长冲隧道台阶法施工的现场监控量测研究

长冲隧道台阶法施工的现场监控量测研究

王　震　徐林生

（重庆交通大学土木建筑学院　重庆　400074）

摘　要　通过长冲隧道台阶法施工代表性断面必测项目的实时监控量测，对监测数据进行详细研究，采用一次负指数函数分段进行回归分析，总结出围岩变形的基本规律，确定了二次衬砌的合理施作时间，以指导隧道施工。

关键词　台阶法　监控量测　变形　回归分析

1　工程概况

长冲隧道是重庆市南岸区茶园至涪陵二级公路的控制性工程，隧道全长2 000 m，最大埋深282 m。隧址区构造属新华夏系第三隆起带之川鄂湘黔隆起褶带北西缘的明月峡背斜，工程地质条件较为复杂，主要穿过侏罗系新田沟组至三叠系嘉陵江组地层。长冲隧道采用新奥法原理设计，主要为上下台阶法开挖施工。

2　监测实施方案

2．1　监测内容及频率

必测项目为日常施工管理必须进行的量测，监测内容主要包括拱顶下沉和周边水平收敛。其量测方法简单、可靠性高、费用少，对修改设计、指导施工所起的作用较大。监测频度与监测次数见表1^［1］。

表1　监测频度与监测次数

2．2　测点布设

长冲隧道洞身段每隔20 m设置一个必测项目监测断面，每个必测断面埋设拱顶下沉测点3个；埋设拱腰周边水平收敛测点一对（上测线）、边墙周边水平收敛测点一对（下测线）。隧道开挖后，立即埋置测点并及时进行量测，如图1所示。

3　代表性监测断面现场施工监控量测与分析

3．1　变形监测曲线与特征分析

由图2和图4可知，代表性监测断面K8＋472拱顶3个测点的下沉变化曲线中，在下台阶开挖以前，拱顶3个测点的变化曲线趋势基本相同。在上台阶开挖后28 d时，拱顶下沉变化基本趋于稳定。此时左边测点的的下沉量最小，为18．20 mm，中间测点的下沉量为19．31 mm，右边测点的下沉量最大，为23．29 mm。这说明拱部存在明显的偏压，通过现场分析，其原因为倾斜状结构的围岩层间粘结力差并伴随有少量节理裂隙切割构成的地质构造偏压。下台阶开挖后，拱顶3个测点的下沉量有一定程度的突变^［2］，但幅度都不大，一周后3个测点基本处于稳定状态；上测线的收敛值在下台阶开挖后有明显增长，增长量较大，10 d后上测线和下测线的收敛均趋于稳定状态。此外从位移时间曲线图中还可以看出，在下台阶开挖前与开挖后，拱顶下沉与周边收敛大致都经历了3个阶段：急剧变形阶段、缓和变形阶段及基本稳定阶段。

图1　监测点布置示意图

图2　K8＋472断面拱顶下沉变化曲线图

图3　K8＋472拱顶下沉速率曲线图

图4　K8＋472断面周边水平收敛变化曲线图

图5　K8＋472周边水平收敛速率曲线图

由变形速率图3和图5可知，代表性监测断面K8＋472拱顶3个测点在该断面上台阶开挖后，开始的5 d内沉降速率较大并在前4 d内出现明显波动，上台阶开挖后第3 d右侧点的沉降速率最大，为3．52 mm，此后三个测点的沉降速率急剧下降，10 d后沉降速率趋近于零。由于下台阶开挖对拱顶的扰动，拱顶3个测点的沉降速率在下台阶开挖后第2 d又一次出现极值，此后3个测点的沉降速率逐渐下降，在下台阶开挖7 d后趋近于零；该断面上测线水平收敛的速率在上台阶开挖后前12 d内有明显波动，第3 d下测线的收敛速率最大，为0．237 mm/d，此后收敛速率缓慢下降，30 d后基本趋近于零；下台阶开挖后有明显增长，增长幅度较大，下测线在下台阶开挖后的第2 d收敛速率最大，为0．329 mm/d，此后变形速率逐渐减小，10 d后基本趋于稳定。

