基于监控量测技术的隧道施工稳定性研究与分析

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摘要：对新奥法施工的隧道左线典型断面进行非接触监控量测，结合该隧道量测数据，阐述了隧道施工过程中位移与内力的的影响作用，并分析了存在的内在规律，建立了ANSYS模型，通过三个主应力图揭示了位移与轴力变化的内在原因，并确定了锚杆长度的合理性。对于同类围岩隧道的安全施工具有可借鉴的实用价值。

关键词：岩性变化，锚杆轴力，失稳，扰动

1 前言

新奥隧道施工法所运用的核心理论就是“岩承理论”，其核心内容是：稳定的隧道围岩自己具有承载自稳能力；不稳定的围岩失稳是有一定过程的，如果在这个过程中提供必要的支护和限制，则围岩仍然能够保持稳定状态。监控量测法可将量测得到的信息快速及时的反馈到设计中。

2 工程概况

隧道位于川藏高原与四川盆地过渡带，位于大渡河东南侧，穿越尖顶山，隧道进、出口分别位于尖顶山NE部大渡河南侧山梁（岗子上）斜坡及小堡乡背部山体陡坡下。隧址位于巴中～仪陇～平昌莲花状构造，表现为疏缓宽展的褶皱，该背斜位于南阳场、朱公、三汇溪一带，北东延伸较远，西与花从背斜相接，轴向由西南向东为N45°E，渐转至N80°E，呈一微向北西突出的弧形，长约40km，轴部为蓬莱镇组，西翼为蓬莱镇组到剑门关组，构造不对称，南东翼倾角7～28°，北西翼倾角5～15°，地貌上广泛发育单斜山。通过地质测绘未发现断裂构造，地层产状为倾向150～165°，倾角为6～8°，受地质构造影响轻微，基岩裂隙较不发育～较发育，基底构造稳定。隧址区位于南阳场背斜的南东翼，据背斜轴部约6km，隧道轴线与背斜轴线走向呈4～30°交角。洞口段的地层岩性主要为第四系更新统冰积、冰水沉积层小块石、块石夹（质）土、粉土角砾土等及震旦系苏雄、开建桥组流纹斑岩组成，洞身段主要为流纹斑岩和花岗岩构成。隧址区位于凉山断块活动断裂构造区，但隧址区内地表无褶皱、隆起及较大型断裂构造存在，花岗岩和流纹斑岩等火成岩构造变形微弱，岩体相对完整。地下水类型主要为基岩裂隙水，次为松散岩类孔隙水。本隧道按新奥法施工，采用混凝土喷射及锚杆支护，围岩段选用上下台阶式爆破开挖。在断面开挖后立即对隧道围岩变化进行了布设监测，通过研究分析其动态变化规律，掌握围岩动态变化特征及支护结构工作状态，用量测结果指导修改设计及施工方法。

3 监测方案

监控量测项目分必测项目和选测项目。周边收敛量测和拱顶下沉量测是隧道工程应进行的日常监控量测项目，其主要目的是掌握隧道围岩内部径向位移和松弛范围，及时了解支护受力情况、优化锚杆参数，并指导施工 。锚杆的轴力量测、围岩内部位移量测、初期支护、二次衬砌混凝土应力量测以及围岩压力、两层支护间压力量测是选测项目的主要测量内容。选测项目是为满足隧道设计与施工的特殊要求进行的监控量测项目,应该根据隧道地质状况、围岩等级、开挖方式、隧道长度等因素确定是否布设及布设断面位置。围岩接触应力量测、初衬应变及钢架应力量测等其它选测项目的布设在指导未来隧道设计有一定的意义，其量测频率应根据量测断面距开挖工作面距离关系来确定，对有特殊意义和具体代表性意义的地区进行补充测试，以求更深入地掌握围岩的稳定状态与喷锚支护的效果，具有指导未开挖区的设计施工 。

4 监测结果与分析

在隧道左洞布设1组围岩周边收敛观测断面，并在该组断面后3米处布设1组观测孔（5个），用于周边收敛与锚杆锚固轴力量测。

4.1 周边收敛量测

断面变形的收敛数值都遵循急剧变形－缓慢变形－基本稳定的规律。隧道水平线收敛数值最小，最大仅为5mm，说明断面埋设处左右岩体均无明显位移；右斜线收敛值约为7.8mm，约为水平收敛的1.5倍，表面拱顶部位向右侧有移动，左斜线收敛值的减小，也说明了拱顶处的位移变化走向。根据规范规定，其位移与之间的变化值全部小于0.2mm/d，均为稳定状态。

