隧道变形监测方案

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，具孔隙及虫孔，局

2、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，a o=150kPa，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，a 0=200-250kPa （局部软塑一流塑状，I类松土，I类围岩，a 0=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 （1960年建成）各地段有不同程

3、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 棉/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, 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 of the convergences and i

5、nternaldisplacement 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 = R R收敛速率按下式计算：v.=a - r）m -1,1）其中，R0初始观测值；R.第i次观测值；v 第i次观测时的收敛速率。 .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-D。其中，L一观测面与掌子面距离；D掌子面里程；D0观测面里程。3.1内空收敛随时间变化趋势根据现场情况，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

6、面 中各选取一个观测面作为示例（图2，图3）。0246810经过时间(d)1-21-32-31-5 4-5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 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

7、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。cross 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

8、（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 1 stday of the convergences观测面测线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

9、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棉/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。3.2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）。40140120100-20-40m（ 值 敛 收1008060402006080距掌子面距离（m）1-21-31231-41-54-5图4 7#面内空收敛

10、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。

11、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，14、15、45等位置靠下的测线收敛较大， 12、13、23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，14测线的变形 大于15测线的变形，而与1-4测线同侧的12 测线的变形小于13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

12、。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，此现象由开挖部位的 不同引起。如上台阶开挖后，23测线达到峰值； 而挖核心土后，45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

13、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

14、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

15、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）J 2#1m T2#2m 2#4m3#1m 3#2m 3#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 wallrock-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，形成新的水力坡度，造成渗流，带走部分土 颗粒，使黄土产生

16、崩解破坏作用。随着水力坡度变 小，变形速度减小，即收敛先快后慢。隧道开挖后， 围岩土体失去平衡状态，应力重新调整，改变土体 颗粒流动方向，引起开挖面周围一定范围内土体产 生移动，即为松动圈。隧道收敛量测表明，隧道开 挖后发生明显变形，且各方向收敛量差别较大，水 平测线收敛量明显大于其他测线，说明两个侧墙朝 洞内变形较大，这可能与隧道高度大于跨度，仰拱 未及时浇筑，形成封闭支护等因素有关。（2）开挖后一周或更长时间后，隧道收敛仍无稳 定趋势，仍缓慢发展。可能与洞壁面上地下水渗透 引起围岩应力变化有关，也可能隧道围岩具有一定 的时间依存性，即围岩具有一定的蠕变特性。对此 应采取相应的工程措施。比如

17、加强喷射混凝土的质 量，防止围岩中水的渗透，或加强初期支护刚度， 增加系统锚杆等。另外，开挖后及时施工仰拱，封 闭底板围岩，或者在仰拱完成之前，尽可能减少施 工用水渗入底板。图6 7#面4#、5#点围岩内部位移与时间关系曲线 Fig.6 The curve of the internal displacement of the wall rock-time of 7th cross section（3）围岩内部位移变形趋势与内空收敛变化趋势基本一致，说明本次测试比较成功和可靠，所得 结果对于类似工程具有一定的参考价值。参考文献1于书翰隧道施工第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