裴巧玲

西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院,陜西西安710043

“控制爆破、錨噴支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)”并稱為新奧法的三大支柱。其中的監(jiān)控量測(cè)是獲取隧道“動(dòng)態(tài)施工信息”的重要手段，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控施工過(guò)程中圍巖體的力學(xué)信息，以此判別圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)、確定開(kāi)挖方案的可行性及支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，不僅為隧道信息化動(dòng)態(tài)施工管理提供第一手信息，還將推動(dòng)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的完善和發(fā)展。文章以某高鐵隧道為背景，搜集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，借助Origin軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析整理，以期找出該隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征和規(guī)律，為后續(xù)確定開(kāi)挖方案、選取數(shù)值分析參數(shù)提供一些參考[1-3]。

1 工程概況

該隧道位于青海省西寧市大通縣和門(mén)源縣交界處，全長(zhǎng)14.945 km，最大埋深1085.5 m，最大斷面達(dá)110 m2。隧道穿越大阪山脈的主脊，自然坡度較陡，最大坡度達(dá)20°～40°，山脈多處為基巖峭壁，“V”型侵蝕谷分布較密集，且溝谷內(nèi)常有積水匯集，沿線分布有數(shù)十條斷層破碎帶，總長(zhǎng)達(dá)5000 m。因而，如何及時(shí)有效地控制大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、準(zhǔn)確地對(duì)大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，進(jìn)而制定出經(jīng)濟(jì)合理施工方案。為此，筆者搜集該隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，借助Origin軟件和回歸函數(shù)，分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線變化趨勢(shì)，歸納圍巖體的變形特征和規(guī)律，預(yù)測(cè)圍巖體沉降變形的最終值，為確定正確的開(kāi)挖方案提供參考。

2 監(jiān)控量測(cè)實(shí)施方案

2.1 監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容與頻率

結(jié)合技術(shù)規(guī)范和該隧道的工程地質(zhì)情況，確定了地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察、拱頂下沉、周邊位移量測(cè)和地表下沉量測(cè)（Ⅳ級(jí)圍巖洞口和淺埋地段）四個(gè)主要測(cè)項(xiàng)目。各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)頻率如表1所示[4]。

表1 監(jiān)測(cè)頻率Table 1 Frequencies of monitoring

2.2 測(cè)點(diǎn)與測(cè)線布置

該隧道洞口段處于淺埋區(qū)、巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈，自穩(wěn)能力較差，按照每隔10 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。洞身深埋段按照間隔20 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)斷面中采用臺(tái)階法施工，布置3個(gè)拱頂沉降點(diǎn)、4條周邊位移監(jiān)測(cè)線（如圖1所示）。

圖1 測(cè)點(diǎn)、測(cè)線布局Fig.1 Layout of points and line in tunnel

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

3.1 洞內(nèi)狀態(tài)觀察

該項(xiàng)目以DK265+320為監(jiān)測(cè)斷面，此處地層揭露為閃長(zhǎng)巖，礦物以長(zhǎng)石、角閃石、石英等為主，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，節(jié)理較發(fā)育，弱富水，呈塊狀構(gòu)造，分布有約200 m寬的角礫巖為主構(gòu)成的破碎帶，膠結(jié)性較差。初步判定圍巖為Ⅲ級(jí)，擬定臺(tái)階法開(kāi)挖[5,6]。

3.2 拱頂沉降變形曲線分析

DK265+320斷面處拱頂左、中、右三個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降情況如圖2所示，整個(gè)曲線呈“拋物線”型。從圖3所示中間測(cè)點(diǎn)的拱頂沉降曲線得知，該測(cè)點(diǎn)在埋設(shè)后10 d時(shí)間內(nèi)，曲線呈快速增長(zhǎng)，沉降速度基本在5.00 mm/d以上浮動(dòng)，平均速度達(dá)8.28 mm/d。15 d以后沉降速度逐漸衰減，速度降至在1.00 mm/d以下，曲線趨于平緩。22 d以后開(kāi)始下半斷面開(kāi)挖，拱頂沉降有一個(gè)突變?cè)黾又?.87 mm/d，繼而又迅速下降，在下半斷面開(kāi)挖20 d后，沉降速度明顯減小，曲線逐漸平緩。沉降速度降至0.1 mm/d。此時(shí)沉降值有一定增加，說(shuō)明下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，由于初期支護(hù)對(duì)拱部圍巖的約束和保護(hù)作用，使得下臺(tái)階開(kāi)挖作業(yè)對(duì)拱頂沉降干擾較小，在68 d時(shí)拱頂沉降值達(dá)到145.68 mm.

