陳 柳，李松磊，李英海，趙文超，范 敏

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222;2.水利部水庫移民開發(fā)局，北京 100053)

巖體在天然狀態(tài)下受三維力的平衡作用，處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。在隧硐施工后，應力重新分布，硐壁處僅受二維力作用，此時徑向應力為零。在向巖體深處方向上，應力逐漸發(fā)生偏轉，徑向應力逐漸增加，最終回到原始狀態(tài)的三維力穩(wěn)定狀態(tài)。硐室圍巖的范圍可界定為因硐室開挖引起的應力變化忽略不計的地方，或者是圍巖的邊界因硐室開挖而產生位移剛好為零的位置。

采用柔性支護的新奧法隧硐施工方法的重要原理之一是對硐室的適時支護，對支護的時機把握非常重要。過遲的支護會引起圍巖變形不收斂，造成硐室失穩(wěn)破壞;過早的支護往往需要過大的支護力，又容易造成支護的浪費或支護的破壞［1］，進而影響到硐室的穩(wěn)定性。對圍巖的收斂變形觀測，掌握圍巖和支護的動態(tài)信息尤為重要，主要體現在以下3個方面:①預測和確定圍巖最終收斂時間，確定二次襯砌的時間;②綜合分析，檢驗和優(yōu)化施工前的設計方案;③積累資料和工程經驗，指導其他類似工程。

1 工程概況

某輸水隧硐處構造剝蝕中山區(qū)，屬河谷—臺地地貌，地形起伏較大，地面高程在1 290～1 521 m，硐室埋深142～245 m。地層巖性為石炭系下統(tǒng)(C1)的凝灰?guī)r，單斜構造為主，其產狀為 NW290°～320°SW∠30°～35°，與硐軸線呈中—大角度相交。根據勘探試驗資料，該處凝灰?guī)r單軸飽和抗壓強度為80～140 MPa，屬堅硬巖;巖體重度為26.8 kN/m3，變形模量為3.8 GPa，比重為 2.69，圍巖強度應力比 S 為 14.4 ～16.8。硐室為城門硐型，寬6.9 m，高 7.3 m，采用光面爆破方式施工。

2 圍巖收斂變形監(jiān)測

2.1 收斂變形監(jiān)測原理

收斂變形監(jiān)測使用的收斂儀為JSS30A型數顯收斂儀(以下稱收斂儀)，精度能達到0.01 mm。收斂儀是利用機械傳遞位移的方法，將兩個基準點的相對位移轉化為數顯位移計的兩次讀數差??JSS30A型系列數顯收斂儀使用說明書，上虞市申克試驗儀器廠，2014。。

2.2 收斂變形監(jiān)測點布置

收斂變形監(jiān)測采用了三點法和五點法。三點法中在同一斷面上的拱頂中心和兩個起拱位置各布置1點;五點法在三點法布置的基礎上在邊墻上離底板1.5 m高位置上兩邊各布置1點，詳見圖1。

2.3 監(jiān)測數據

7個檢測面上各測線在變形速率約為0.01 mm/d時的變形量統(tǒng)計，詳見表1。

圖1 觀測點布置圖Fig.1 The layout of observation points

本文受篇幅的限制，僅給出對樁號0+702斷面(五點法)監(jiān)測數據擬合、分析成果，其他斷面上監(jiān)測數據和分析結果與0+702的結果高度相似。其目的在于探尋圍巖變形規(guī)律，最大變形量以及穩(wěn)定時間，為工程的設計、施工和對二襯實施時機把握提供理論支撐。具體檢測數據詳見表2。

表1 各測線在觀測周期內的最大變形量及統(tǒng)計Table 1 The maximum deformation and statistics of the measuring lines in the observation period 單位:mm

2.4 數據分析

隧道圍巖變形大都是“時空效應”共同作用的結果。開挖過程中，掌子面附近的空間效應起主要作用;在開挖停止或距開挖面足夠距離后，圍巖的蠕變起主要作用，即時間效應起主要作用［2］。利用EXCEL來擬合圍巖變形量、變形速率與時間、開挖掌子面推進距離之間的關系。

表2 0+702斷面檢測數據匯總Table2 The data summary for cross section inspection of 0+702

2.4.1 關系曲線分析

利用EXCEL繪制出的樁號0+702處圍巖收斂量、收斂速率與時間和開挖掌子面推進距離之間的關系曲線見圖2-圖5。

圖2 圍巖收斂量與時間的關系曲線Fig.2 The curve showing the relationship between the convergence deformation and time of surrounding rock

依據《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》(SL378—2007)，圍巖穩(wěn)定的基本判別依據:①變形總量已完成允許變形量的90%;②變形速率已經明顯下降，收斂變形速率＜0.2 mm/d，拱頂沉降變形速率＜0.15 mm/d［3］。

圖3 圍巖收斂速率與時間的關系曲線Fig.3 The curve showing the relationship between the convergence rate and time of surrounding rock

根據圖2-圖5上曲線關系，能得出該斷面圍巖在開挖10天基本趨于穩(wěn)定，此時距掌子面的距離約為45 m，拱頂位置變形量為6 mm。若把變形速率為0.01 mm/d時的變形認為是最終變形量的話，拱頂位置的最終變形為6.60 mm，其90%為5.94 mm，與開挖10天后拱頂位置變形量6 mm相近。

圖4 圍巖收斂量與開挖掌子面推進距離的關系曲線Fig.4 The curve showing the relationship between the convergence deformation and distance of excavation face of surrounding rock

