張濤

(神華包神鐵路集團公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

軟弱圍巖隧道CRD法施工圍巖穩(wěn)定性評價指標研究

張濤

(神華包神鐵路集團公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

通過對新建鐵路巴準線上十幾座軟弱圍巖隧道CRD法施工過程中的現(xiàn)場監(jiān)控量測，獲取隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂數(shù)據(jù)，運用Matlab對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)隧道施工過程中圍巖變形特性，得到圍巖變形穩(wěn)定時拱頂沉降值和周邊收斂值，以此確定軟弱圍巖隧道CRD法施工階段圍巖穩(wěn)定性評價指標，可為同類隧道施工圍巖穩(wěn)定性評價提供參考。

軟弱圍巖 CRD法 拱頂沉降 周邊收斂 圍巖穩(wěn)定性 評價指標

在隧道工程研究領域，關(guān)于隧道圍巖穩(wěn)定性國內(nèi)外開展了許多理論分析和試驗研究。由于隧道圍巖條件復雜多變，理論分析方法和試驗模型很難真實表達復雜的地質(zhì)條件，使得研究結(jié)果與實際相差很大。如何確定準確可靠的圍巖穩(wěn)定性評價指標，是隧道工程研究應重點考慮的問題［1-4］。

本文以內(nèi)蒙古新建鐵路巴準線上的十幾座隧道工程為背景，通過監(jiān)控量測獲取隧道圍巖位移發(fā)展變化信息，然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，從而確定出相應的圍巖穩(wěn)定性評價指標。隧道圍巖位移是圍巖變化最直觀的外在反映，支護系統(tǒng)的破壞或圍巖的坍塌都是位移發(fā)展超過某一限度的結(jié)果。因此本文提出的以圍巖位移變化信息為基礎的評價指標可以用來評價隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，判斷圍巖動態(tài)發(fā)展趨勢，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的安全隱患，為選擇合適的施工方案和優(yōu)化措施提供科學依據(jù)。這可提高施工效率，實現(xiàn)隧道“動態(tài)設計、動態(tài)施工”的科學管理機制。

巴準線隧道圍巖主要為砂巖夾泥巖，上覆黃土覆蓋層，強風化和弱風化，巖質(zhì)軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差，以Ⅴ級圍巖為主，部分地段為Ⅵ級圍巖，均采用CRD法施工?，F(xiàn)行的《鐵路隧道設計規(guī)范》提出了隧道初期支護極限相對位移參考值，僅適用于按照特定參數(shù)設計的復合式襯砌的支護，對于軟弱圍巖CRD法施工初期支護極限位移值沒有給出明確規(guī)定。因此本文所提出的圍巖穩(wěn)定性評價指標主要針對軟弱圍巖中CRD法施工而提出，并用來評價其施工過程中圍巖的穩(wěn)定性。

1 監(jiān)控量測項目

隧道施工中拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測是監(jiān)控量測的必測項目。本文通過大量拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)確定圍巖穩(wěn)定性評價指標［5-6］。

1)拱頂沉降

拱頂沉降是隧道拱頂相對于洞外某不動基準點的絕對沉降位移值。在拱頂測點粘貼反光片，用全站儀非接觸測量測點高程和絕對沉降值，測點布置如圖1所示。在隧道軸線方向每3～5 m布置1個斷面，每個斷面2個測點，按照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》確定監(jiān)測頻率。監(jiān)測頻率應根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果作適當調(diào)整，特別是在工序轉(zhuǎn)化階段，但不應低于規(guī)范的要求。

圖1 監(jiān)測斷面布置示意

2)周邊收斂

周邊收斂是隧道內(nèi)壁兩點之間的相對位移，與拱頂沉降布置在同一斷面。每個斷面分別在拱腰和墻腰埋設測點和反光片，全站儀非接觸量測方法進行對邊測量，得到測線長度和收斂變化值(參見圖1)。量測頻率與拱頂沉降一致。