圖2 DK265+320斷面拱頂沉降曲線圖Fig.2 The vault settlement curves of DK265+320 section

圖3 DK265+320斷面拱頂沉降曲線圖Fig.3 The vault settlement curves of DK265+320 section

圖4 DK265+320斷面拱頂沉降變形速率曲線圖Fig.4 The vault settlement deformation rate curves of DK265+320 section

3.2 周邊位移收斂變形曲線分析

從圖5周邊位移曲線得知，AA測(cè)線、BB測(cè)線變形曲線均呈“似拋物線”型。上半斷面開(kāi)挖后前7 d曲線快速增長(zhǎng)，收斂速度均在4.00 mm/d以上，平均速度達(dá)5.54 mm/d。7 d以后曲線收斂速度逐漸衰減，收斂速度降至1.00 mm/d以下，曲線呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明上半斷面施作的初期支護(hù)已開(kāi)始約束圍巖的收斂變形，圍巖自身承載力開(kāi)始發(fā)揮作用。21 d以后位移收斂速率0.61 mm/d，說(shuō)明初期支護(hù)對(duì)拱部圍巖變形的約束已發(fā)揮作用，周邊位移已慢慢穩(wěn)定。

圖5 DK265+320斷面周邊水平位移曲線圖Fig.5 The horizontal displacement curves surrounding DK265+320 section

圖6 DK265+320斷面周邊水平變形速率曲線圖Fig.6 The horizontal deformation rate curves surrounding DK265+320 section

21 d以后開(kāi)始下半斷面開(kāi)挖，AA測(cè)線曲線在初始階段水平位移有一突變，但增量?jī)H為2.83 mm，收斂曲線形狀變化極小，說(shuō)明下臺(tái)階開(kāi)挖的選擇時(shí)機(jī)較為合理，初期支護(hù)體系以發(fā)揮其約束圍巖變形的能力。在下半斷面開(kāi)挖后7 d，收斂速度呈現(xiàn)遞減，曲線逐漸平緩。最后，在上半斷面開(kāi)挖后37 d后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變形速率接近于0，位移收斂值達(dá)到63.35 mm。該斷面的BB測(cè)線在下半斷面開(kāi)挖5 d時(shí)間內(nèi)，收斂速率在1.00 mm/d以上，而后曲線慢慢逐漸趨于平緩。在32 d時(shí)位移收斂值達(dá)到9.37 mm[7]。

3.4 監(jiān)控量測(cè)曲線穩(wěn)定性分析

由于采集數(shù)據(jù)具有離散性特性，故需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，并依據(jù)函數(shù)關(guān)系對(duì)變形曲線進(jìn)行擬合，以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的最終沉降值。在該項(xiàng)目中，回歸函數(shù)選用一次負(fù)指數(shù)方程。其方程為：u=ABe-kt，其中t為時(shí)間，u為t時(shí)刻回歸函數(shù)，A、B、k為回歸系數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回歸分析如表2所示，并將回歸曲線繪制在在圖3、圖4、圖5中。從圖中可知，回歸方程的理論值曲線與實(shí)測(cè)值曲線吻合度較高，R均在95%以上，說(shuō)明可以采用該方程來(lái)預(yù)測(cè)圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的變形與時(shí)間之間的關(guān)系。通過(guò)拱頂沉降、周邊位移實(shí)測(cè)值與回歸分析計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析（如表3、4），誤差均在5%以下，說(shuō)明用該回歸方程預(yù)測(cè)拱頂沉降、周邊位移值是可行的[8-10]。

表2 DK265+320斷面的拱頂沉降、周邊最終位移量對(duì)比分析Table 2 Comparative analysis of vault settlement and surrounding final displacement of DK265+320 section

表3 DK265+320斷面拱頂沉降實(shí)測(cè)值與理論值比較Table 3 Comparison of actual settlement value and theoretical value of DK265+320 section

表4 DK265+320斷面周邊位移實(shí)測(cè)值與理論值比較Table 4 Comparison of actual value and theoretical value surrounding DK265+320 section

4 小結(jié)

（1）監(jiān)測(cè)分析結(jié)果表明，Ⅲ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，沉降變形曲線以“拋物線”型為主，均經(jīng)歷快速增長(zhǎng)——慢速增長(zhǎng)——趨于平緩三個(gè)階段。從監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)來(lái)看，隧道拱頂沉降量比周邊水平收斂值大，在施工中需重點(diǎn)監(jiān)控該處拱頂沉降值，且隧道拱頂沉降和周邊位移均在預(yù)留變形量范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求；

（2）從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果看，拱頂下沉量實(shí)測(cè)值及周邊位移實(shí)測(cè)值均略大于回歸函數(shù)計(jì)算值，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)還未達(dá)到穩(wěn)定要求，需要二次襯砌的確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)拱頂沉降和周邊位移的變形曲線的位移值、位移速率確定了該隧道二次襯砌的施作時(shí)間，在開(kāi)挖35 d～48 d后施工較為合理；

（3）采用一次負(fù)指數(shù)函數(shù)作為回歸函數(shù)，利用該函數(shù)曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線相擬合，二者吻合度較高；并運(yùn)用該函數(shù)預(yù)測(cè)最大位移值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，誤差也較小，說(shuō)明用該回歸方程預(yù)測(cè)隧道的最終拱頂沉降值和周邊位移是可行的。