孤山隧道信息监测与反馈(董勇)

孤山隧道信息监测与反馈
中港二航局航焦晋项目部董勇
【2001年】
［摘要］本文通过对孤山隧道围岩进行变形量测、数据分析和信息反馈，阐述了隧道新奥法施工中围岩信息监测与反馈的基本过程，并得出了一些结论。

［关键词］量测变形分析监测反馈
一、工程简介
焦晋高速公路孤山隧道由孤山Ⅰ号隧道、孤山Ⅱ号左、右线隧道三座隧道构成，位于河南省焦作市博爱县境内，隧道总长860米，为分离式双洞单向行驶隧道，开挖尺寸为宽11.84米、高7.5米，属越岭中短隧道。

其中孤山Ⅰ号隧道地貌表现为孤峰状陡峭悬崖，海拔480～570米，相对高差约90米。

根据地质调查及勘探资料揭示，隧址内的地层从新到老依次为：第四系（Q4）残坡积（Q4el+dl）碎石、亚粘土；奥陶系上马家沟组（O4S）泥灰岩、白云岩、灰岩，奥陶系下马家沟组（O4X）泥灰岩、白云岩、灰岩、泥质白云岩；寒武系凤山组（∈2f）白云岩、含燧石白云岩。

隧址区内节理裂隙较发育，有4～6组，以近东西方向最为发育。

其中残坡积（Q4el+dl）主要分布于孤山Ⅰ号隧道、孤山Ⅱ号右线隧道，由呈碎石混亚粘土或亚粘土混碎石组成，碎石可分为灰岩、白云岩为主，岩土体呈松散～中密或可塑状态，围岩稳定性较差，隧道开挖时拱部易坍塌，侧壁易失稳。

奥陶系上马家沟组（O4S）主要分布于孤山Ⅱ号隧道，岩性为泥灰岩、白云岩和灰岩，属软～硬相间岩组，层间结合力较好，呈巨块状整体结构或大块状砌体结构，下部岩性段层间结合力较差，隧道开挖时，可能产生掉块，局部可能有小范围的塌方。

奥陶系上马家沟组（O4S）主要分布于孤山Ⅰ号隧道，属软～硬岩组，岩层间结合力较差，呈碎块状镶嵌结构，可能产生塌方。

寒武系凤山组（∈f）主要分布于孤山Ⅰ号隧道，属硬～极硬岩组，岩层节理发育，呈碎块状镶嵌结构，隧2
道开挖时，可能有小的塌方，局部受断层影响，围岩稳定性较差，可能有地下水渗露。

为此，设计考虑本隧道采用新奥法施工，即开挖施工中采用光面爆破技术，支护采用锚喷支护，并加以对围岩的现场监测来指导施工。

结合孤山隧道情况，隧道施工方法Ⅳ类围岩采用全断面光面爆破开挖，Ⅱ、Ⅲ类围岩采用上半断面开挖法施工，不良地质及特殊地质地段开挖采用短循环、弱爆破，并辅以必要辅助施工技术措施，超前锚杆，小导管预注浆，深孔预注浆等。

二次衬砌采用砼运输车输送泵和衬砌模板台车配套使用。

在施工中，我们通过现场量测对围岩变形情况进行监测，并把信息反馈到施工中指导施工、预报险情。

在地质条件复杂的孤山Ⅱ号右线隧道，由于预报险情及时，并采取加强措施，避免了大型事故的发生。

二、信息监测与分析
1.位移监测及回归分析
在孤山隧道施工中，我们采用坑道周边收敛监测周边收敛、用水准仪测量拱顶下沉，根据监测数据分析围岩的变形情况，为设计与施工提供反馈信息。

(1)、测点布置及量测
针对孤山隧道的实际地质情况，在孤山Ⅰ号隧道每5～10米设一个量测断面，孤山Ⅱ
号隧道每15～20米设一个量测断面。

每一断面设拱顶下沉点一处，水平测线1～2条。

拱顶下沉点一般设在拱顶处，也可作为倾斜侧线预埋件；水平测线一般设在开挖轮廓的最大跨径处，对半断面开挖的可在上下断面各设一条水平测线。

以孤山Ⅱ号右线隧道K1+280断面为例，量测断面见图1，现场量测数据见表1。

图中A、B为水平测线的端点，C为拱顶下沉的测点
(2)、回归分析
根据量测获得的数据，我们可以做进一步的分析和整理，得出相关的回归曲线，如位移速度－时间曲线、位移－开挖面距离曲线、位移－时间曲线等，通过对这些曲线的分析我们就可较准确的对围岩的变形进行监控。

在这里我们以位移－时间曲线为例，选择指数函数u=r×e-b/t做为回归分析的函数（通常对于收敛位移量测可采用指数函数、对数函数或双曲函数做为其回归分析函数），对于表1的数据结果，我们即可得出一条位移－时间回归曲线（图2）。