2 圍巖穩(wěn)定性評價指標的確定

首先，收集到巴準線海子塔隧道、后碾房隧道、保佬兔溝隧道以及潘家圪塄隧道等十幾座隧道251個拱頂沉降監(jiān)測斷面和272個周邊收斂監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)。其次，應用Matlab程序?qū)y量數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布函數(shù)擬合，得到監(jiān)測位移值在正態(tài)分布下的區(qū)間概率，進而得到圍巖的變形穩(wěn)定值均值，即圍巖變形達到穩(wěn)定階段的累計位移值，以此作為圍巖穩(wěn)定性評價的控制位移。最后，分析典型斷面的圍巖位移變化特性，提出以位移變化速率和加速度為控制標準的圍巖穩(wěn)定性評價指標［7-11］。

2.1 位移評價指標

1)拱頂沉降

圍巖拱頂沉降統(tǒng)計結(jié)果見圖2，利用MatLab對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布函數(shù)擬合，得到拱頂沉降概率直方圖，見圖3。

圖2 圍巖拱頂沉降統(tǒng)計

圖3 拱頂沉降概率直方圖

2)周邊收斂

圍巖周邊收斂統(tǒng)計結(jié)果見圖4。周邊收斂概率直方圖見圖5。

3)評價指標

通過正態(tài)分布函數(shù)擬合得到圍巖拱頂沉降與周邊收斂的正態(tài)分布擬合函數(shù)如表1所示，其中μ為穩(wěn)定變形數(shù)據(jù)的均值，σ為穩(wěn)定變形數(shù)據(jù)的標準差。

基于圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，將軟弱圍巖隧道CRD法施工圍巖穩(wěn)定性評價指標進行量化，以正態(tài)分布函數(shù)擬合得到的μ，σ確定拱頂沉降和周邊收斂的控制位移值指標，如表2所示。

圖5 周邊收斂概率直方圖

表1 隧道拱頂沉降與周邊收斂正態(tài)分布擬合函數(shù)

表2 Ⅴ級圍巖隧道CRD法施工穩(wěn)定性評價位移建議值

2.2 速率和加速度評價指標

1)拱頂沉降

通過對巴準線上十幾座隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，大部分斷面最大日均拱頂沉降接近10.0 mm/d，最大日均周邊收斂接近5.0 mm/d。當采用CRD法進行隧道施工時，所有斷面拱頂沉降和周邊收斂具有相似的位移變化特性。本文選取后碾房梁隧道Ⅴ級圍巖DK122+311斷面拱頂沉降進行位移特性分析，其拱頂累計沉降、拱頂沉降速率和拱頂沉降加速度曲線如圖6所示。

圖6 DK122+311斷面拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果

DK122+311斷面拱頂累計沉降監(jiān)測時間為47 d，累計沉降值為175.9 mm。由圖6可知，在監(jiān)測點埋設的前一周，沉降變化較大，第4 d沉降速率達到9.9 mm/d，第2 d沉降加速度達到9.4 mm/d2。該階段的沉降主要由上部導洞開挖后圍巖應力釋放引起。接下來幾天沉降逐漸變緩，到第15 d左右沉降出現(xiàn)較大幅度的增長，沉降速率達到9.7 mm/d，沉降加速度達到7.1 mm/d2。該階段的沉降變化主要由中部導洞開挖引起。到第30 d左右，沉降又一次出現(xiàn)較大幅度的增長，沉降速率8.4 mm/d，沉降加速度達到5.7 mm/d2，該階段的沉降變化主要由下部導洞和仰拱開挖引起。第40 d之后，沉降變化很小，日均沉降速率在0.1 mm/d左右，圍巖基本穩(wěn)定。拱頂沉降特征參數(shù)見表3。

表3 后碾房梁隧道DK122+311斷面拱頂沉降特征參數(shù)

