变形观测和地质超前预报相结合分析围岩稳定性
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摘 要：本文以贵州某山岭隧道为例，结合周边收敛、拱顶下沉、地表沉降三者之间量测数值以及无损物探―地质超前预报探测结果，分析隧道在浅埋条件下软弱围岩周边收敛、拱顶下沉、地表沉降数值变化规律以及与地质超前预报探测结果的对照分析，根据测设和探测结果进一步为隧道施工提供合理的施工方案和安全的支护参数。
引言
近年来，监控量测在隧道施工中得到了广泛的应用，其根据地质钻探资料布设观测点，但是，隧道地质情况十分复杂，存在很多安全隐患，单一的监控量测，很可能不能及时地预测险情，或者等到预测出来的时候，已经不能及时采取防治措施阻止地质灾害发生，故本文采用监控量测与无损物探―地质超前预报相结合的手段来研究围岩的稳定性。
1.变形观测测点及地质雷达测线布置
隧道变形观测断面按照公路隧道规范及结合具体地质情况布置，地表沉降量测的测点与周边收敛和拱顶下沉量测的测点布设在同一断面上，Ⅴ级围岩10m布置一个断面，Ⅳ级围岩15m～20m布置一个断面，Ⅲ级围岩30m～50m布置一个断面，各量测断面的测点靠近开挖面及时安装，距掌子面距离控制在2m范围之内，在实际的安装埋设中，考虑到施工干扰或避免测点遭到破环，测点布设的位置距开挖面远些。另做如下约定：进口至出口方向定为X轴正方向，左右方向以隧道进口至出口方向为参照，隧道横向自左至右定为Y轴正方向，垂直路面指向洞顶方向定为Z轴正方向，负号表示为拱顶向洞内的下沉量、净空向洞内方向收敛量，地表沉降向隧洞顶方向的沉降量，正号则与之相反，洞内拱顶下沉测点，从左至右编号为1～3，地质超前预报采用瑞典RAMAC―GPR（地质雷达探测仪）来探测，探测范围为掌子面前方20～25m，雷达测线以单洞同一横断面布设2条测线，测设断面具体布置见图2所示。
2.地质超前预报结果分析
本文以某隧道出口K43+660～K43+560段为例，该段位于浅埋地段，埋深为15～27m，围岩为全~强风化板岩，呈铁锈色，局部黄褐色，岩体呈碎裂状和薄层状结构，节理裂隙十分发育，表层为残余坡积层，厚为3～7m，地处洼地，雨季易积水，易造成隧道内基岩裂隙水发育，引起地表坍塌，本观测组与2009年12月选取YK43+640断面布设2条地质雷达测线，同一条测线，分别从左至右，右至左探测，以对比参照，看图像是否重叠，保证采集信息准确，具体测设地质雷达图像见图3～4。
地质雷达图像结果分析：
1)图3分析结果：掌子面前方8～10m范围内，电磁波反射信号频率低，振幅能量强，同相轴错断，初步判断，掌子面前方10m的范围内，围岩破碎，节理裂隙发育，富含基岩裂隙水；在掌子面前方10m以后范围内，信号频率很低，同相轴连续，只存在一处错断，在后部存在能量较强的多次振荡信号，初步判断此范围内含水或淤泥的软弱夹层。
2)图4分析结果：从图像上可以看出，两条测线对称性很好，在掌子面前方4～6m后，电磁波信号频率较低，振幅强，存在能量较强的多次振荡，初步判断此范围内富含裂隙水或存在软弱夹层。
综合雷达图像3、4测设结果，结合地质资料故预先建议掌子面后方围岩宜采用短台阶法施工。
3.监测断面观测数值分析
开挖后YK43+630~YK43+615段围岩节理裂隙十分发育，基岩裂隙水发育，岩体呈薄层状结构，掌子面中部至拱顶范围内有泥质夹层，遇水软化，综合掌子面和地质超前预报综合分析，选取K43+620作为周边收敛和拱顶下沉观测断面，故本文以该断面为例，来阐述监测数值内在规律及相互关系，以及为施工提供合理的防治措施和支护方案。
3.1 周边收敛特征
图5为断面K43+620左右洞周边收敛位移随时间变化趋势对比图，结合图5可知，断面K43+620右洞测线AB、CD和左洞测线EF、GH周边收敛都往洞内收缩，右洞测线AB累计收敛位移为17.82mm，测线CD累计收敛位移为6.45mm，左洞测线EF累计收敛位移10.13mm，测线GH累计收敛位移1.64mm，可以看出右洞周边收敛位移大于左洞，左右洞上台阶收敛值明显大于下台阶收敛值，说明周边收敛值在浅埋条件下受围岩水平应力作用明显，周边收敛最大值发生在拱脚处。右洞测线AB从监控开始至上台阶开挖工作面掘进10m（7d）的范围内，位移呈直线增长，此阶段位移收敛量达总收敛量的70%～80%，从第12天开始右洞下台阶开挖，此时下台阶工作面距量测断面约15m，测线AB收敛速率出现短期增大，当下台阶开挖面掘进距量测断面后15m（5d）左右时，测线AB基本稳定，相比之下，右洞测线CD的收敛位移变化较小，从监控开始到第12天左右累计收敛量达总收敛量的90%，之后几乎没有变化；左洞测线EF、GH收敛位移变化不明显，从监控开始之后9天左右收敛量达总收敛量的80%～90%，之后几乎没有变化；同时，从图5可以看出后期收敛值出现数值波动，这是由于受施工环境的影响，如喷射混凝土、立钢拱架、打锚杆等。综上所述，距量测断面前后15m的范围内对周边收敛位移的影响较大，上台阶开挖对其的影响比下台阶开挖更明显。
