李 劍

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 83000)

20世紀(jì)80年代以來，我國的水利、公路隧道工程技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并多采用新奧法(NATM)[1]理論作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)。在爆破開挖完成后，及時(shí)在開挖面附近施作緊貼圍巖的薄層噴射混凝土及錨桿、網(wǎng)片等支護(hù)措施，通過調(diào)節(jié)支撐圍巖的變形和應(yīng)力釋放，使得在支護(hù)和圍巖的共同變形過程中，圍巖應(yīng)力二次分布達(dá)到新平衡，在最大限度保持圍巖的原有強(qiáng)度的同時(shí)還能充分利用其自承能力。新奧法作為一個(gè)具體應(yīng)用巖體動(dòng)態(tài)性質(zhì)的完整力學(xué)方法，在噴錨支護(hù)的同時(shí)，按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求布置監(jiān)控量測(cè)斷面，及時(shí)掌握圍巖收斂變形穩(wěn)定情況，故通常認(rèn)為新奧法由噴射混凝土、錨桿支護(hù)及監(jiān)控量測(cè)三大要素組成。

硐室圍巖的輪廓可界定為因硐室開挖引起的應(yīng)力變化忽略不計(jì)的范圍，亦或是因硐室開挖而引起的位移變化剛好為零的位置。隧道開挖中，周邊圍巖及支護(hù)發(fā)生位移，該位移是圍巖應(yīng)力應(yīng)變和支護(hù)共同作用變化的結(jié)果。利用已開挖洞室收斂變形量測(cè)數(shù)據(jù)，通過建立隧道的收斂變形數(shù)值模型來研究圍巖變形規(guī)律已有很多學(xué)者進(jìn)行研究。陳柳、李松磊[2]等對(duì)某硬巖隧道收斂變形數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，擬合分析隧道圍巖收斂變形與開挖時(shí)間的關(guān)系。贠永鋒、唐格[3]對(duì)收斂變形數(shù)值進(jìn)行回歸分析及特性參數(shù)反演，能夠快速、準(zhǔn)確的對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性做出合理評(píng)價(jià)，同時(shí)還對(duì)未開挖隧道在開挖支護(hù)后圍巖的穩(wěn)定性做出預(yù)測(cè)。硐室變形監(jiān)控量測(cè)可以幫助工程技術(shù)人員及時(shí)準(zhǔn)確判斷隧洞圍巖的穩(wěn)定性，并預(yù)測(cè)隧洞可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，對(duì)于工程地質(zhì)條件較復(fù)雜的硐室，更能及時(shí)起到硐室穩(wěn)定預(yù)警作用。掌握隧洞施工中收斂變形達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的累計(jì)變形及收斂變形規(guī)律，為隧道設(shè)計(jì)及支護(hù)施工，提供預(yù)留變形量及二次襯砌時(shí)間等重要參數(shù)，保證隧洞的正常使用。本文通過對(duì)某地下輸水隧洞工程不同類別堅(jiān)硬巖收斂變形監(jiān)測(cè)，結(jié)合開挖具體數(shù)據(jù)比對(duì)分析，探討該工程不同類別圍巖收斂變形特性，為設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

該段隧道位主要位于新疆昌吉轄境內(nèi)北側(cè)山前區(qū)域，選取標(biāo)段全長約5.5km，設(shè)計(jì)樁號(hào)80+295—85+795，標(biāo)段內(nèi)地表多為低山地貌，地形起伏不大，巖性主要以下石炭統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖、凝灰角礫巖為主，局部夾少量凝灰質(zhì)粉砂巖，多為厚層狀-巨厚層狀結(jié)構(gòu)，樁號(hào)84+520.307附近為背斜構(gòu)造的核部，背斜的西翼巖層產(chǎn)狀為：270°～320°SW∠60°～80°，與洞軸線夾角30°～50°，東翼巖層產(chǎn)狀為35°～50°SE∠40°～60°，與洞軸線夾角40°～50°，沿洞線方向越靠近背斜核部，巖層傾角越陡。巖石大多屬堅(jiān)硬巖，飽和抗壓強(qiáng)度75～130MPa，巖石中石英含量一般<5%。隧道埋深一般163～200m，多處于新鮮、完整、堅(jiān)硬基巖內(nèi)，主要為Ⅲ類圍巖，局部存在Ⅳ、Ⅴ類圍巖。該段輸水隧洞為馬蹄形斷面，設(shè)計(jì)尺寸5.3m×4.9m(Ⅲa)、6.1m×5.65m(Ⅲb)及6.3m×6.85m(Ⅳ)等三類對(duì)應(yīng)不同圍巖類別的開挖斷面，均為中等斷面硐室。