4.2 锚杆轴力量测

由于观测孔较多，只选取锚杆的中间观测点数据，测点1、2、3、4、5分别为布设在隧道自左向右拱形区域内，其监测结果如图4所示。

从图中可以看到:

（1） 从上图我们看到，锚杆的受力都比较小，甚至不足2KN，远小于锚杆的极限应力，说明在该断面隧道开挖过程中，围岩条件较好，围岩扰动不剧烈，锚杆支护有较大的富余从整体上看，锚杆轴力处在一个不断增加的趋势中，且处于两个阶段：前期急速变化过程与后期缓慢变化过程。由于布设位置不同，处在仰拱处的测点1和测点5轴力变化相对较小，处于左右拱间处的测点2和测点4变化较大，而拱顶处的测点3轴力变化最大，轴力增加趋势也最不稳定。

2.在隧道开挖后的5天内，各个位置锚杆内力变化较大，且有较大的波动，隧道开挖10天后内力进入缓慢增长阶段，这是由于在爆破后岩体底部或侧部失去支撑，岩体内部位移变化剧烈使得各个位置锚杆应变较大，后续紧跟的钢架支撑也对隧道预留了足够的变形量。随着隧道不断的开挖掘进，掌子面距离观测断面间距不断增大，锚杆内力受到掌子面开挖而产生的扰动越来越小，锚杆受力又进入了一次快速发展阶段，在持续数天内力增长后，锚杆内力处于一个较稳定的值。从而进一步验证了隧道围岩在开挖后变形的趋势:急剧变化一缓慢变形一趋于稳定。

3.对比上图5个测点，可以看到锚杆内力大小排列顺序为:左右拱底＜左右拱腰＜拱顶，左侧拱部轴力明显小于右侧拱部，说明隧道左、右线相邻的围岩有应力集中。左拱肩、右拱肩及拱顶各测点的拉力都随测点埋深增加，围岩的松动圈的直径大于 3.6m，锚杆还没有进入原岩应力区。而右洞开挖对其也将会产生较大扰动，故在该部位围岩的扰动与变形应该最为剧烈，锚杆内力也较大；拱顶锚杆内力大于拱腰，这是由于该隧道岩层为水平分层，故开挖扰动下竖向扰动将大于水平向扰动，且拱顶离右洞较近故受右洞开挖影响也大于左侧拱腰，所以拱顶锚杆将承受较大应力。

对开挖断面进行ANSYS模拟分析，从三个主应力图可以看出，整个地层大部分地区是受压的，应力最大处在隧道左洞拱顶处与此处位移变化量也最大，而拱腰区域受压相对较弱，拱顶塑性区在上方1倍半径处。

同时从图中可知道，拉应力区域都在所加固的围岩范围以内，而围岩加固的范围是由锚杆的长度决定的。因此，说明在本隧道的设计中，所采用的锚杆长度是合理的，而且是有效的。地层在仰拱部分的拉应力也比较大，因此，建议在施工过程中，宜早封闭。从整个应力图可以得出，所设计的初期支护参数能满足施工过程中围岩的稳定。

6 结论

通过对隧道左线围岩变形的监控量测和ANSYS仿真，得出以下结论：

（1）统计结果表明，收敛变化的最大值在10mm以内，通常为6mm左右。一般情况下，即当隧道掌子面岩性均匀，岩质较硬，岩体节理为较发育，结构较为完整时，在布设断面开挖后的5～10d内，围岩收敛变化的速率较大，收敛加速度为正，随着隧道掘进深度不断增加，大约在布设断面开挖的15d以后，由于施工进展在所布射断面的扰动逐渐减小，且喷射混凝土、注浆锚杆和架立钢拱架限制了围岩变形，所测数据逐渐趋近某一数值，围岩也逐渐趋于稳定状态。

（2）位移受到扰动影响较小，可以近似看做无扰动情况下围岩拱部唯一情况。周边收敛数据变化起伏较小而锚杆所受内力变化较大，左侧线位移收敛增大而右侧收敛减小说明随着隧道右洞开挖后，右侧失去支撑，岩体短时期内再次进入失稳状态，应力重新分布，轴力测点1、2、4、5在15d～20d出现波动也与之相印证。

（3）隧道围岩稳定性的预测和判别应以实测数据基础，结合ANSYS分析，以此确定隧道结构的合理性与完整性，对隧道围岩的整体变化作出准确判断。

参考文献

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