泥岩隧道变形监控量测分析

李善英

甘肃省公路交通建设集团有限公司

摘 要：泥岩隧道因开挖卸荷作用引起围岩较大变形，对施工质量控制和安全生产带来严重威胁。为探究泥岩隧道开挖卸荷后的变形特性规律，通过开展施工现场监测试验，获取隧道拱顶、拱肩和拱腰监控变形值，研究分析围岩随时间的变形效应。结果表明:泥岩隧道沉降值和水平收敛值分别随着监测时间的变化呈现出三阶段变化趋势，具体表现为快速增长阶段、缓慢增长阶段和趋于稳定阶段;隧道拱顶沉降值较拱肩和拱腰沉降值大，沉降值随着拱顶、拱肩和拱腰沉降速率的稳定而最终趋向于定值;隧道拱肩水平收敛值较拱腰水平收敛值大，隧道的水平收敛速率值最终趋于定值;隧道沉降和水平收敛的比值变化范围较小，两者具有较好的相关性。受偏压作用是引起泥岩隧道围岩左右侧的不均匀沉降的根本原因，隧道结构设计、选型及支护施作中应引起重视。研究结果可为类似泥岩隧道的修建与变形监测提供一定的参考依据。

关键词：泥岩隧道;量测;拱顶沉降;水平收敛;

近年来，随着我国西部大开发的进一步飞速发展，在国家高速铁路、高速公路、金属矿山以及军用重要构筑物的建设过程中，涉及的工程地质问题是困扰工程建设质量和进度的决定性因素，尤其是由于施工引起的泥岩工程地质问题成为隧道能否成功建设和安全运营的核心要素。同时，我国地广物博，幅员辽阔，由“隧道大国”向“隧道强国”转变的进程中，积累着众多工程现场实例以及相关的失败的经验，这必将会推动西部地区泥岩隧道在新的建设契机下得到快速长足发展。泥岩隧道在工程建设过程中，由于开挖卸荷作用而行成的松动圈，导致的开挖隧道围岩变形机理的研究规律和岩体力学的发展存在一定联系。然而，岩体力学的发展进程中，普遍认为隧道围岩变形机理在大体上视围岩为一种连续介质，进而关注到裂隙对围岩变形和破坏的影响，有些甚至将围岩的变形分为围岩材料变形和围岩结构变形两个部分。又因围岩变形与围岩松弛直接相关，亦即想要掌握围岩的松弛，就要掌握围岩的变形量及其变形规律。随着研究者们对隧道监控变形量的关注度不断提高，监控变形分析方法也得到不断发展，出现了基于数学理论分析方法、BP神经网络、小波分析、分形几何理论、新兴设备应用等多学科交叉方式。当前，徐兮、曾山、房倩等众多学者基于数理统计理论数学分析方法，对隧道变形监控数据的处理得到相关隧道变形规律特性。黄戡、赵俊杰采用神经网络数据分析法，在收集积累大量隧道监控数据的基础上，运用BP神经网络法训练出模型，进行反演得到地层参数，再开展数值模拟计算，得到计算变形值并与实际监控量测值对比，从而得以隧道变形验证。郭科、周大华利用小波分析的去噪和多分辨性等手段，从现场获得的监测数据中去除噪声，获得岩土体变化趋势，再从去噪后的数据曲线出发，可推测岩土体水平收敛量的发展趋势。于洋基于分形几何理论，认为围岩的形变在时间上是具有分形特征的，而且呈现出较好的自相似结构特征。刘绍堂应用三维激光扫描技术于隧道变形监测学科，选用隧道多点整体监测取代传统单点监测的方法，可以克服传统方法的缺陷，能一次快速、全面地获取隧道表面的完整数据。岳建平、甘淇匀通过总结归纳，给出了多种新型隧道监测仪器工作原理、布置方法、优势及注意事项，对隧道监控量测技术发展的总结与归纳具有重要推动作用。本文依托西部地区泥岩隧道实际工程施工背景，在隧道断面监测试验的基础上，选取两个典型断面进行围岩变形规律特征分析，得到了隧道监测点的拱顶沉降、拱肩和拱腰的水平收敛及沉降的变形规律，进而获取了竖向沉降与水平收敛之间的相对变化规律。研究结果以期为我国西部地区泥岩隧道施工过程中围岩沉降及收敛变形、地质灾害风险评估以及隧道开通安全运营提供一定的参考。