2 收斂變形監(jiān)控量測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)量測(cè)斷面布置

該深埋硬巖引水隧洞采用普通鉆爆法施工，每次爆破開挖后，在地質(zhì)素描中記錄圍巖工程地質(zhì)狀況，包括巖性、巖層產(chǎn)狀、裂隙及地下水發(fā)育情況及一次支護(hù)情況。

收斂斷面布置按照SL 275—2016《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]要求，Ⅲ類圍巖監(jiān)測(cè)間距<50m，Ⅳ類圍巖監(jiān)測(cè)斷面布置間距<40m，布置監(jiān)測(cè)斷面如圖1所示，以5點(diǎn)法布置監(jiān)測(cè)斷面，按照SL378—2007規(guī)范[5]要求，監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)布置于距掌子面1～2m處，盡量保證能測(cè)得初始變形量，為硐室圍巖最大變形量量測(cè)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮施工開挖影響，距掌子面過近距離布置時(shí)，后續(xù)爆破開挖往往會(huì)將布置測(cè)點(diǎn)破壞，故本工程監(jiān)測(cè)斷面布置一般距掌子面1.5～3m，監(jiān)測(cè)儀器采用JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)為主，全站儀輔助監(jiān)控量測(cè)，精度能達(dá)到0.01mm。

圖1 收劍變形監(jiān)測(cè)斷面布置圖

2.2 收斂變形數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)

本文根據(jù)研究需要，選取BC測(cè)線水平收斂值及拱頂Z沉降值作為研究數(shù)據(jù)。因量測(cè)數(shù)據(jù)較多，受篇幅限制，本文僅選取82+570，、82+670、82+770及82+830四處斷面量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)見表1—2。因各斷面收斂變形數(shù)據(jù)均為施工中測(cè)得，實(shí)際施工往往難以做到較勻速開挖，故各斷面量測(cè)時(shí)間間隔個(gè)別差異較大。

表1 82+570處水平收斂變形及沉降值統(tǒng)計(jì)表

3 數(shù)據(jù)分析

隧道圍巖變形一般認(rèn)為是“時(shí)、空間效應(yīng)”共同作用的結(jié)果。地下洞室開挖前，巖體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖后硐壁巖體失去支撐，原受力平衡狀態(tài)被打破，圍巖逐步向硐壁內(nèi)側(cè)發(fā)生蠕變位移，最終硐壁周圍一定范圍內(nèi)的巖體應(yīng)力形成新的平衡狀態(tài)，稱為重分布應(yīng)力或二次應(yīng)力。施工開挖中，距離掌子面較近時(shí)，空間效應(yīng)往往起主要作用，在開挖停止或距掌子面足夠距離后圍巖的蠕變起主要作用[6]，即時(shí)間效應(yīng)占主導(dǎo)。本文利用EXCEL軟件來擬合選取隧洞工程圍巖變形量與時(shí)間的關(guān)系，施工中因每日開挖量差異性較大，故對(duì)掌子面推進(jìn)距離與收斂變形穩(wěn)定未做詳細(xì)分析。利用EXCEL軟件繪制處上述表中收斂量、沉降量及收斂速率、沉降速率與觀測(cè)天數(shù)之間的關(guān)系曲線見圖2—9所示。

圖2 82+570圍巖收斂及沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線

表2 82+670處水平收斂變形及沉降值統(tǒng)計(jì)表

表3 82+770處水平收斂變形及沉降值統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)SL 378—2007《水工建筑物地下工程開挖施工規(guī)范》，圍巖穩(wěn)定的基本判據(jù)為：