3.2 拱顶下沉特征
在一般情况下，隧道开挖后，由于产生了临空面，围岩应力释放，使得围岩向洞内发生位移，拱顶下沉量通常表现为负值，从图6可以看出测点1、2、3拱顶位移向洞内下沉，测点1累计下沉量为27.50mm，隧道中心线上测点2累计下沉量为33.90mm，测点3累计下沉了25.20mm，可以看出，拱顶下沉量最大位移发生在测点2，也就是隧道中心线上。从监控开始到上台阶工作面掘进15m（12天）左右，拱顶下沉由急剧变化趋于平缓，但从监控开始的第13天下台阶开始开挖，下台阶工作面距监测断面约10m，此时，从图6可以看出测点1、2、3拱顶趋势变化曲线出现反弯点，拱顶下沉变化速率明显大于上台阶开挖，马上建议立即停止开挖作业，加强观察，到下台阶开挖过监控断面后20m（6d）左右时，拱顶下沉基本趋于正常变化，之后基本趋于稳定。
3.3 地表沉降特征
地表沉降能够准确地反应隧道的整体下沉和偏移，能及时地判断围岩的稳定性，特别对于软弱围岩浅埋隧道，其在监控量测工作中比拱顶下沉和周边收敛更为重要。地表沉降断面K43+620布设日期为2009年12月15日，布设测点6个，共观测65天。由观测结果得知，X方向、Y方向（上述有约定）隧道整体偏移量很小，主要发生Z方向的变形位移，结合图7，因12月15日布置断面，右洞上台阶开始开挖，此时开挖工作面距K43+620断面为20m，测点1、2、6在从监控开始5d内，位移变化不大，测点3、4、5位移变化趋势相比测点1、2、6略大；从第6~20天内因右洞上台阶工作面距量测断面前后约10m范围内，测点3、4、5沿Z方向位移速率明显加剧，期间沉降位移达相应测点总位移的50～60%,之后，左洞上下台阶开挖使地表沉降位移在短期内发生较大变化，但明显没有右洞工作面开挖影响大，从监控开始30天之后地表沉降趋于稳定，之后几乎没有变化。
3.4 监测数值分析小结
结合K43+620断面周边收敛、拱顶下沉及地表沉降数值，分析该断面数值变化有如下特征：
1)左右洞净空收敛上下台阶呈收敛趋势，周边收敛最大位移发生在拱脚处，拱顶下沉发生在拱顶处；
2)围岩变形在开挖7d内变形较大，12d后基本趋于平稳，工作面影响范围为监控断面前后20m范围内；
3)上台阶施工时对周边收敛影响较大，下台阶开挖主要影响拱顶下沉；
4)在软弱围岩浅埋地段地表沉降位移变化趋势比洞内观测项目变化趋势要早，更能及时反应险情，利用有利时机尽快采取处理措施；
4.防治措施
根据地质超前预报和监控数值综合分析，为防止地表引起冒顶事故的发生，施工时采取如下防治措施：
1)地表采用φ42的注浆小导管注浆加固，同时，修筑临时排水沟，使雨季施工时，积水能够及时排出隧道顶层；
2)对洞内小坍塌地段采用每层15cm厚C20喷射砼+φ8钢筋网逐一支护，锚杆采用6m长φ25中空砂浆锚杆，间距150×150cm，呈梅花形布置。
3)每掘进50cm架设I20a型工字钢钢拱架，每榀钢拱架之间采用环向间距为80cm的φ22纵向连接钢筋连接，拱架上挂双层φ8@15×15钢筋网，及时喷射C20砼，厚为25cm。
4)在K43+630~ K43+590段，每榀钢拱架拱脚处采用6根锁脚锚杆进行加固，采用I18工字钢作为临时仰拱,和隧道已经布设的I20a工字钢焊接,形成临时闭合环,以加强隧道整体稳定性；
隧道实际掘进过程中，因提前采取预防措施，K43+660～K43+560浅埋地段，未引起冒顶和大坍方等严重地质灾害的发生，局部有小坍塌，施工方及时采取上述措施2，最终顺利地掘进完此段地质情况较复杂的岩体。
5.结语
隧道内地质情况十分复杂，监控量测有可能不能及时地发现险情，故结合无损物探―超前地质预报手段，预测前方岩体的岩性和地质构造发育情况，结合实际开挖地质情况，为监控量测提供合理地量测断面，对于软弱围岩浅埋隧道尤为重要。结合周边收敛、拱顶下沉和地表沉降分析围岩的变形，通过数值分析可以看出隧道是否发生整体下沉和偏移。周边收敛、拱顶下沉及地表沉降单一数值分析具有偶然性，必须结合三者综合考虑，三者之间相互影响，相互验证。
参考文献
[1]夏才初，潘国荣.土木工程监测技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.
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