1 工程地质及概况

隧道位于祁吕贺兰山字弧顶西翼褶皱带-秦岭东西向构造带的复核部位，位于尕坑山复背斜的西南翼，地质构造背景较为复杂。所处构造带内新近系红层以及古近系以前所形成的褶皱、断裂，都卷入了北西向构造带，褶皱多为紧密线状。断裂以与褶皱轴向一致的压扭性断裂为主，结构面总体走向为北西南东，向北西撒开，向南东收敛，呈不明显的弧形分布;北西向构造带内岩浆侵入活动强烈，尤其是华力西期侵入岩最发育，出露地层以前震旦系片岩、大理岩、片麻岩为主，项目区隧道主要为泥岩隧道，按岩土体类别新生代古近系、新近系也有广泛分布。在此基础上结合本区工程地质特点，根据隧道围岩的岩土体特征、地层年代、土体物理力学性质等地质条件，考虑地下水、地应力的影响，隧道的埋藏深度等因素后，综合评价隧道围岩级别为V级围岩。

隧道施工前进行预埋件埋设，根据隧洞开挖过程中以及施作衬砌支护过程中，对5个监测点，分别为拱顶(A点)、左拱肩(B点)、右拱肩(C点)、左拱腰(D点)和右拱腰(E点)进行位移监测，获取隧道横断面处各个监测点的位移变化曲线图，监测点位置布设及编号见下图1所示。

图1 监测点位布置 下载原图

2 监测结果分析

2.1 沉降观测

开挖卸荷作用是引起隧洞围岩发生变形的本质原因，监测数据能够反映隧道何时处于围岩应力调整状态及围岩何时处于平衡状态，因而，隧道监控量测在隧道施工过程中、衬砌施作阶段具有举足轻重的作用。运用新奥法设计理念，可及时支护控制围岩的变形和松弛，最大程度地发挥围岩的自稳能力以及二次衬砌作为安全储备的功效。以西部某泥岩隧道为例，选取ZK209+264和ZK209+276两个断面，通过现场监测得到隧道的拱顶、拱肩和拱腰监测变形结果数据，开展隧道围岩变形分析。

为了观察施工过程中，隧道拱顶围岩的变化规律，绘制监测A点的拱顶累计沉降值和拱顶沉降速率随时间的变化曲线如图2所示。由图2可以看出，施工前期拱顶的累计沉降量和沉降速率变化发展均比较快。隧道开挖20 d后，累计沉降量值缓慢增长，沉降速率值逐渐趋于平稳。随着后续隧道二次衬砌的施作，该断面围岩沉降量在40 d以后基本处于稳定状态。

图3为隧道左拱肩的累计沉降值和沉降速率值随着监测时间的变化曲线图。由图3可看出隧道开挖后，前20 d左拱肩的累计沉降量发展较快，之后沉降速率趋于稳定，累计沉降量不断缓慢增长到逐渐趋于稳定，30 d的累计沉降量已达到总沉降的70%左右。

图2 拱顶(A点)累计沉降量和沉降速率变化曲线 下载原图

图3 拱肩(B点)累计沉降量和沉降速率变化曲线 下载原图

图4为隧道左拱腰的累计沉降值和沉降速率值随着监测时间的变化曲线图。由图4可以看出，初始开挖后的拱腰的累计沉降量变化比较快，说明隧道初始应力状态改变后处于围岩应力调整状态。沉降速率在15 d以后不再变化，40 d后累计沉降量趋于稳定，此时围岩处于平衡稳定状态。

图4 拱腰(D点)累计沉降量和沉降速率变化曲线 下载原图

综上所述，由隧道断面中线左截面监测点的累计沉降量及沉降速率变化曲线图可知，隧道开挖40d后，ZK209+264断面拱顶、拱肩和拱腰变形沉降量分别占最终沉降量的98%、94%和98%;ZK209+276断面拱顶、拱肩和拱腰变形沉降量分别占最终沉降量的95%、88%和85%。因隧道拱顶、拱肩和拱腰变形量随时间推移的变化趋势具有一致性特点，隧道开挖40 d后的累计沉降量最终趋于稳定。加之隧道支护和衬砌的跟进施作工法，隧道开挖40 d后围岩应力基本趋于稳定状态。

2.2 收敛观测

隧道开挖后围岩受挤压会向两侧发生水平移动，由此产生的变形称之为隧道收敛。收敛变形值和收敛速率能够反映围岩的稳定状态。为研究隧道开挖后围岩的水平收敛情况，绘制左右拱肩B-C平距累计收敛量和收敛速率变化曲线如图5。由图5可知，隧道开挖后，左右拱肩B-C平距在前20 d的水平累计收敛量发展很快，随着时间的推移ZK209+264断面的收敛速率最终稳定在2 mm/d,ZK209+276断面的收敛速率最终稳定在4mm/d。左右拱肩B-C水平累计收敛量最终也逐渐趋于稳定值。