(1)變形總量已完成允許變形量的90%，其中允許變形量的取值參考GB 50086—2005[7]中表7.3.10的規(guī)定。

(2)變形速率明顯下降，收斂變形速率小于0.2mm/d，頂拱沉降變形速率小于0.15mm/d。

3.1 統(tǒng)計(jì)分析

本工程段引水隧洞開挖斷面分為5.3m×4.9m(Ⅲa)、6.1m×5.65m(Ⅲb)及6.3m×5.85m(Ⅳ)

表4 82+830處水平收斂變形及沉降值統(tǒng)計(jì)表

圖3 82+570圍巖收斂速率及沉降速率與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖4 82+670圍巖收斂及沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線圖

圖5 82+670圍巖收斂速率及沉降速率與時(shí)間的關(guān)系曲線圖

三類馬蹄形斷面，據(jù)工程特性參考相關(guān)規(guī)范可知其允許最大變形量范圍10.68～26.7mm。根據(jù)前述圖表中曲線關(guān)系，結(jié)合未列舉的斷面量測(cè)數(shù)據(jù)，通過圍巖水平收斂及拱頂沉降趨于穩(wěn)定時(shí)的量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，綜合施工開挖中因監(jiān)測(cè)斷面距掌子面較近時(shí)，高頻次爆破開挖對(duì)圍巖水平收斂情況的影響[9]，可得：①對(duì)于Ⅲ類圍巖，開挖后一般12～19d內(nèi)收斂變形值滿足規(guī)范要求，此時(shí)認(rèn)為圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，水平收斂量測(cè)值累計(jì)5.0～7.5mm，此數(shù)據(jù)初期收斂變形值可能少量缺失，故實(shí)際收斂變形值多大于此范圍值；②對(duì)于Ⅳ類圍巖，開挖后往往需要19～23d，收斂量測(cè)值滿足規(guī)范關(guān)于圍巖基本穩(wěn)定的判定要求，累計(jì)收斂值7.4～10.4mm；③對(duì)于Ⅲ類圍巖，開挖后一般13～18d內(nèi)拱頂沉降滿足規(guī)范要求圍巖穩(wěn)定判定依據(jù)值，累計(jì)沉降值多為5.0～6.9mm；④對(duì)于Ⅳ類圍巖，開挖后往往15～30d內(nèi)沉降量測(cè)值滿足規(guī)范要求圍巖穩(wěn)定判定依據(jù)，個(gè)別需要36d，累計(jì)沉降值多為7.6～12.6；⑤水平收斂變形特點(diǎn)一般符合表5的規(guī)定，根據(jù)表1—4量測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以看出本段隧洞圍巖收斂在開挖后2～3d內(nèi)變形較為急劇，考慮監(jiān)測(cè)斷面布置一般滯后于開挖1～1.5d，故實(shí)際急劇變形階段一般為開挖后3～4.5d內(nèi)，此時(shí)監(jiān)測(cè)斷面通常距掌子面2～3倍洞徑[10]，且一般Ⅲ類圍巖斷面急劇變形時(shí)間要晚于Ⅳ類圍巖斷面1d左右，此后變形進(jìn)入緩慢變形階段，最終在10～15d內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定階段；⑥對(duì)于拱頂沉降值，其急劇變形階段基本與水平收斂情況一一致，開挖后3～4.5d內(nèi)收斂變形較急劇，之后變化趨勢(shì)基本與收斂一致；⑦不同類別圍巖收斂對(duì)比，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知：Ⅲ圍巖水平收斂基本穩(wěn)定所需時(shí)間與拱頂沉降穩(wěn)定基本一致，而Ⅳ類圍巖拱頂沉降基本穩(wěn)定時(shí)間一般滯后于水平收斂穩(wěn)定2～5d。

