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施工监控及地质雷达技术
在软弱偏压隧道施工中的应用

摘 要
近年来, 中国建设了大量铁路、 公路隧道。在修建过程中当隧道位于软弱、 破碎段时, 隧道围岩具有稳定性差、 形变复杂等特点, 常形成软弱围岩大变形、 流变等地质灾害, 往往成为整条隧道的薄弱环节和难题。因此, 对软弱围岩变形特征及其控制措施研究是当前急需解决的问题。
为此, 本文以怀通高速隧道软弱围岩隧道为研究对象, 依据隧道施工监控量测数据, 分析和总结了软弱围岩变形特征, 并运用弹塑性有限元法分别对软弱围岩隧道不同开挖方式及施工过程中围岩、 支护结构力学效应进行数值模拟研究, 总结和论证了软弱围岩隧道支护措施和方法, 主要研究成果有:
( 1) 重点研究了隧道典型断面的围岩变形～时间变化曲线、 围岩变形～空间变化曲线的特点及规律, 对围岩变形时间效应和空间效应进行分析, 得出怀通高速隧道软弱围岩变形特征: 隧道周边水平收敛值比拱顶沉降变形量大; 软弱围岩大变形阶段表现为变形量大, 拱顶偏压, 围岩受到剪胀挤出, 造成支护结构严重破损; Ⅳ级、 Ⅴ级围岩一般在埋设测点后经历一个月后趋于稳定, 而大变形段可达数月之久; 各断面围岩变形～时间变化曲线主要有抛物线型和似阶梯形两种变化型式; 各断面围岩变形～空间变化曲线则主要表现为抛物线型和似阶梯形型, 怀通高速隧道围岩变形空间效应显著。( 2) 大变形, 变形量级较普通围岩变形大的多; 具有初期变形发展快, 变形增长持续时间长, 受到施工影响, 变形呈现阶段性增减等特点。( 3) 施工现场观察衬砌混凝土开裂、 剥落, 错台严重, 说明围岩发生明显剪切膨胀, 从而导致衬砌破坏。( 4) 围岩变形与支护结构相互作用。软弱围岩在隧道开挖后, 初期变形量过大, 而支护结构刚度相对较弱, 导致喷射混凝土层变位大, 发生整体沉降, 这是软弱围岩大变形的前提。
对各级围岩条件下各测试元件结果做出了整理, 并对正团冲隧道建立了二维平面及三维计算模型, 模拟了隧道施工力学行为, 主要得出了以下的结论: ( 1) IV～V级围岩中, 钢支撑承受了很大的荷载, 钢支撑在混凝土强度尚未完全形成时发挥重要作用, 提高了支护结构的整体强度, 起到了很好的支护效果。后期施作二衬混凝土时, 钢支撑内力均有不同程度的减小, 说明二衬分担了初期支护结构的部分应力, 初期支护中, 钢支撑的支护作用比较明显, 对于破碎围岩来说, 施作钢支撑是很有必要的, 起到了很好的支护作用。( 2) 隧道上台阶开挖后由于部分初始应力得到释放, 边墙两侧出现了应力集中现象, 围岩塑性范围小, 但应力值大, 在施加初期支护后地应力完全释放, 由围岩和支护共同承担应力, 拱腰应力圈变化均匀, 应力集中现象得到了很大的改进。( 3) 初期支护最大应力出现在隧道底部, 且越远离开挖面数值越大, 拱脚处有应力集中现象, 这要求在施工过程中特别注意围岩开挖的轮廓以及锚杆特别是锁脚锚杆的施工时间和质量。应及时施做仰拱, 尽早使衬砌闭合, 如果不及时施做, 围岩经过自身的应力调整, 荷载会传递给隧道上部衬砌结构, 使衬砌结构承受更大的荷载。( 4) 隧道拱顶、 拱底和两侧边墙均承受一定的拉压应力, 在施工过程中要保证喷混凝土密实, 钢拱架与围岩紧密接触, 钢拱架纵向有联系构件, 底脚要牢固。特别注意围岩开挖的轮廓以及锚杆特别是锁脚锚杆的施工时间和质量。应及时施做仰拱, 尽早使衬砌闭合。( 5) 隧道大面积开挖后, 前方掌子面拉应力较大。采用此方法进行施工应循环施工, 在掌子面前方预留一部分核心土阻止前方掌子面失稳。( 6) 计算和实测的支护内力均较小, 设计选取的支护参数满足要求, 并有一定的安全储备。
对怀通高速公路隧道进行了地质雷达超前预报, 探明了该段地层岩性分布, 并就超前地质预报结果并根据地质雷达图像的波形特征和频率、 振幅、 相位以及电磁波能量吸收情况等细节特征的变化规律来建立与各种典型地质现象的对应关系。

