冯家梁子隧道围岩变形与受力特征监控量测分析

程 滔

(湖北省公路水运工程咨询监理公司，湖北 武汉 430056)

冯家梁子隧道围岩变形与受力特征监控量测分析

程 滔

(湖北省公路水运工程咨询监理公司，湖北 武汉 430056)

通过对隧道开挖过程中的围岩变形进行监控量测，对其受力力学特征进行分析，研究了隧道产生变形的原因和机制，基于对围岩动态演化机制的正确认识，对隧道初支参数进行动态调整，并采用压力盒对隧道二次衬砌的围岩压力进行现场测试，验证了动态优化调整的支护参数的正确性，确保了隧道安全顺利贯通。

隧道工程，泥质页岩，围岩变形，监控量测

1 概述

冯家梁子隧道为一座高速公路小净距隧道，进口位于保康县冯家梁子，出口位于保康县大坪村，走向约243°，呈北东～南西向展布。隧道全长560 m，最大埋深87.2 m。冯家梁子隧道自开挖以来，多次发生工程灾害事故，如：围岩大变形、塌方、初支侵限等等(见图1)，这些工程灾害的发生，对工程施工进度造成了较大的影响，鉴于此，本文在分析现场地质条件和工程特征的基础上，加强了动态监控量测，并根据量测结果对围岩变形特征进行分析，对支护参数进行动态设计，以达到正确指导隧道施工的目的。

2 工程地质条件

2.1 地质构造

隧址区区域上位于新华夏系第三隆起地带与淮阳山字型西翼反射弧东段的复合部位，淮阳山字型西翼反射弧北西向至近东西向的褶皱带、断裂带斜贯全区，北部为青峰断裂带，南为荆当盆地，西为牛头山倒转复式向斜，东部为南漳断凹。新华夏系的北北东向构造带、北北西向构造带的断裂和槽地带复合于山字型构造带之上，构造较为复杂。从区域构造上看，隧址区附近无大的断裂构造发育，但发育以向斜为主的主回旋褶皱，褶皱核部距隧址区较近，地质条件相对复杂。

2.2 地层岩性

隧址区出露岩层单一，根据地质调绘以及详勘钻孔揭示的地层来看，隧道主要穿越地层为第四系残坡积粉质粘土、碎石层，志留系龙马溪组泥质、粉砂质页岩(S11)。其中第四系覆盖层主要分布于隧道进出口一带，以碎石为主，夹粉质粘土，厚度约为0.5 m～5.3 m；强风化页岩厚5 m～13 m，多为黄褐色～灰色，裂隙发育，张开状，裂面见褐色铁锰质薄膜，岩芯多呈块状；中风化页岩多呈青灰色，岩芯多呈块状，少量为短柱状，个别为长柱状。岩层为单斜构造，进出口岩层产状接近一致，均为20°∠60°左右，节理裂隙发育两组，产状为：210°∠70°,140°∠65°。根据国标GB 50218—94工程岩体分级标准，该区属软岩区，隧道极可能产生大变形。岩石室内物理力学性质试验表明该段岩层岩石力学性质差，见表1。

表1 岩石室内物理力学参数值

3 基于监控量测的隧道围岩变形与受力特征分析

综合本地段的各种因素：水文地质条件、围岩等级、支护类型和隧道埋深等，选取拱顶下沉、周边收敛和围岩接触压力作为监控量测项目，以便监控隧道稳定性[4]。围岩接触压力测点分别设置于拱顶、两拱腰和拱脚处。测点布置见图2。

周边位移量测用JSS30型数显收敛计，读数精度0.01 mm；拱顶下沉用LACA-NAZ水准仪、铟钢尺，精度为1 mm。测点安设在距工作面2 m范围内，测点布置在开挖后12 h内即开始量测在下次爆破前测取初读数。隧道开挖支护后，拱顶下沉的监控量测是在隧道拱顶处用钻机打一钻孔，直径为42，并埋设膨胀钩，由于防膨胀钩产生的松动可能会在测量过程中产生误差，可用快凝水泥或者早强锚固剂进行固定[5]。

对于隧道周边收敛预埋件的安装，采用直径为42的钢筋，用早强锚固剂或者快凝水泥固定在隧道拱腰或者边墙处，监控量测断面布置示意图见图2。围岩变形压力以及二次衬砌压力监测，要与拱顶下沉、周边收敛断面保持一致[6]。

4 围岩变形特征分析

4.1 顶拱下沉

所监测三个断面的拱顶下沉随时间变化曲线结果如图3所示。

由图3可得：隧道开始掘进时，拱顶下沉表现为持续增长，且变形持续，未达到稳定，增长界线时间点为第10天。甚至出现了在第10天以后，拱顶下沉速率仍然增大的现象。尽管三个断面的监测下沉累积结果未超过30 mm，但其变形趋势却持续增大，因此对隧道结构安全造成很大威胁。如果围岩变形不得到控制，其下沉累积值将超过围岩能承受的界线而导致初支侵限甚至发生整体破坏。因此，建议在下沉变形未到达稳定时，不宜进行二次衬砌的施作，以免发生二次衬砌开裂导致的隧道结构失稳破坏。