2)周邊收斂

選取后碾房梁隧道DK122+295斷面周邊收斂進行位移特性分析，其累計收斂、收斂速率和收斂加速度曲線見圖7。

圖7 DK122+295斷面周邊收斂監(jiān)測結(jié)果

DK122+295斷面拱腰和墻腰周邊收斂累計監(jiān)測時間分別為42 d和39 d，拱腰周邊收斂累計值比墻腰大，收斂累計值分別為71.40 mm和20.26 mm。上部導洞開挖后，布設拱腰周邊收斂監(jiān)測點，監(jiān)測點布設后的第4 d收斂速率和加速度分別達到4.5 mm/d和2.1 mm/d2。中部導洞開挖后，在拱腰監(jiān)測點布設后第18 d，墻腰監(jiān)測點布設第3 d，拱腰和墻腰收斂速率分別達到4.9 mm/d和3.3 mm/d，收斂加速度分別達到3.9 mm/d2和2.21 mm/d2。下部導洞和仰拱開挖階段，在拱腰監(jiān)測點布設第29 d和墻腰監(jiān)測點布設第12 d，拱腰和墻腰收斂速率分別達到4.7 mm/d和3.6 mm/d，收斂加速度分別為3.4 mm/d2和2.7 mm/d2。之后累計收斂曲線趨于平緩，收斂速率變小，圍巖基本穩(wěn)定。周邊收斂特征參數(shù)見表4。

3)評價指標

由上述分析可知，軟弱圍巖隧道CRD法施工過程中所有斷面的最大位移速率均比較接近。當圍巖位移速率在該最大速率之內(nèi)時，隧道施工是安全的，沒有發(fā)生圍巖失穩(wěn)破壞?；诖耍岢鲆攒浫鯂鷰r隧道CRD法施工過程中拱頂沉降和周邊收斂的最大速率為控制標準的速率評價指標。當圍巖位移超過該控制速率時應引起重視，加強施工監(jiān)控或采取有效的加固措施。評價指標見表5。

表4 后碾房梁隧道DK122+295斷面周邊收斂特征參數(shù)

表5 Ⅴ級隧道圍巖穩(wěn)定性評價變形速率建議值

加速度是反應速度變化的物理量，在隧道開挖過程中，當沉降速率和收斂速率呈增大趨勢時，加速度為正值，且其增大趨勢越明顯，加速度絕對值越大;當沉降速率和收斂速率呈減小趨勢時，加速度為負值，且其減小趨勢越明顯，加速度絕對值越大。圍巖位移加速度評價指標如下:

1)當位移速率不斷上升時，d2s/dt2＞0，若位移速率較大并逐漸趨近速率評價指標值，表示圍巖進入失穩(wěn)狀態(tài)。

2)當位移速率基本保持不變時，d2s/dt2≈0，若位移速率遠小于速率評價指標值，說明圍巖狀況穩(wěn)定;若位移速率接近或等于速率評價指標值，說明圍巖狀況趨于不穩(wěn)定;若位移速率大于速率評價指標值，說明圍巖極不穩(wěn)定，進入危險狀態(tài)。

3)當位移速率不斷減小時，d2s/dt2＜0，若位移速率未超過速率評價指標值，說明圍巖逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)提出軟弱圍巖隧道CRD法施工以拱頂沉降和周邊收斂的位移值、位移速率為指標的隧道圍巖穩(wěn)定性評價指標。用該評價指標作為控制標準，當隧道施工過程中拱頂沉降和周邊收斂的累計值或速率超過該控制標準，預示著圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài)，應引起重視，需要采取有效措施來控制圍巖變形。

2)提出軟弱圍巖隧道CRD法施工以拱頂沉降和周邊收斂的位移加速度為指標的隧道圍巖穩(wěn)定性評價指標，以位移加速度為參考，結(jié)合位移和速度指標值評價圍巖的穩(wěn)定性，為圍巖穩(wěn)定性評價提供可靠的判據(jù)。

3)通過提出的圍巖穩(wěn)定性評價指標，實時掌握圍巖變形信息，不但保證了隧道施工的質(zhì)量與安全，建立了隧道“動態(tài)設計、動態(tài)施工”的科學管理機制，還能為二次襯砌的合理施作時間提供有效的參考依據(jù)。

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(責任審編李付軍)

U455.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．18

1003-1995(2015)04-0066-04

2014-09-25;

2014-11-20

張濤(1972—)，女，山東榮城人，高級工程師，碩士。