关键词: 隧道 软弱围岩 空间效应 时间效应 变形特征 数值模拟 地质雷达

目 录
摘 要 II
第一章 绪论 1
1.1工程背景 1
1.1.1工程地质条件 1
1.1.2 隧道主体工程 3
1.2选题依据 4
1.3主要内容及研究意义 5
1.3.1研究内容 5
1.3.2研究意义 6
第二章 施工监控量测在软弱偏压隧道中的应用 7
2.1隧道监控量测技术与方法 7
2.1.1隧道施工监控量测内容 7
2.1.2监控量测目的 8
2.1.3监测断面间距 9
2.1.4 数据的处理 9
2.2软弱围岩隧道变形特征分析 10
2.2.1正团冲隧道围岩变形的时间效应分析 11
2.2.2正团冲隧道围岩变形空间效应分析 18
2.2.3燕子湾隧道软弱偏压围岩大变形监测分析 21
2.3 施工监控量测技术在软弱偏压围岩隧道进洞阶段中的应用 26
2.3.1 监控量测及施工措施 26
2.3.2 隧道洞口施工总结 30
2.4影响软弱围岩变形的主要因素 31
2.5本章小结 33
第三章 隧道软弱偏压围岩稳定性分析 35
3.1 影响软弱围岩隧道稳定的因素 35
3.1.1 影响软弱围岩隧道稳定的因素 35
3.1.2 影响正团冲隧道稳定的因素 38
3.2 现场测试及结果分析 38
3.2.1测试目的 38
3.2.2测试内容与方法 39
3.2.3测试结果分析 41
3.3正团冲隧道施工工法的二维数值分析 46
3.3.1 计算方法和计算模型 46
3.3.2 围岩位移场应力场分析 47
3.3.3锚杆受力分析 50
3.3.4初期支护受力分析 51
3.4 软弱围岩条件下隧道三维数值模拟 52
3.4.1 计算方法和计算模型 52
3.4.2 应力场分析 55
3.5 本章小结 65
第四章 地质雷达技术在软弱围岩隧道的应用研究 66
4.1 隧道地质超前预报概述 66
4.1.1 地质超前预报意义及目的 66
4.1.2 地质超前预报内容 66
4.1.3 地质超前预报常见方法 67
4.2 地质雷达探测法简介 67
4.2.1 地质雷达工作原理 67
4.2.2 地质雷达探测技术要求 70
4.2.3 雷达图像的判读 71
4.3 怀通高速隧道地质雷达探测实例 73
4.3.1 测线布置方式选择 73
4.3.2 天线频率的选择 73
4.3.3 信号触发方式选择 73
4.3.4 超前预报测试成果分析 74
4.4 本章小结 79
第五章 结 论 80