4.2 周边收敛

所监测三个断面的周边收敛随时间变化曲线结果如图4所示。

由图4可得：隧道所监控断面的周边收敛结果变形比较大，在隧道开挖的前15天，周边水平收敛最大值达到100 mm。在隧道开挖的前10天，全部被监控断面的周边收敛累计值表现为增大的趋势，且变形持续，未达到稳定。在监测前期，周边收敛的变形速率不大，分析其原因，可能是开挖卸荷占变形的主导。开挖10 d后，周边收敛的速率发生了增大，分析原因，可能与该隧道的岩性有关，由于片岩具有软岩所特有的膨胀性、蠕变性，因此往往会发生围岩变形缓慢持续的现象，并最终导致初期支护变形破坏[7,8]。

5 围岩受力特征分析

对隧道横断面不同部位进行危岩压力监测后，得到如图5，图6所示的结果。

由围岩接触压力监测曲线图5可知，围岩的压力在最开始增长很快，到了第3天后，开始趋于缓和，尽管此后压力仍有增大变化，但程度较低，变形速率缓慢。从接触压力最大值分布图6可知，围岩的接触压力不管是在时间上还是空间上，都存在不均匀性，即隧道横断面处产生了偏压，这反映了片岩这类软岩的变形不均匀性[9]。

6 对监控量测结果处置实践

综合分析拱顶下沉、周边收敛、围岩压力监测结果后，对隧道有监测信息反馈的区段的初期支护参数进行优化、调整，为验证动态调整后的合理性，采用压力盒对隧道二次衬砌的围岩压力进行现场测试，测试结果如图7，图8所示。

由优化支护参数后的二次衬砌压力监测结果可得，调整后二次衬砌的压力在第3天开始变缓，曲率减小，且压力最大值分布图较为圆润，表明压力趋于均匀，之前的偏压现象已经不存在，这大大有利于隧道结构的受力状态，同时，通过该测试结果可知调整后的支护参数是合理有效的[10]。

7 结语

经过上述研究，得到以下结论：

1)泥质页岩这类软岩，具有强度低、遇水膨胀的特点，在隧道开挖的过程中，应重视新奥法的先进指导理念，为隧道支护提供理论依据。

2)由于泥质页岩具有软岩蠕变特征，因此围岩的变形具有时空效应，既要根据时间来进行支护，又要根据变形量来确定支护时机。

3)依据监控量测资料，在隧道开挖支护后应当预留适度的变形量，以便于最大程度发挥围岩自承能力。

[1] 李晓红.隧道新奥法及其量测技术[M].北京:科学出版社,2002.

[2] 喻 伟.基于现场监控量测的隧道围岩稳定性研究[J].中国科技信息,2011(20):152-157.

[3] 王忠勋.隧道围岩变形监控量测的实践[J].铁道建筑,2000(2):41-43.

[4] 王海涛,贾金青.监控量测技术在乔庄隧道中的应用[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2009,28(2):134-136.

[5] 关宝树,赵 勇.软弱岩隧道施工技术[M].北京:人民交通出版社，2001.

[6] 刘志春,李文江,朱永全，等.软岩大变形隧道二次衬砌施作时机探讨[J].岩石力学与工程学报,2008,27(3):580-588.

[7] RUDOLF S, CHRISTOPH L. Swelling rock behaviour in a tunnel: NATM-support VS. Q-suppo-a comparison[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2009,24(3):356-362.

[8] 刘佑荣,唐辉明.岩体力学[M].武汉:中国地质大学出版社,1999.

[9] 张 爽,刘庆新,胡力耀，等.广巴高速某隧道不同岩性围岩变形特征分析[J].现代隧道技术,2011,48(1):17-21.

[10] Grob H. Swelling and heave in swiss tunnels [J]. Buletin of IAEG,Krefeld,1975(13):55-60.

The tunnel surrounding rock deformation and stress characteristics based on monitoring measurement analysis of Fengjialiangzi tunnel

Cheng Tao

(Highway&WaterTransportEngineeringConsulting&SupervisingCompanyofHubeiProvince,Wuhan430056,China)

By the deformation of surrounding rock in tunnel excavation process monitoring, we have done the analysis of its stress mechanics characteristic, also, the cause deformation of the tunnel and the mechanism was studied. Based on a correct understanding of dynamic evolution mechanism of surrounding rock, the supporting parameters for dynamic were optimization adjustment, demonstrate the validity of the supporting parameters dynamic adjustment at the same time, ensuring the safety of the tunnel through smoothly.

tunnel engineering， argillaceous shale， surrounding rock deformation， monitoring measurement

2015-01-20

程 滔(1986- )，男，硕士，助理工程师

1009-6825(2015)10-0169-03

U455.4

A