圖6 82+770圍巖收斂及沉降值與時(shí)間的關(guān)系曲線圖

圖7 82+770圍巖收斂速率及沉降速率與時(shí)間的關(guān)系曲

圖8 82+770圍巖收斂及Z沉降值與時(shí)間的關(guān)系曲線圖

圖9 82+770圍巖收斂速率及沉降速率與時(shí)間的關(guān)系曲線

表5 圍巖穩(wěn)定判定依據(jù) 單位：mm

3.2 數(shù)據(jù)回歸分析

隧洞開挖變形監(jiān)控量測(cè)的常用動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方程為U=alnt+b，其中U為收斂位移，t為時(shí)間(d)，a、b為擬合常數(shù)，可以通過帶入各斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)求得。利用EXCEL軟件對(duì)BC測(cè)線位移收斂量、拱頂沉降量與時(shí)間的相關(guān)性進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)曲線的類型選擇原則是相關(guān)系數(shù)R2最大的函數(shù)為最優(yōu)函數(shù)，相關(guān)系數(shù)越接近1，其相關(guān)程度越高。入各個(gè)斷面的量測(cè)數(shù)據(jù)，可得上述4個(gè)斷面的收斂及沉降回歸方程見表6。

通過表6不難看出，對(duì)于Ⅲ類圍巖，82+670斷面，水平收斂相關(guān)系數(shù)R2=0.980，拱頂Z沉降值擬合方程相關(guān)系數(shù)R2=0.980，二者相關(guān)性均較好，故選取此斷面回歸方程；對(duì)于Ⅳ類圍巖，82+770斷面收斂擬合方程相關(guān)系數(shù)R2=0.986，拱頂Z沉降擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.991，二者相關(guān)性均最優(yōu)，故選取此斷面擬合方程。由于上述函數(shù)均為不收斂函數(shù)，參考3.1統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律，結(jié)合變化曲線圖，對(duì)于BC線水平收斂，選取(0，20)為水平收斂擬合函數(shù)時(shí)間取值范圍，對(duì)于Z沉降，選取(0，30)為拱頂沉降時(shí)間取值范圍。即Ⅲ類圍巖：①y=1.7964lnx+1.2738(BC)；②y=1.9346lnx+0.6787(Z沉降)；即Ⅳ類圍巖；③2.8098lnx+0.5227(BC)；④y=2.9884lnx+0.1965(Z沉降)。對(duì)于函數(shù)①，du/dx=1.796/x，根據(jù)相關(guān)規(guī)范其值≤0.2時(shí)圍巖趨于穩(wěn)定，此時(shí)觀測(cè)時(shí)間為8.98d。對(duì)于函數(shù)②，du/dx=1.935/x，根據(jù)相關(guān)規(guī)范其值≤0.15時(shí)圍巖趨于穩(wěn)定，此時(shí)觀測(cè)時(shí)間為12.9d。同理可得對(duì)于函數(shù)③及④，其圍巖趨于穩(wěn)定時(shí)觀測(cè)時(shí)間分別為14.2d和19.92d，符合3.1中的統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律

表6 各斷面收斂及沉降回歸方程

4 結(jié)語

(1)在堅(jiān)硬巖中，變形收斂較為迅速，圍巖越完整，硐室變形收斂趨于穩(wěn)定所需時(shí)間越短。收斂及沉降變形一般在開挖后3d內(nèi)較為急劇，后期逐漸變緩慢，直至穩(wěn)定。

(2)Ⅲ類圍巖水平收斂一般在12～13d內(nèi)穩(wěn)定，累計(jì)收斂值通常5.0～7.5mm。Ⅳ類圍巖略晚于前者，一般需15～20d內(nèi)趨于穩(wěn)定，其累計(jì)收斂值略大于前者，多為7.4～10.4mm。Ⅲ類收斂變形與沉降達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間相近，穩(wěn)定值亦相近，Ⅳ類沉降穩(wěn)定時(shí)間要遲于水平收斂穩(wěn)定，且沉降值略大于收斂值。

(3)通過監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及擬合，建議本文Ⅲ、Ⅳ類圍巖引水隧洞設(shè)計(jì)預(yù)留開挖變形量宜為單側(cè)5～8mm。