第一章 绪论
1.1工程背景
怀通高速公路是国家高速公路网包茂线的重要组成部分, 也是湖南省”五纵七横”高速公路网规划中的第5纵, 北接邵怀高速竹田枢纽互通, 同时连通吉怀高速; 南接广西龙胜县, 与拟建的广西省桂林至三江高速公路相连。起于怀化市以南的邵怀高速竹田互通, 向南经中方县, 洪江市、 会同县、 靖州县、 绥宁县、 通道县进入广西境内。主线全长197.638km, 主线采用双向四车道高速公路标准。
全线共计隧道35座, 合计单洞长44157.303m, 其中最长隧道为K108+355～K110+962处的鱼梁坝隧道, 单洞长度达到4207m。隧道分布分散, 地质构造及地层岩性复杂, 涉及23个土建施工单位, 施工组织难度大。
沿线地形属云贵高原向江南丘陵的过渡地带, 路线分布狭长的丘岗盆地区, 路线布置受地形限制较多。区内多为砂质板岩地区, 断层、 软弱夹层, 破碎地层、 节理密集带、 富水裂隙带广泛分布, 影响隧道的稳定性, 特别是隧道进出洞口。
1.1.1工程地质条件
( 1) 地层岩性
隧址区出露、 揭露的地层有: 新生界第四系残坡积层( Qel+dl) , 古生界寒武系无量山群第四段( ∈wl4) , 隧道进口冲沟分布第四系冲洪积( Qal+pl) 。
1) 第四系残坡积层( Qel+dl) : 分布于斜坡表层, 岩性为黄灰色、 黄褐色、 紫褐色碎石土, 结构疏松, 呈散体结构, 粘性土、 砂土充填。分布不均, 局部呈含碎石( 角砾) 粉质粘土。隧道进出口堆积厚度3～5m。
2) 第四系冲洪积层( Qal+pl) : 分布于隧道进口及冲沟内, 岩性为碎石土、 砂砾石土, 黄褐色、 浅灰色, 松散～稍密, 局部间夹粘性土透镜体, 厚度2～5m。
3) 第四系人工填土层( Q4me) : 分布于隧址区斜坡坡面, 岩性为碎石土, 黄褐色, 松散, 为采石场弃土, 厚约3～5m。
4) 寒武系第四段( ∈wl4) : 分布于隧道进出口坡面第四系土层之下及隧道洞身, 为一套浅～中等变质岩。岩性为钙质、 砂质板岩, 局部夹炭质板岩、 片岩, 其间含石英脉及团块, 板状、 片状构造。受构造影响, 岩石揉皱强烈, 节理裂隙发育, 层理发育, 呈薄层～中层状, 层状岩石沿板理面易剥离呈片状。岩体完整性差, 风化强烈, 呈碎石～碎块状。据钻孔揭露, 强风化岩层厚50～65m。
( 2) 地质构造
区内构造类型为断裂、 褶皱和新构造运动, 隧址区构造类型为新构造运动, 其主要表现形式为河流、 冲沟深切割。岩层中揉皱现象常见, 层间差异风化显著, 岩体破碎, 风化强烈, 节理、 板理发育。岩层倾向330°～10°, 倾角20°～36°, 局部8°～20°, 主要发育三组陡倾角节理, 形成区内的陡崖面、 陡坡面, 节理分述如下:
1) 走向168°～183°, 倾向78°～93°, 倾角70°～89°, 节理延伸长1～3m, 呈微张状, 张开宽2～20mm, 无充填或有少许钙质、 泥质充填, 密度2～3条/m。
2) 走向243°～263°, 倾向153°～173°, 倾角70°～85°, 延伸长3～5m, 张开2～15mm, 局部15～25mm, 无充填或少许钙质、 泥质充填, 密度3～4条/m。
3) 走向283°～310°, 倾向193°～220°, 倾角65°～85°, 延伸长3～5m, 张开2～20mm, 无充填或有少许钙质、 泥质半充填, 密度2～4条/m。
以上节理与层面相互错切, 将岩体切割成碎石状、 碎块状。
隧址区总体构造环境相对稳定, 构造对隧址区影响相对较小, 区域稳定性相对较好。
( 3) 水文地质特征
地下水主要为第四系松散岩类孔隙水及变质岩基岩裂隙水。第四系松散岩类孔隙水赋存于第四系残坡积( Qel+dl) 碎石土和第四系冲洪积碎石、 砂砾石中, 接受降水、 沟水的补给, 富水性贫乏, 呈上层滞水的形式存在。
基岩裂隙水赋存于山群板岩( ∈wl4) 强风化岩石及基岩裂隙中, 接受降水、 沟水和上覆松散岩类孔隙水的补给, 富水性中等, 泉水流量0.79～1.25L/S, 地下径流模数1.0～2.0S/L.km2。钻孔揭露地下水埋深10.72～17.50m。据区域水质分析资料, 地下水化学类型为HCO3-—Ca2+型, 对砼不具腐蚀性。
1.1.2 隧道主体工程
( 1) 隧道横断面设计
隧道内轮廓设计横断面组成为: ( 0.75+0.5+4.0×2+0.5+0.75) m=10.5m, 行车道限高5.0m; 考虑对结构受力有利及便于施工, 衬砌断面内轮廓采用单心圆方案。隧道净空、 横断面组成除满足行车净空要求外, 还考虑到通风、 照明、 消防及其它运营管理设施所需空间。
( 2) 应急停车带横断面设计:
应急停车带限界宽度组成: 0.75+0.5+4.0×2+3.5+0.75, 限界高度5.0m, 采用三心圆断面。隧道考虑设置宽3.5m( 包括硬路肩) , 长40m的应急停车带, 间距不大于750m。本项目隧道按二级公路标准设计, 考虑到洞内行车方向为双向行驶, 故隧道应急停车带间隔布设在隧道行车道两侧, 设置间距控制在750m以内。
( 3) 衬砌结构设计
隧道衬砌结构除洞口段结合地形、 地质条件设置明洞衬砌, 采用明挖法外, 隧道洞内其余段落均按新奥法原理进行设计, 设计中采用柔性支护体系的复合式衬砌结构, 即以锚杆、 钢筋网、 喷射混凝土、 钢格栅等共同组成初期支护体系, 并根据地层、 地质条件在设计时采用了小导管超前预加固措施。这种衬砌支护既能充分发挥围岩的自身承载能力, 使其与衬砌达到共同受力, 以便达到减薄衬砌厚度的目的; 又能有利于保证施工安全、 便于机械化快速施工、 提高隧道衬砌的抗震性与防水效果。二次衬砌采用模筑混凝土。在初期支护与二次衬砌支护之间敷设土工布加EVA防水卷材作为隔水层, 防止围岩水渗入隧道内。衬砌结构设计方案采用工程类比法, 并进行了有限元数值模拟计算进行了校核, 确定了支护的衬砌模式。在施工过程中应经过现场围岩监控分析及地质超前预报, 对设计的参数作进一步优化、 调整。
本课题主要以正团冲隧道和燕子湾隧道为例, 对隧道施工监控和地质雷达地质预报技术在施工中的应用进行说明。
( 1) 正团冲隧道为新建高速公路控制性工程, 左右幅分离, 单洞长度3651米, 于 底开工建设。项目沿线地形属云贵高原向江南丘陵过渡的湘西南地带, 区内多为砂质板岩地区, 断层、 软弱夹层, 破碎地层、 节理密集带、 富水裂隙带广泛分布。
地质调查表明, 隧道右洞出口端处于山坳出口, 隧址严重偏压, 右侧地表平缓, 约800㎡水田, 常年有小溪状流水, 表层为残坡积种植土, 植被发育, 砂漏层。春夏属湘西南地区雨季, 阵雨、 暴雨随时而至, 降水在地表漫流渗入, 下有浸泡围岩使得围岩泥化, 软弱, 岩体抗剪强度大大降低, 增大衬砌压力, 严重影响洞口边坡和隧道围岩的安全和稳定。
根据设计, 隧道右洞出口端按V级围岩施工, 施工参数为S5a: 初期支护采用C20喷射混凝土, 厚24cm, 18型工字钢闭合环, 间距75cm, 超前小导管16环, D25注浆锚杆, 长3m, 0.75×1.00m布置; 二衬厚度45cm, C25钢筋混凝土结构。明洞交接桩号YK117+796。
( 2) 燕子湾隧道为左右洞分离小近距隧道, 左线起讫里程K103+852～K104+185, 全长333m, 右线起讫里程K103+850～YK104+160, 全长310m。洞口覆盖第四系残积土, 植被发育; 洞口埋深浅, 强～全风化砂质板岩, 黄褐色, 松散状结构, 完整性差, V级围岩; 右洞出口端偏压较严重。下伏基岩为砂质板岩, 穿过岩层为Ⅳ级、 Ⅴ级围岩。地下水主要为基岩裂隙水。
1.2选题依据
近年来, 随着国家社会经济实力的增强和区域经济发展的需要, 陆上交通增长十分迅猛, 原有的交通体系越来越不能满足使用要求。为了缓解各类交通设施超负荷运转, 交通事故、 交通阻塞和交通公害频发等巫待解决的问题, 改革开放以来, 中国将交通运输列为国民经济发展的战略重点之一, 规划和建设了一大批铁路、 公路运输体系。在这些交通运输体系中, 逐渐摒弃了山岭地区盘山公路, 而是采用大量隧道工程穿越山岭, 跨越江河海湾。当前, 中国已先后修建数量众多的铁路隧道、 公路隧道。
伴随中国加强公路基础设施建设投入力度和当前阶段中国经济发展的需要, 长大公路隧道的建设在中国进入了新的高峰。例如, 被称为亚洲第二特长公路隧道的甘肃省宝(鸡)天(水)高速公路大坪里特长隧道(12KM)、 湖北省最长公路隧道沪蓉西高速公路龙潭隧道(8.7KM)、 四川大省雅安至西昌高速公路泥巴山特长隧道 (8KM)等一大批在建、 拟建特长隧道项目在全国各地不断涌现。 12月开工建设的武汉长江隧道总长3.6公里, 是中国首条开工建设的水底隧道工程, 其东线于 1月胜利贯通;厦门翔安海底隧道于 4月开工建设, 隧道全长约9公里, 其中跨海主体工程长约6公里, 是中国大陆第一条海底隧道。这些建造难度相对较大的长大隧道工程相继开工建设和贯通标志着中国隧道工程建设历史上新的里程碑。