表2　K8＋472断面拱顶中间测点下沉及上测线水平收敛变化特征

从代表性监测断面K8＋472的拱顶中间测点下沉变化特征及上测线水平收敛变化特征（见表2）可知，其下台阶开挖后拱顶中间测点共有1．75 mm的沉降量，仅占总沉降量21．18 mm的8．27%，这表明下台阶开挖对拱顶有一定的扰动^［3］，但扰动量不大；而下台阶开挖后上测线的水平收敛量共增长了1．258 mm，占总收敛量5．052 mm的24．9%，这表明下台阶的开挖对上台阶会产生较大的扰动。

总结量测结果，在该断面下台阶开挖28 d后，根据公路隧道稳定性判据^［4］，可知围岩已趋于稳定，初期支护结构满足要求且处于安全状态，可以施作二次衬砌。这说明在长冲隧道采用台阶法开挖是可行的。

3．2　回归分析

取得足够的拱顶下沉数据及周边收敛监测数据后，通过对散点图的分析，采用一次负指数函数回归分析的方法可推测其最终变形值、变形速度及变形加速率，同时通过变形加速率来判断围岩在任意时刻的变形特性，回归分析方程如下：

u（t）＝A e^－B/t

式中，u（t）为变形量，B为回归系数；当t→0时，u_＋∞＝A，回归系数A为最终累计变形量的推测值，同时对其求一介导数可得任意时刻的变形速率，即v（t）＝BAt^－2 e^－B/t。考虑到台阶法施工中，下台阶的开挖对变形已趋于稳定的上部测点产生扰动，在实际分析时采用了分段函数进行曲线拟合。仍以K8＋472断面为例，取该断面拱顶下沉量最大的左测点的数据及上测线的收敛数据进行分析，得回归方程见表3。数据拟合效果较好，相关系数都在0．90以上。其中在下台阶开挖后24 d时，拱顶左测点理论下沉量24．66 mm，实际下沉量24．80 mm，预计最终下沉量28．52 mm，已产生沉降量达最终沉降量的86．47%，沉降速率小于0．05 mm/d，沉降加速率小于零；上测线理论收敛值5．21 mm，实际的收敛值5．05 mm，预计最终收敛值6．18 mm，已产生的收敛值达最终收敛值的81．7%，收敛速率小于0．1 mm/d，收敛加速率小于零。由以上分析知，该断面围岩已经基本稳定，可以施作二次衬砌。这与通过位移曲线分析得出的结论是相符的，同时可判断该断面预计最终的变形在规定的允许值内，不大于预留变形。

表3　K8＋472断面围岩变形回归分析方程式

4　结　论

根据监控量测信息进行数据分析和综合研究，对完善设计及正确指导施工至关重要。本文通过对长冲隧道代表性监测断面K8＋472的上下台阶法施工的现场实时监测，详细研究了其隧道围岩的变形状况，得出如下主要结论：

①隧道围岩的实时监测变形曲线可以分为急剧变形、缓慢变形和趋稳3个阶段。

②隧道围岩变形的监测数据回归分析表明，下台阶开挖一月后就可以适时施作二次衬砌。

③现场监测综合分析结果表明，长冲隧道洞身段采用上下台阶法开挖施工是适宜的。

参考文献

［1］夏才初，李永盛．地下工程测试理论与监测技术［M］．上海：同济大学出版社，1999．

［2］蒋树屏，赵阳．复杂地质条件下公路隧道围岩监控量测与非确定性反分析研究［J］．岩石力学与工程学报，2004，23（20）：3460-3464．

［3］李晓红．隧道新奥法及其量测技术［M］．北京：科学技术出版社，2001．

［4］中华人民共和国交通部．公路隧道施工技术规范（JTJ 042—94）［S］．北京：人民交通出版社，1996．