某隧洞围岩变形监测及稳定性分析

徐庆功，鲍立新

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110006）

关键词：隧洞　变形监测　一次支护　围岩稳定性

围岩稳定性的主要影响因素有：开挖卸荷、振动、围岩岩性、强度、完整性、地下水活动状态等，变形是其主要表现形式。洞室开挖后，由于围岩所处环境发生改变，并根据环境变化程度作出不同性质的响应，导致监测物理量随时间不断变化。通过分析洞室围岩松弛圈厚度变化、沉降收敛变形规律和发展趋势，预测围岩稳定性，优化设计参数、指导安全快速施工等提供科学依据。

1 工程概况

某输水隧洞位于辽宁省朝阳市朝阳县境内，全长32.12km，最大埋深220m，采用传统钻爆法开挖，全断面施工，为城门洞形，为无压洞。地表多为缓隆起剥蚀低山区，穿越地层主要为侏罗系中统髫髻山组（J₂t），以凝灰质砂砾岩、安山岩、火山角砾熔岩为主，为火山碎屑沉积岩组合及中基性熔岩，局部见中酸性熔岩。

本文主要对桩号25+612~25+712段进行变形监测分析，揭露岩性主要为凝灰质砂砾岩，灰白色，弱风化，碎屑结构，层理构造，胶结一般；其中砾石含量约占30%，一般粒径为0.5~5cm，最大粒径10cm。砾石磨圆度较好，呈亚圆形。现场点荷载试验换算饱和单轴抗压强度为10~30MPa，为软岩—较软岩。洞室节理较发育，水平状薄层理较发育。洞室岩体完整性差—较破碎。地下水活动状态：滴水—线流。施工期桩号25+612~25+648为Ⅳ类围岩，桩号25+648~25+712为Ⅴ类围岩，基本与设计一致。该岩石具有一定的亲水性、重塑性、强度低容易变形等特点，围岩自稳能力较差，施工中容易受爆破振动、卸荷等影响发生局部失稳破坏，应及时一次支护。

2 现场变形监测方法

2.1 干孔声波测试法

在断面径向拱顶、起拱处、腰墙适当布置5个测试孔，孔深依据洞室断面大小、揭露地质情况确定，以揭示一定深度的原岩应力为准。每个断面依次测试8次，观测时间约15d。用以测定岩石中波速及松弛圈范围。

2.2 多点位移计观测

本段共安装5组多点位移计，每组3个锚头，分别测定径向1m、3m、5m点处围岩的位移，约观测20次。

2.3 收敛及沉降观测

断面的测线采用3点3线法形式布置，拱顶点同时作为沉降观测点，根据已揭露地质条件、围岩类别、支护形式及围岩的时空效应等，共布置5个收敛观测断面，观测次数约30次，观测时间约30d。

2.4 岩石含水率测试

随隧洞开挖的进行随机取样与制作、称重，在温度为105～110℃的烘箱内放置24h，再放置于干燥器中冷却至常温，称重后计算含水率。

2.5 洞室环境温度与湿度测试

在不同部位及不同施工工序测度出现场环境温度与湿度，观测时间约20d。

3 观测结果及分析

3.1 观测结果

3.1.1 围岩的松弛特性

松弛岩体波速为1500~2300m/s，原始岩体波速一般为2800~3200m/s。洞室爆破开挖后，岩体受爆破振动瞬时应力释放影响，洞壁岩体随即出现约1m的松弛带。随时间的延续，洞壁岩体松弛厚度逐渐增长，距开挖约72h内洞壁岩体松弛速度最大，72~300h速度逐渐变缓，超过300h后洞壁岩体松弛圈不再发展，即趋于稳定。随着测试断面与掌子面距离增大，洞周松弛圈岩体的厚度也在逐渐增加，当距离小于15m时松弛速度最快，当距离15~45m时速度逐渐变缓，当距离超过45m松弛速度基本为零，说明松弛圈停止发展。

3.1.2 围岩的位移特性

当观测断面与掌子面距离在40~260m时，围岩总变形量小，变化量也很小，且受洞内湿度、环境温度等影响较小，说明随开挖的进行围岩逐渐稳定。

3.1.3 围岩沉降收敛特性

当观测断面与掌子面距离大于100m时，沉降收敛变形基本为零。实际测得5个断面中，收敛变形范围为8.1~18.9mm，沉降变形范围为8.9~19.9mm，总变形量较小。拱顶沉降较收敛变形稍大，Ⅴ类围岩变形比Ⅳ类围岩稍大，沉降收敛变形与环境温度、湿度关系不大，当观测断面距离掌子面超过30m时围岩基本稳定。

3.1.4 岩石含水率、环境温度与湿度

岩石含水率主要与原岩所处地下水环境有关，该段试样含水率为6%~11%。洞室温度一般较为稳定，随埋深、洞内施工工序、通风、地下水活动状况等略有差别，该段温度在15~22℃变化，湿度在40%～70%。

3.2 观测成果分析

3.2.1 围岩的松弛圈厚度

围岩受到爆破振动、卸荷等因素的影响产生不同程度的松弛变形，Ⅳ类围岩松弛圈厚度为0.67～1.15 m，Ⅴ类围岩为1.07~1.97m，见表1。

3.2.2 围岩的沉降收敛变形

从测量结果来看，围岩并无严重的挤压膨胀变形现象，主要为卸荷后的松弛变形，且沉降收敛变形主要发生在初期，后期未观测到持续性的蠕变，且通过趋势线分析围岩将逐渐趋于稳定。选取两个有代表性的收敛变形断面，如图1、图2所示。