在中国隧道建设取得举世瞩目的成绩同时, 建设过程中遇到的各种问题也不容忽视。在修建公路、 铁路隧道中, 当隧道位于软弱破碎带时, 隧道围岩具有稳定性差、 受力复杂等特点, 常形成软弱围岩大变形、 流变等地质灾害, 是整条隧道的薄弱环节, 处理稍不得当, 就会导致耗费大量人力、 物力, 拖延工期, 给工程建设造成极大的困难。如鹤鸽山公路隧道, 其围岩岩体硬度小、 膨胀率高, 易风化, 围岩变形主要发生在初期支护完成后, 变形量大, 持续时间长。往往表现为初支混凝土开裂, 钢拱架扭曲变形, 局部侵入隧道限界, 最大可达300~, 甚至将初期支护整体破坏, 产生大规模塌方。南昆线家竹管铁路隧道长390m的围岩大变形洞段, 拱顶发生 240cm的下沉, 边墙内移 160cm, 底鼓 80~100cm;支护结构严重变形, 侵入隧道限界, 致使上半断面高度缩小到不足lm。工期延误达四个半月之久, 据计算整治消耗自进式锚杆10万余米, 如果将所有整治费用加在一起, 损失十分惊人。可见, 如何控制软弱围岩变形发展及制定合理支护方案、 准确的地质超前预报成为困扰地下工程界的一个重大问题。
1.3主要内容及研究意义
1.3.1研究内容
为此, 本报告依托怀通高速隧道的建设实践, 项目组在隧道施工现场, 利用各种设备和量测元件, 对怀通高速隧道施工过程进行监控, 并现场测量了隧道拱顶沉降和拱腰水平收敛。以隧道现场实测数据为基础, 对怀通高速隧道软弱围岩变形特征进行总结;在此基础上, 经过弹塑性有限元法和有限差分法进行数值模拟, 对怀通高速隧道软弱围岩段不同开挖方式及洞身软弱围岩段施工力学效应加以分析, 结合现场实测数据进行对比, 以检验、 分析结果的合理性; 最后, 并对其控制措施进行分析研究。经过大量的超前地质雷达预报工作, 我们积累了较为丰富的现场资料, 并根据地质雷达图像的波形特征和频率、 振幅、 相位以及电磁波能量吸收情况等细节特征的变化规律来建立与各种典型地质现象的对应关系。
1.3.2研究意义
怀通高速隧道岩层层间结合较差, 隧道拱部围岩容易失稳, 隧道围岩为Ⅳ级为主, 局部为Ⅴ级软弱围岩。地层地质复杂, 对其软弱围岩段如处治不当则会危及该隧道的正常施工建设和安全运营。因此有必要围绕该隧道围岩变形特征与合理工程控制措施问题进行研究, 有针对性地开展科研工作, 从而指导施工实践、 反馈分析设计参数的合理性。
第二章 施工监控量测在软弱偏压隧道中的应用
在隧道的开挖过程中, 随着开挖面的向前推进和时间的推移, 隧道围岩变形
不断发展, 这就是一般所说的围岩变形特征。对这一特性的研究, 有助于我们掌
握围岩的变形规律, 确定二次衬砌合理施作时机, 为设计、 施工提供参考和依据。
本章结合怀通高速公路正团冲隧道和燕子湾隧道的监控量测资料, 首先介绍了隧道监控量测的技术与方法, 运用相关围岩变形特性分析方法和技巧, 对围岩变形～时间变化曲线、 围岩变形～空间变化曲线的特点及规律进行分析, 以期找出其中的一些变形特征和规律, 为以后的相关研究提供参考。
2.1隧道监控量测技术与方法
2.1.1隧道施工监控量测内容
监测的项目和具体内容按《公路隧道施工技术规范》要求拟定, 监测的频率、 采集的次数均不少于”规范” 的规定。
本项目主要开展的监测实施项目如表2.1:
表2.1 监测实施项目表
序号
监测项目
方法及工具
测点布置
监测间隔时间
1～15d
16d~1个月
1～3个月
大于3个月
1
地质及支护状态观察
地质素描; 地质罗盘、 地质锤; 相机
开挖后及初期支护后进行
原则上每天1次
2
周边位移
收敛计
每10～50m一个断面, 每断面2～3对测点。
1～2次/天
1次/2天
1～2次/周
1～3次/月
3
拱顶下沉
水平仪、 水准仪、 钢尺或测杆
每10～50m一个断面
4
锚杆轴力及抗拔力
电测锚杆测力计及拉拔器
锚杆轴力每座隧道不同围岩类别设1个监测断面, 每个断面设3～5根锚杆测力计。
锚杆抗拔力每10m, 一个断面, 每个断面至少做三根锚杆。
5
洞口浅埋段地表下沉
水平仪、 水准尺
洞口和浅埋段每5～50m一个断面, 每断面至少7个测点, 每隧道至少1个断面; 中线每5～20m一个测点。
开挖面距监测断面前后＜2B时, 1～2次/天
开挖面距监测断面前后＜5B时, 1次/2天
开挖面距监测断面前后＞5B时, 1次/周
6
开挖轮廓测量
激光断面仪
1个断面/20m
开挖后初支前
7
围岩体内位移( 洞内设点)
洞内钻孔中安设多点位移计
每5～100m一个断面, 每断面3～5个多点位移计。
1～2次/天
1次/2天
1～2次/周
1～3次/月
8
围岩内位移( 地表设点) 、 土体侧向变形( 有偏压的洞口段)
地面钻孔中分层沉降仪和测斜仪
洞口和浅埋段设1～2个断面, 每断面2个钻孔, 钻孔位置设于隧道中线。
同地表沉降要求
9
围岩压力及两层支护间压力
压力盒
每代表性地段一个断面, 每断面设5～7个测点。
1～2次/天
1次/2天
1～2次/周
1～3次/月
10
钢支撑内力
钢筋应力计
每代表性地段一个断面, 每断面设5～7个测点。
11
初衬、 二衬砼应力、 裂隙
混凝土应变计、 测缝计
每代表性地段一个断面, 每断面设5～7个测点。
12
渗透水压力
渗压计
每代表性地段一个断面, 每断面设2～4个测点。

