财神梁隧道不同开挖方法下的围岩变形监测与稳定性研究

财神梁隧道不同开挖方法下的围岩变形监测与稳定性研究

陈　松¹　徐林生¹　史爱民²

（1重庆交通大学土木建筑学院　重庆　400074；2重庆高发司渝东分公司　重庆　400042）

摘　要　本文通过对财神梁特长隧道全断面法和台阶法两种不同开挖方法下典型断面的围岩变形监测，分析研究其稳定性状况，用以优化开挖方法和指导施工。

关键词　财神梁隧道　监控量测　回归分析

重庆市奉节至云阳高速公路财神梁特长隧道为分离式双洞单向行驶隧道，单洞全长4 943 m，隧道建筑界限高5．0 m，限宽10．25 m。该隧道以Ⅳ级围岩为主，其长度占到了隧道总长度的70%。所以Ⅳ级围岩段的施工是整个隧道施工的主要部分，对其不同开挖方法进行监测和优化分析研究，对于加快施工进度、提高经济效益都具有重要的意义。作者选择了Ⅳ级围岩段中两个不同开挖施工方法的代表性断面，对其监测数据进行了比较分析，研究其不同工况下的围岩动态变化情况，以指导施工。

1　概　述

监控量测内容主要包括拱顶下沉和周边水平收敛位移量的监测，其断面测点布置如图1所示。全断面法开挖时，每个监测断面都要对拱部左、中、右3个测点进行拱顶下沉量测，并对边墙处的下测线进行周边水平收敛量测；上下台阶法开挖时，还要对拱腰处的上测线进行周边水平收敛的量测。每个断面的监测频率为：开始1～15 d为1次/d，16 d～1个月为1次/2 d，1～3个月为1次/周，大于3个月为1次/月。其中周边水平收敛用隧道位移收敛仪量测，拱顶下沉则采用水准仪和一把吊挂在拱顶测点弯钩上的长钢卷尺加基点相配合来测定。

图1　监测断面测点布置示意图

2　隧道围岩变形监测与稳定性分析

对财神梁特长隧道左右洞Ⅳ级围岩段，施工单位分别采用全断面法和上下台阶法进行开挖施工，以下分别选取代表性监测断面做对比研究。

2．1　上下台阶法开挖下的围岩变形监测与稳定性分析

重点以右洞YK71＋415代表性监测断面为实例：

（1）周边水平收敛

该断面周边水平收敛随时间的变化曲线如图2所示。从图中我们可以看出上测线总的变化趋势为：快速增长阶段→趋稳阶段→快速增长阶段→缓增趋稳阶段。上台阶开挖初期，上测线周边水平收敛值增长较快，但开挖一周后其增长明显减慢；上台阶开挖18 d后该断面进行下台阶开挖，上测线周边水平收敛速率有显著增加，最大值达0．829 mm/d；下台阶开挖5 d后，上测线的周边水平收敛位移速率逐渐减慢。30 d后上测线变形基本趋于稳定，其稳定收敛值为10．347 mm。其中上台阶开挖过程中的变形量为6．602 mm，占总位移量的64%，下台阶开挖过程中的变形量为3．745 mm，占总位移量的36%，表明下台阶开挖对上测线周边水平收敛会产生较大影响。

该断面下测线周边收敛历时变化曲线呈“抛物线”形，总体上经历了快速增长→缓增趋稳的过程。其中前一周的水平收敛速率增长较快，平均速率为0．633 mm/d，随后的时间速率都增长得很慢，下台阶开挖10 d后收敛就基本趋于稳定，稳定收敛值为3．492 mm。

（2）拱顶下沉

从拱顶下沉变化曲线（如图3所示）可知，该断面3个测点的变化曲线基本一致，其中左边测点的拱顶下沉量最大，中间测点次之，右边测点最小，表明该断面受到了偏压影响。拱顶下沉曲线的变化趋势与上测线周边水平收敛的变化趋势很相似：上台阶开挖初期变形增长很快，一周后逐渐减缓；下台阶开挖后，拱顶各测点的下沉量又出现了较快增长，增速大多为1 mm左右；下台阶开挖一周后拱顶下沉速率则逐渐减慢，历时30 d后拱顶各测点均趋于稳定，左顶测点、中间测点、右顶测点的稳定位移值分别为24．10，22．20，21．60 mm。其中上台阶开挖时中间测点的下沉量为13．40 mm，占总下沉量的60%，下台阶开挖时的下沉量为8．8 mm，占总下沉量的40%，表明上台阶开挖对顶拱下沉影响更大。