围岩总沉降收敛变形量均较小，5个观测断面中，沉降量在8.9~19.9mm，收敛在8.1~18.9mm，最大相对位移量小于0.4%，最大收敛变形量/洞径小于0.4%，属于小变形，见表2。

3.3 根据测量成果分析初期支护时机

3.3.1 根据岩体波速的变化分析一次支护时机

对于Ⅳ类围岩，在初始测试时刻，表层波速为2300m/s，约为原岩波速的58%，随时间发展松弛圈增大，隧洞表层波速仍小幅度降低，当松弛过程基本完成后，表层波速变为1600m/s，约为原岩波速的40%。当波速降为原岩的80%时，距离初始测试时间约为60h，与掌子面距离为20~30m。Ⅴ类围岩与Ⅳ类围岩的变化趋势相近，但波速降低幅度更大松弛圈变形稳定所需时间更长，初始表层波速为1400m/s，约为原岩波速35%。当波速为原岩80%时，距初始测试时间80~100h，距离掌子面30~40m。

3.3.2 根据松弛圈厚度分析一次支护时机

对于Ⅳ类围岩，在初始测试时刻围岩瞬时松动变形已完成约45%，当完成松动圈80%的时间约为80h，此时距离掌子面距离约为15m，如图3、图4所示。

对于Ⅴ类围岩，在初始测试时刻围岩瞬时松动变形已完成约80%，当完成松动圈90%的时间约为60h，此时距离掌子面距离约为45m，如图5、图6所示。

3.3.3 根据收敛变形情况分析一次支护时机

某隧洞洞型为圆拱直墙式，开挖裸洞直墙高度4.6m，最大净高6m，宽度5.3m，计算时取洞径5.5m，埋深约200m。Ⅳ类允许位移值为0.4%~1.2%，实际测得最大相对位移值为0.13%~0.19%；Ⅴ类允许位移值为0.6%~1.6%，实际测得最大相对位移值为0.32%~0.38%，从观测数据来看，各断面变形量整体在可控范围内，且逐渐趋于稳定。对于Ⅳ类、Ⅴ类围岩一次支护的目的在于保证围岩稳定性，防止变形发展。

对于Ⅲ类围岩一次支护仅采用喷混的隧洞，当沉降收敛变形一直无明显减小趋势，且出现下列情况之一时，须采取加强支护措施，并修改原设计参数：① 洞室表层出现裂缝并不断发展，且伴随脱落掉块现象；② 当表层实测收敛相对位移量达到表3允许值的70%时；③用回归曲线计算得到的相对位移值即将达到或接近允许相对位移时。对于Ⅲ类围岩一次支护重点是防止掉块、塌方的发生，应尽快锚喷。

4 结语

（1）对于该地区隧洞埋深约200m洞段，Ⅳ类、Ⅴ类围岩岩石松动圈厚度约2m，沉降收敛变形均可控，且在较短时间内逐渐趋于稳定，围岩稳定性较好。

（2）围岩变形主要发生在开挖后48h内，且初期变形较大、较快。Ⅳ类、Ⅴ类围岩自稳能力较差，初期支护应在开挖后围岩未发生明显变形的情况下及时进行。

（3）通过施工期隧洞变形监测，分析隧洞围岩变形规律及发展趋势，预测围岩稳定性，为优化设计参数、指导安全快速施工等提供科学依据。

参考文献

［1］ 徐庆功，高树伟.不良地质对围岩稳定性的影响［J］.水科学与工程技术，2017(04)：19-20.

［2］ 孙晖，王心刚.不良地质条件下隧洞围岩变形规律的分析［J］.中国工程咨询，2010(09)：32-33.

［3］ 张照太，陈竹，马鹏辉.大伙房引水隧洞不良地质洞段围岩变形监测及支护措施分析［J］.现代隧道技术，2007,44(5)：68-71.

［4］ 段伟，王杰，刘康和.某隧洞软弱围岩变形特性测试与分析［J］.人民黄河，2015，37(10)：134-137.

［5］ 陈学光，孙娅林.某隧洞变形特性分析及膨胀岩处理［J］.新疆水利，2005(3)：15-20.

［6］ 杨会军，王梦恕.隧道围岩变形影响因素分析［J］.铁道学报，2006,28(3)：92-96.

［7］ 程勇刚，常晓林，李典庆.考虑岩体空间变异性的隧洞围岩变形随机分析［J］.岩石力学与工程学报，2012，31(S1)：2767-2775.

［8］ 张辛，丁涛，徐珊，等.南水北调穿黄隧洞变形监测方法探讨［J］.人民长江，2014，45(S2)：199-201.

［9］ 王于宝，王晓卫，颜新荣，等.大坂引水隧洞工程变形监测及稳定性分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(20)：3783-3787.

［10］ 张照太，陈竹，杨晓迎.超长隧洞TBM法施工围岩变形监测方法分析［J］.水利建设与管理，2007，27(11)：36-38.

［11］ 李世民，李世阳，苑广会，等.隧洞围岩收敛变形监测数据分析［J］.云南水力发电，2012，28(6)：1-2.

［12］ 江杰，李新平，徐鹏程.水布垭电站尾水隧洞围岩变形监测与稳定分析［J］.武汉理工大学学报，2005，27(12)：72-74.