2.1.2监控量测目的
在隧道施工期间实施监测, 引入监测制度, 是加强工程安全质量管理, 防止重大事故发生的有力措施。经过监测工作提供及时、 可靠的信息用以评定隧道工程在施工期间的安全性, 并对可能发生危及安全的隐患或事故及时、 准确地预报, 以便及时采取有效措施, 避免事故的发生的同时指导设计和施工, 实现”动态设计、 动态施工”的根本目的。
本项目隧道按锚喷构筑法原理, 鉴于隧道地质构造及地层岩性复杂, 为了保证隧道施工的安全和顺利进行, 掌握围岩和支护的动态信息; 使结构既安全, 满足其使用要求, 又经济合理; 在不良地质、 突水、 洞口浅埋等及有特殊要求的停车通道交叉地段或业主及监理认为有必要监控的地段设置监控量测断面, 进行全面系统的监控量测。
( 1) 掌握围岩动态和支护结构的工作动态, 利用量测结果修改设计, 指导施工;
( 2) 预见事故和险情, 以便及时采取措施, 防范于未然;
( 3) 积累资料, 为以后的工程设计、 施工提供经验;
( 4) 为确定隧道安全提供可靠的信息;
( 5) 量测数据经分析处理与必要的计算的判断后, 进行预测和反馈, 以保证施工安全和隧道稳定。
2.1.3监测断面间距
拱顶沉降和水平收敛量测断面的间距为:Ⅲ级以下围岩不大于40m;Ⅳ级围岩不大于30m; Ⅴ级围岩应小于20m。围岩变化处适当加密, 在各级围岩的起始地段增设拱顶沉降测点1～3个, 水平收敛1～2对。当发生较大涌水时, Ⅳ、 Ⅴ级围岩量测断面的间距应缩小至5～10m。
2.1.4 数据的处理
( 1) 根据量测结果进行综合判断, 确定变形管理等级, 据以指导施工。变形管理等级见表2.2。
表2.2 监测管理等级
管理等级
管理量
施工状态
Ⅲ
UO＜( Ut/3)
可正常施工
Ⅱ
( Ut/3) ＜UO＜( 2Ut/3)
应加强监测
Ⅰ
UO＞( 2Ut/3)
预警、 应采取特殊措施
注: UO为实测值, Ut为最大允许值。
( 2) 由于偶然误差的影响而具有离散性, 根据实测数据绘制的围岩变形随时间而变化的曲线有时出现上下波动, 不规则, 难以进行分析。有必要应用数学的方法对现场量测数据进行回归分析, 对围岩变形曲线散点图进行拟合, 使之具有更直观的规律性和科学性, 以便我们更好掌握围岩变形规律。我们用一次负指数函数对监测原始数据进行了回归分析, 回归方程为: , 其中t为时间, U为t时刻内空收敛值, A、 B、 k为回归系数。
( 3) 《公路隧道施工技术规范》中明确规定, 二衬施做时机应在满足下列要求时进行:
a.各测试项目的位移速率明显收敛, 围岩基本稳定;
b.已产生的各项位移已达预测总位移量的80%～90%;
c.周边位移速率小于0.1～0.2mm/d, 或拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm/d。
d.当位移～时间曲线出现反弯点时, 则表明围岩和支护已呈不稳定状态, 此时应密切监视围岩动态, 并加强支护, 必要时暂停开挖。
2.2软弱围岩隧道变形特征分析
隧洞开挖后产生的洞周收敛变形主要来自于开挖, 即”空间效应”和岩体流
变的”时间效应”。对于坚硬岩体, 一般来讲洞周的内空收敛变形主要来源于隧道的开挖, 但对于软弱岩体和极软岩体来讲, 则与坚硬岩体则不尽相同, 依然围岩不但变形量大, 其变形规律也比较特殊。如何正确地认识软弱围岩的变形规律, 是正确进行隧道设计和安全施工首先必须解决的问题。为了解决怀通高速隧道遇到的这一问题, 我们在施工过程中进行了大量软弱围岩变形观测和测定。经过量测项目获得的数据资料, 经整理分析, 逐步认识了怀通高速隧道软弱偏压围岩体的变形规律及特征, 为指导开挖、 初期支护、 二次衬砌和以后的运行管理提供了依据, 并在实践中总结出了适应软弱围岩隧道的建设经验。根据怀通高速正团冲隧道地质勘察报告, 正团冲隧道Ⅳ级围岩洞段占隧道长度的75.5%, 其余部分为Ⅴ级围岩。其岩性以砂质板岩为主, 局部为泥岩, 发育、 风化, 且伴有地下水。岩石强度低, 围岩自承能力差, 正团冲隧道围岩多属软弱围岩。
正团冲隧道在施工过程中左、 右洞沿轴线共布置296个监测断面。根据统计
的结果: 正团冲隧道Ⅴ级软弱围岩洞段的变形量大约为5.3～38cm, 一般趋稳时间约为30天, 而正团冲隧道大变形段从开挖到围岩变形稳定则历经约6个月时间; Ⅳ级围岩洞段的变形量大约为0.3～1.4cm, 趋稳时间一般为20～30天。围岩级别的影响较明显, 主要是由于正团冲隧道Ⅴ级围岩主要集中分布在浅埋偏压的洞口地段和断层破碎富水带, 软弱围岩深埋隧道长度占正团冲隧道总长度的24.5%, Ⅳ级围岩主要集中分布在深埋的洞身地段, 受埋深以及围岩结构状态的影响较大。
2.2.1正团冲隧道围岩变形的时间效应分析
新奥法的基本思想在于: 把岩体视为连续介质, 在粘、 弹、 塑性理论指导下,
根据在岩体中开挖隧道后从变形产生到岩体破坏, 存在一个时间历程, 在这一历
程中适时地构筑支护结构, 使围岩和支护共同形成坚固的承载环。这里提及的”隧
道围岩变形从产生到破坏的过程”这一时间历程, 其中所包括的一个重要内容就
是由于围岩的流变性质所造成围岩变形时间效应。
根据正团冲隧道的现场监控量测资料, 对典型断面围岩变形～时间变化曲线
进行分析, 结果如下。
( 1) 正团冲隧道YK117+340断面
1) 周边水平收敛
正团冲隧道YK117+340断面围岩级别Ⅳ级, 岩性为砂质板岩, 现场观察其岩体结构呈块碎石状、 镶嵌结构。支护类型为S4a衬砌类型, 此断面设计及实际施工均采用台阶开挖法开挖。
从YK117+340断面的周边水平收敛位移历时曲线( 图2.1) 可知, 上测线周边水平收敛变化回归曲线总体呈抛物线形。抛物线形变形曲线一般可分为三个变形阶段: 快速增长阶段、 缓慢增长阶段及趋稳阶段。第一阶段为快速增长阶段, 在埋设测点后的前7天, 收敛值累计达17.87mm, 已占总收敛量的71.85%, 收敛速率几乎均大于-0.2mm/d( 图2.2) ; 在接下来的7天, 进入缓慢增长阶段, 周边收敛累计值继续增长, 但增长缓慢, 增长量为5.87mm, 占总收敛量的23.60%, 收敛速率也已降至-0.15mm/d以下; 在测点埋设15天至22天, 周边水平收敛变化曲线进入趋稳阶段。期间, 周边收敛累计增量较小, 为0.17mm, 仅占总收敛值的0.68%, 而平均收敛速率仅为-0.024mm/d, 这说明隧道围岩周边收敛变形正逐渐趋于稳定。