圖5 圍巖收斂速率與開挖掌子面推進距離的關系曲線Fig.5 The curve showing the relationship between the convergence rate and distance of excavation face of surrounding rock

2.4.2 回歸分析

并用Excel軟件對拱頂位置變形量、變形速率與時間、開挖掌子面推進機理之間的相關性進行了擬合。擬合函數曲線類型的選擇原則是相關性系數R2最大時的曲線類型，因為相關性系數R2越接近于1，其相關程度越高。

(1)變形量與時間的關系。拱頂位置圍巖變形量與時間的關系可用函數①表示，相關系數 R2為0.968 8。

式中:u為變形量(mm);t為觀測時間段(d)。變形量和時間成對數函數關系，由于函數①不是收斂函數，與圍巖變形收斂的結果不符，函數①僅能在區(qū)間上滿足模擬其函數關系的要求。從圖2中可以看出，20 d后，函數①曲線開始偏離觀測曲線，隨著時間的推進，偏離量越來越大。因此函數①能在(0，20)這個區(qū)間上模擬拱頂變形量與開挖時間的關系0.2時圍巖趨于穩(wěn)定，此時觀測時間約為7.6 d。

(2)變形速率與時間的關系。拱頂位置上圍巖變形速率與時間關系可用函數②表示，相關系數R2為0.986 6。

式中:υ為變形速率(mm/d);t為觀測時間段(d)。變形速率與時間呈指數函數關系，當變形速率為0.2 mm/d時，求解的時間為10.6 d。

(3)變形量與開挖掌子面推進距離的關系。拱頂位置上圍巖變形量與開挖掌子面推進距離的關系可用函數③表示，相關系數R2為0.954 1。

式中:u為變形量(mm);L為觀測斷面到掌子面的距離(m)。變形量和到掌子面的距離成對數函數關系。由于函數③也不是收斂函數，與圍巖變形收斂的結果不符，故函數③只在區(qū)間上能滿足模擬其函數關系的要求。從圖4上可以看出在觀測斷面到掌子面距離在100 m以內時，函數曲線比較接近觀測曲線。當u取5.94 mm，求解得L約為61 m。

(4)變形速率與開挖掌子面推進距離的關系。拱頂位置巖體收斂變形速率與開挖掌子面推進距離的關系用函數④表示，相關系數R2為0.967 3。

式中:υ為變形速率(mm/d);L為觀測斷面到掌子面的距離(m)。當 υ取 0.2 mm/d，求解得 L約為54.2 m。

通過上述的圖上曲線查詢和函數關系求解，圍巖穩(wěn)定時間在7.6—10.6 d，觀測斷面至掌子面距離在45～61 m。結合現場開挖速度，Ⅲ類圍巖在開挖后11 d，距掌子面距離約60 m時，圍巖變形基本穩(wěn)定。此時可以實施二襯支護。

3 圍巖收斂變形特點

3.1 圍巖收斂變形類型

根據收斂變形速率，可根據表3判斷圍巖收斂變形的分類［4］。

表3 圍巖穩(wěn)定性判斷依據Table 3 The judging basis of surrounding rock convergence deformation stability 單位:mm/d

通過圖3可以看出，該段圍巖收斂變形經歷了急劇變形、緩慢變形和基本穩(wěn)定的3個過程。其中硐室開挖后至2.5 d圍巖發(fā)生急劇變形，2.5—11 d這段時間圍巖發(fā)生緩慢變形，11 d后圍巖趨于穩(wěn)定。

3.2 圍巖變形規(guī)律

本文中隧硐案例，巖體為埋深不大的、強度應力比較大的硬巖隧硐，Ⅲ類巖體硐室拱頂和邊墻上巖土收斂變形量較小，拱頂位置最大變形量為6.6 mm，邊墻上最大變形量為3.39 mm。從表1可以看出各觀測斷面的觀測結果離散性較小，說明相同位置上巖體收斂變形情況近似。

在以自重應力為主要應力場中，拱頂位置上變形量均大于邊墻上巖體的變形量1.7～1.8倍。硬巖巖體彈性模量大，收斂變形迅速，硐室開挖后11 d巖體收斂變形就能完成允許變形量的80%，巖體趨于穩(wěn)定。

4 結論

(1)不同的巖體硐室圍巖收斂變形特點不同，在施工中加以收斂變形觀測，既能滿足施工中硐室穩(wěn)定性檢測的要求，又能起到反饋指導支護設計和支護時機把握的作用，必將更科學地指導硐室的設計和施工。

(2)在以自重應力為主的應力場中，拱頂巖體收斂變形均大于邊墻上收斂變形，即拱頂位置是支護關鍵位置。

(3)硬質巖體中圍巖收斂變形量較小，收斂變形迅速。Ⅲ類圍巖在開挖后11 d，距掌子面距離約60 m時，圍巖變形基本穩(wěn)定。此時可以實施二襯支護。

(4)巖體中沒有大的構造時，同類別巖體相同位置上各點收斂變形情況非常相似。

［1］ 谷兆祺，彭守拙，李仲奎.地下硐室工程［M］.北京:清華大學出版社，1994:167.

［2］ 黃宏偉，徐凌.大風埡口巖石公路隧道圍巖及初期支護變形及內力研究［J］.巖土力學與工程學報，2004，23(1):44 －52.

［3］ 中華人民共和國水利部.水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范:SL378—2007［S］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［4］ 胡達，劉杰，楊慶光，等.公路隧道圍巖變形規(guī)律及回歸分析［J］.公路工程，2010，35(1):5 －8.