和变形随时 间而不断变化，结果使隧道周围可能出现一定范围 的破坏区（或松动区），破坏区内围岩渗透系数增 大，导致围岩变形增大，因此隧道变形趋于稳定需 要较长时间。表 1 第一天收敛量与最大收敛量比值表Table 1 Ratio of the 1stday of the convergences观测面测线1-21-3231-4154-51#0.110.3970.3542#0.1540.3233#0.3230.490.

9、6780.4090.2324#0.0510.2190.2410.2940.220.3085#0.3660.560.3990.4030.8780.121（3）在进行 1#5#面观测后，经过一段时间，发生 初期支护向内变形侵线现象，经分析为钢格栅支护 变形过大所致，据此变更支护形式，将支护改为工字钢型钢拱架1榀/m支护，以增加支护刚度。通过 现场量测，变更收到了良好的效果。修改支护参数 后，内空收敛的规律相近，只是初期支护采用型钢 拱架，收敛值大为减小。根据变形曲线，各测线收 敛并非都是单调增大，主要是开挖顺序影响；因采 用左右上下的分步开挖方式，左右土体不是同时开 挖，隧道变形也非对称分布。3.

10、2 内空收敛与开挖面距离的关系为研究内空收敛与开挖面距离的关系，选取典型数据做相关曲线（图 4）。1-2 13i2314154-5图 4 7# 面内空收敛与掌子面距离关系曲线Fig.4 The curve of the convergences-distance of 7th cross section由曲线可见，观测面与掌子面距离越远，收敛 越大，因此时掌子面的约束随离开距离的增大逐渐 减小，当掌子面离开一定距离（约30m）,收敛变 化幅度趋缓而不稳定，围岩仍产生缓慢变形。根据隧道开挖进尺，大部分时间为3.3m/天， 当进尺增大为6.6m/天时，收敛一开挖面距离曲线 斜率增大，测线收敛有增大

11、的趋势。说明开挖进尺 对围岩变形有一定影响。曲线有凸凹状。根据施工记录分析，曲线呈凹 陷部分为掌子面开挖过程，曲线凸出部分为掌子面 喷混凝土和打锚杆过程。掌子面开挖过程中，因未 支护部分临空时间短，变形较小；掌子面喷混凝土 和打锚杆过程中，开挖后的未支护围岩临空时间较 长，变形较大。从曲线和施工记录还可看出，核心土开挖完成 后， 1一4、1一5、4一5 等位置靠下的测线收敛较大， 1一2、1一3、2一3 等位于上部的测线收敛较小。可 见，核心土对拱脚等位置的变形影响较大。掌子面对观测面的影响还体现在测线收敛的 不均匀性。当左马口开挖施工后， 1一4 测线的变形 大于 1一5测线的变形，而与1-

12、4测线同侧的1一2 测线的变形小于 1一3 测线变形。隧道有向马口方 向略微倾斜的趋势。因此，要注意上台阶土开挖完 成后的下一步施工程序。左右边墙马口交错开挖， 同侧马口宜跳段开挖，不宜顺开。先开马口长度不 能太长，并及时施做边墙衬砌。后开马口应待相临 边墙墙顶与拱脚混凝土达到一定强度后方可开挖， 以防止变形过大。3.3 收敛速度与时间关系根据观察，隧道开挖初期收敛速度较快，随着 时间的增长，收敛速度逐渐变得稳定。各测线收敛 速度逐渐接近，隧道变形均匀，未出现偏心现象。总体上观测第一天测线的收敛速度最快，在三 天左右收敛速度稳定。部分测线收敛速度曲线出现 峰值和波谷，根据施工记录，此现象由开挖

13、部位的 不同引起。如上台阶开挖后， 2一3 测线达到峰值； 而挖核心土后， 4一5 测线达到峰值。可见，本工程采用的分步开挖法较为合适，初 期支护应紧跟开挖面施做。3.4 本工程现场情况探讨 因收敛测点的埋设在隧道开挖后混凝土初喷时进行，只能在初喷后量测测线。这样，已经将收 敛最大的阶段忽略，故量测结果小于实际的内空收 敛值。因工程情况所限，收敛结果未与拱顶下沉共 同分析。故此量测结果无法反映各测线的绝对变形 大小。4 围岩内部位移量测围岩内部各点的位移是围岩动态表现。它不仅 反映围岩内部的松弛程度，更能反映围岩松弛范围 的大小，这是判断围岩稳定性的一个重要参考指 标。现阶段因各种测试手段受实

14、际工程地质条件影 响较大，测点固定困难，国内此方面研究进行较少， 所得结果大多作为参考。在本工程中，采用煤炭科 学研究院研制的 DW-3A 型钻孔多点位移计量测。 先向围岩钻孔，将此位移计埋入洞壁内部，在距离 洞壁 1m,2m,4m 处用遇水膨胀软木锚头与周围围岩 固定，并与围岩共同变形。用游标卡尺测量钻孔内 （围岩内部）各点相对于孔口（洞壁）一点的相对 位移。4.1 围岩内部位移随时间变化趋势由图 5、图 6 可见，围岩内部变形较小。比较 每个测点在围岩内部 4m、2m、1m 不同深度的变形 大小，大致为同一测点围岩内部4m处的变形值2m 处的变形值1 处的变形值；比较每个观测面上各测 点的

15、变形值，发现 4#、5#点变形值2#、3#点变形 值1#点变形值，即墙趾变形拱脚变形拱顶变形。 将围岩内部位移与内空收敛观测结果进行比较，可 发现同一测线上孔口累计位移和与内空收敛观测 结果基本一致，围岩内部位移变形趋势与内空收敛 变化趋势也基本一致。根据每个钻孔的变形曲线， 未见滑动面产生，说明隧道围岩是稳定的。2#、3#， 4#、5#点 4m 处的内部位移之和与收敛值相近，说 明围岩松动圈为此范围。2005101520经过时间（d）C_LL r.2#1m2#2m2#4m3#1m3#2m3#4m图 5 7# 面 2# 、 3# 点围岩内部位移与时间关系曲线 Fig.5 The curve of the internal displacement of the wall rock-time of 7th cross section5 结论（1）隧道开挖后，围岩土及孔隙裂隙水失去支撑 环境，形成新的