图2.1 YK117+340断面周边水平收敛变化曲线图

图2.2 YK34+920断面周边水平收敛速率变化曲线图
表2.3 正团冲隧道YK34+920断面周边水平收敛变形特征
抛物线形曲线
变形阶段
周边收敛
(mm)
累计位移量百分比
(%)
历 时
( d)
平均收敛速率
( -mm/d)
快速增长阶段
17.87
71.85
7
2.55
缓慢增长阶段
5.87
23.6
7
0.84
趋稳阶段
0.17
0.68
8
0.02
合计
23.91
100.00
22

2) 拱顶沉降
拱顶中间测点的沉降变化历时曲线呈抛物线形(图2.3), 埋设测点之后6天, 拱顶沉降变化曲线进入快速增长阶段, 沉降值变化较大, 达到9.2mm, 占中间测点总沉降量的76.03%(表2.4), 沉降速率均大于-1.0mm/d(图2.4), 平均速率达到-1.53mm/d; 在接下来的7天, 拱顶沉降变化曲线呈缓慢增长状态, 沉降值增量
为2.4mm, 占总沉降量的19.83%。在该阶段内, 中间测点沉降速率在-0.4 mm/d
上下浮动, 平均速率为-0.34 mm/d; 在拱顶中间测点埋设后22天, 曲线变化逐渐平缓, 其沉降值增量、 沉降速率、 平均沉降速率较前两阶段均较小。拱顶围岩沉降变形逐渐趋于稳定。
表2.4 正团冲隧道YK34+920断面拱顶下沉变形特征
抛物线形曲线
变形阶段
拱顶下沉(mm)
累计下沉量百分比
(%)
历 时
( d)
平均收敛速率
( -mm/d)
快速增长阶段
9.2
76.03
6
1.53
缓慢增长阶段
2.4
19.83
7
0.34
趋稳阶段
0.5
4.13
9
0.05
合计
12.1
100.00
22