图5 左右拱肩B-C平距累计收敛量和收敛速率变化曲线 下载原图

绘制左右拱腰D-E平距累计收敛量和收敛速率变化曲线如图6。由图6可看出，隧道开挖后，左右拱腰D-E平距的水平累计收敛量不断增大，随着时间的推移ZK209+264断面和ZK209+276断面的收敛速率最终均稳定在2 mm/d，左右拱腰D-E水平累计收敛处于稳定状态。

图6 左右拱腰D-E平距累计收敛量和收敛速率变化曲线 下载原图

综合分析图5和图6左右两侧拱肩和拱腰的累计水平收敛量和收敛速率对比可知，两者的累计沉降量和沉降速率总体趋势一致均为先快速增加、之后缓慢增长、最终趋于稳定。隧道开挖后40 d围岩基本处于稳定状态。

2.3 沉降差分析

为更好地分析隧道整体沉降情况，绘制ZK209+264和ZK209+276两个断面5个监测点高程值随时间的变化曲线如图7和图8所示。由图7和图8可以看出，隧道左、右两侧监测点高程值不相等，右侧监测点的高程值较低于左侧，且拱腰的沉降差大于拱肩。分析可知隧道右侧整体的沉降值大于左侧的沉降值，可能由于隧道结构受周围岩体的作用力不均等所导致的这种左右沉降不一致现象。

图7 ZK209+264监测点高程曲线 下载原图

图8 ZK209+276监测点高程曲线 下载原图

进一步对比隧道左右侧沉降的偏差大小情况，通过拱顶高程值与左右两侧拱肩监测点高程值做差，可得拱顶与左拱肩高程差A-B曲线图、拱顶与右拱肩高程差A-C曲线图如图9所示。通过拱肩监测点高程值与拱腰监测点高程值做差，可得左拱肩与左拱腰高程差B-D曲线图和右拱肩与右拱腰高程差C-E曲线图如图10所示。

从图9和图10能够明显看出隧道中线两侧沉降变化值不相同，其中拱顶与拱肩高程差最大差值约为1.15 m;拱肩与拱腰高程差最大差值接近2.7m。造成以上隧道中线两侧沉降差不一致现象，可能是由于隧道围岩的受力不均而产生偏压所造成的。因此，在隧道结构及衬砌施工的过程须重点考虑，且应当避免在隧道施工完成及开通运营中由于偏压的存在导致结构破坏。

图9 左右两侧拱顶与拱肩高程差曲线 下载原图

图1 0 左右两侧拱肩与拱腰高程差曲线 下载原图

2.4 沉降差与收敛量比值分析

通过以上泥岩隧道2个横断面5个监测点的沉降观测值和水平收敛值分析，得到了左右侧沉降值、沉降速率、水平收敛、水平收敛速率变化值。为进一步掌握隧道断面沉降与收敛量的相对关系，通过计算拱顶沉降值除以拱肩收敛值的系数，绘制拱顶沉降值比拱肩收敛值随时间变化曲线如图11所示。计算拱肩收敛值除以拱腰收敛值的系数，绘制拱肩收敛值比拱腰收敛值随时间变化曲线如图12所示。由图11可知，该隧道两个监测断面拱顶沉降值与拱肩收敛值的比值变化范围较小，随着监测时间推移最终均趋于稳定值，大约为1.3、0.6。由图12可知，该隧道两个监测断面拱肩收敛值与拱腰收敛值的比值变化范围不大，随着监测时间推移最终均趋于稳定值，大约为1.7、1.0。

3 结论

通过对泥岩隧道变形监控量测数据进行分析，主要得到如下结论:

(1)泥岩隧道沉降值和水平收敛值随着监测时间的变化呈现出三阶段变化趋势，具体表现为快速增长阶段、缓慢增长阶段和趋于稳定阶段。

图1 1 拱顶沉降值/拱肩收敛值随时间变化曲线 下载原图

图1 2 拱肩收敛值/拱腰收敛值随时间变化曲线 下载原图

(2)隧道拱顶沉降值较拱肩和拱腰沉降值大，沉降值随着拱顶、拱肩和拱腰沉降速率的稳定而最终趋向于定值。

(3)隧道拱肩水平收敛值较拱腰水平收敛值大，隧道的水平收敛速率值最终趋于定值。同时，隧道沉降和水平收敛的比值变化范围较小，两者具有较好的相关性。

(4)隧道受偏压作用是引起泥岩隧道围岩左右侧的不均匀沉降的重要原因，隧道结构设计、选型及施作中应特别注意，避免在隧道施工及开通运营中由于偏压原因造成的危害。

参考文献

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