图2　YK71＋415断面周边水平收敛图

图3　YK71＋415断面拱顶下沉图

2．2　全断面法开挖的围岩变形监测与稳定性分析

重点以左洞ZK71＋942代表性监测断面为实例：

（1）周边水平收敛

从图4可以看出，其变化曲线呈“抛物线”形。全断面开挖的初期变形曲线增长得很快，大约15 d后其增长逐渐减缓，曲线进入了缓增趋稳的阶断，20 d后基本趋于稳定，稳定收敛值为3．946 mm。其中前15 d的收敛量为3．479 mm，占总收敛量的88%。

（2）拱顶下沉

该断面拱顶3个测点的变化也基本一致（如图5所示），左、中、右3个测点的下沉量分别为30．3，27．4，26．4 mm，可以看出这个断面有一定的偏压现象存在。3个测点的曲线变化也经历了快速增长阶段和缓增趋稳阶段。以中测点的变化曲线为例，曲线在前12 d增长较快，20 d后曲线就基本趋于稳定，其中前12 d的下沉量为24．9 mm，占总量的90%。

图4　ZK71＋942断面周边水平收敛图

图5　ZK 71＋942断面拱顶下沉图

3　围岩变形曲线的回归分析

我们用一次负指数函数对监测数据进行回归分析，回归方程为：u＝a－B e^－kt，其中t为时间，u为t时刻沉降量，a，B，k为回归系数^［1～3］。上下台阶法施工时考虑到下台阶的施工要对上部测点产生影响，在分析时采用了分段函数，具体分析结果见表1。对回归方程分别求一阶和二阶导数可以得到任意时刻测点的变形速率为d u/d t＝kB e^－kt，变形加速率为d² u/d t²＝－k² B e^－kt。

由表1可知，ZK71＋942断面中测点当t＝23 d时，拱顶理论下沉量为27．14 mm，实测下沉量为26．70 mm，预计最终沉降量为27．88 mm，已产生的沉降量占总沉降量的96%，顶拱下沉速率为0．12 mm/d，小于0．07～0．15 mm/d；下测线周边水平收敛的理论值为3．93 mm，实测收敛值为3．82 mm，预计最终收敛值为4．23 mm，已产生的收敛值占总收敛值的90%，已可以施作二次衬砌。

YK71＋415断面中测点当t＝29 d时，拱顶理论下沉量为21．18 mm，实测下沉量为20．90 mm，预计最终沉降量为21．78 mm，已产生的沉降量占总沉降量的96%，拱顶下沉速率为0．12 mm/d，小于0．07～0．15 mm/d；上测线周边水平收敛的理论收敛值为10．30 mm，实测收敛值为10．24 mm，预计最终收敛值为10．32 mm，已产生的收敛值占总收敛值的99%，可以进行二次衬砌施工。

表1　监测断面围岩变形回归分析结果表

由上面的分析可知，全断面法开挖时围岩趋稳所需的时间比上下台阶法开挖时少，这与通过位移曲线所得到的结论是相符的。同时可以看出围岩的最终变形量在规定的允许值内，且小于预留变形量，围岩的变形是安全的。

4　结　论

财神梁特长隧道洞身Ⅳ级围岩段代表性监测断面不同开挖方法下的变形监测与稳定性研究结果表明，上下台阶法较全断面法开挖并没有明显优势，故建议施工单位全部改为全断面法开挖施工，以便加快该隧道的开挖施工进度和节约施工成本。

参考文献

［1］李晓红．隧道新奥法及其量测技术［M］．北京：科学出版社，2001．

［2］郑凯，刘保国．复杂地质条件下大跨度双连拱隧道监控量测技术的运用［J］．隧道建设，2006，26（2）：53-56．

［3］徐爱民．大湾隧道洞口段施工及监控量测信息反馈［J］．工程地球物理学报，2005，2（2）：101-103．