图2.3 YK117+340断面拱顶下沉变化曲线图

图2.4 YK34+920断面拱顶下沉速率变化曲线图
表2.5 正团冲隧道YK117+340断面围岩变形回归分析
测线名称
回归方程
相关系数
历时
( d)
预测最终
位移( mm)
实测最终位移( mm)
水平收敛
上测线

0.987
23
25.51
23.91
拱顶沉降
左测点

0.994
23
14.3
14.0
拱顶沉降
中测点

0.967
23
12.3
12.1
拱顶沉降
右测点

0.989
23
18.7
18.5
经过对正团冲隧道YK117+340断面原始测量数据进行回归分析, 结果置于表2.5, 并将其绘制于图2.1、 图2.3中。图中, 实测数据曲线和回归拟合曲线基本吻合。由表2.5可知, 上测线周边水平收敛当t=18d, 理论周边收敛值为24.01mm, 实测周边收敛值为23.82mm, 预测最终周边收敛值为24.87mm, 己产生的收敛值占总收敛值的95.8%; 拱顶沉降左边测点当t=17d, 理论周边收敛值为13.2mm, 实测周边收敛值为13.5mm, 预测最终周边收敛值为14.3mm, 已产生的收敛值占总收敛值的92.3%, 且收敛速率小于-0.1mm/d; 拱顶沉降中间测点当t=16d, 理论周边收敛值为11.9mm, 实测周边收敛值为11.9mm, 预测最终周边收敛值为12.2mm, 已产生的收敛值占总收敛值的97.5%; 拱顶沉降右边测点当t=16d时, 理论周边收敛值为17.9mm, 实测周边收敛值为17.5mm, 预测最终周边收敛值为18.7mm, 已产生的收敛值占总收敛值的95.7%。且拱顶沉降左、 中、 右测点沉降速率均小于-0.15mm/d, 故正团冲隧道YK117+340断面已能够施作二次衬砌。
( 2) 正团冲隧道YK117+784断面
1) 周边水平收敛
正团冲隧道YK117+784断面处于右线出口端, 围岩级别V级, 岩性为灰褐色砂质板岩, 现场观察其岩体结构呈块碎石状压碎结构。支护类型为S5c衬砌类型, 实际施工采用上下台阶开挖法。
从YK117+784断面的周边水平收敛位移历时曲线(图2.5)可知, 上、 下测线周边水平收敛变化曲线呈似阶梯形。似阶梯形曲线呈现四个变形阶段模式, 即, 快速增长阶段→缓慢增长阶段→快速增长阶段→趋稳阶段。在上台阶开挖后的前7天, 上测线周边收敛变化曲线进入快速增长阶段, 收敛值累计达46.24mm, 占总收敛量的77.94%, 平均收敛速率达-6.60mm/d(图2.6); 在测点埋设后8天至32天, 上测线周边水平收敛变化曲线呈缓慢增长状态, 变形增量比较小, 仅为1.44mm, 说明初期支护对围岩进一步变形的约束作用明显。上台阶开挖42天后进行下台阶开挖, 上测线周边收敛速率明显增加, 最大值达到-1.67 mm/d。下台阶开挖5天后, 上测线变形速率明显减小, 19天后其变化曲线逐渐趋于稳定, 稳定收敛值为59.33mm; 上台阶开挖过程中的变形量为52.46mm, 占上测线总收敛值约90%, 下台阶开挖过程中产生变形量为6.03mm, 占上测线总收敛值约10%, 表明下台阶开挖对上测线水平收敛变形会产生一定影响。
该断面下测线周边收敛历时变化曲线呈似阶梯形, 总体经历了快速增长变形阶段、 缓慢变形、 快速增长变形阶段和趋稳阶段。下台阶开挖23天后, 下测线收敛速率开始显著减慢, 其变形曲线逐渐稳定, 最终稳定收敛值在下台阶开挖34天后达到4.77mm。

图2.5 YK117+784断面周边水平收敛变化曲线图

图2.6 YK117+784断面周边水平收敛速率变化曲线图

表2.6 正团冲隧道YK117+784断面上测线周边水平收敛变形特征
抛物线形曲线
变形阶段
周边收敛(mm)
累计收敛量百分比
(%)
历 时
( d)
平均收敛速率
( -mm/d)
快速增长阶段
46.24
77.94
7
6.60
缓慢增长阶段
1.44
2.43
25
0.06
快速增长阶段
9.58
16.15
8
1.20
趋稳阶段
2.07
3.49
36
0.10
合计
59.33
100.00
76

2) 拱顶沉降
拱顶中间测点的沉降变化历时曲线呈似阶梯形(图2.7)。埋设测点之后前11 天, 拱顶沉降变化曲线进入快速增长阶段, 沉降值增量较大, 达到13.0mm, 占中间测点总沉降量的37.46%(表2.7), 其平均沉降速率为-1.18mm/d(图2.8); 在接下来的30天, 拱顶沉降