将指数函数转化为对数函数为lnu=ln(r×e-b/t) 即lnu=lnr-b/t
令y=lnu;a=lnr;x=-1/t 可得y=a+bx
a＝(∑x i×∑（x i y i）－∑x i2∑y i)/( (∑x i)2－n×∑x i2)=1.5483
b＝（∑（x i y i）－1/n×∑x i×∑y i）/（∑x i2－1/n(∑x i)2）＝1.1062
可的公式y= 1.5483 + 1.1062x 即u=4.70×e-1.1062 /t
－ui)（K-2）＝±0.63
偏差分析：指数函数δ=±√∑(u
回
●实测数据回归曲线
图2 K1+252处收敛变形位移－时间图
由回归函数分析（见图2），当t＝4天时u=3.52，围岩收敛达到80％开始趋于稳定，t=∞时u=4.70围岩收敛达到最大值。

2．围岩分析结论
从图2位移－时间特性曲线可以看出，位移与时间有密切关系，一般规律是：位移在前期随时间增长而迅速加大，当达到一定时间后，位移逐渐趋于稳定，即急剧变化－缓慢变化－基本稳定三个过程。

一般情况下，围岩稳定时间基本按Ⅳ－Ⅲ－Ⅱ类围岩的次序递增，这是因为围岩越稳定，位移稳定时间就越快。

围岩变形是一个很复杂的过程，把数据的回归分析与现场分析结合起来更能全面及时地反映围岩的变形情况。

另外，注重现场的观察, 如岩石间缝隙是否增大、喷射砼表面是否出现明显裂缝等。

三、信息反馈
把围岩量测数据分析的结果及时反馈到施工现场可以来评价围岩的稳定性和支护的安全性,另外，对量测资料进行回归分析获得实测最大变形值和变形曲线的极限值，进而得到开挖断面合理的预留变形值，可确保支护层的厚度。

围岩的允许位移值通常是按经验确定的，它取决于岩质条件、原岩应力大小与方向，洞室断面尺寸及支护类型等因素。

按照我国《锚杆喷射砼支护技术规范》（GBJ86-85），监测数据的应用应符合下列规定。

后期支护施工前，实测收敛速度于收敛值必须同时满足下列条件：
⑴隧道周边收敛速率明显下降；
⑵收敛量已达总收敛量的80％～90％；
⑶收敛速度小于0.15mm/d，或公定位移速度小于0.1mm/d。

当出现下列情况之一，且收敛速度无明显下降时，必须立即采取措施，加强初期支护，并修改原支护参数；
⑴喷射砼出现大量明显裂缝；
⑵隧道支护表面任何部位的实测项对收敛量已达到表2所列值的70％；
⑶用回归分析法算出总项对收敛量已接近表2所列数值。

反映地质情况，因此，根据开挖揭示的实际工程地质状况对量测数据作正确的分析，并反馈到设计中，及时调整施工方案，修正设计参数，对于提高设计的合理性、确保经济效益都有重要的意义。

在孤山隧道的施工过程中，我们利用微机处理现场采集的大量数据，做到及时采集、处理量测数据和反馈信息，程序流程框图见图3
四、围岩信息监测反馈实例
孤山右线Ⅱ号隧道在开挖至K1+255断面后，岩层间出现有夹杂泥土现象，这引起了我们的高度重视，增加了对该处围岩的监测频率，对拱顶下沉的量测一天进行2～4次，对围岩量测数据进行分析处理，如图4所示，发现围岩没有趋于与稳定的趋势，极有可能发生塌方事故。

我们把这一情况及时反馈到施工现场，提前做好准备，采取应对措施。

由于准备较充分，在洞身开挖后，仅K1+255~K1+262段拱顶出现局部坍塌，对工程进度、质量等没有造成太大的影响。

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图4 K1+258处拱顶下沉曲线图
五、几点体会
1.由图2我们可以看出，围岩有原始的应力状态到产生临空面前后，使围岩产生应力释放的一瞬间所产生的的瞬间变形占较大部分，如表1，K1+ 280开挖爆破前后产生的瞬间变形占总变形量的35％，因此，要注意围岩爆破前后的围岩量测。

2. 围岩量测观测手段要多样化，特别是对地质情况较复杂的地段，由于围岩地质的不均匀性，围岩有时会出现局部变形，紧靠围岩的周边收敛量测是不能全面反映围岩的变形情况的，我们有时可采用目测法或其它量测仪器等多个方面进行观测，全面及时了解围岩的变形情况。

3.爆破成型的好坏也直接影响量测数据的真实性。

在节理较发育的隧道，不采用有效的超前支护，爆破开挖后会造成拱部大片掉块或塌落。

采用拱架支护的隧道由于支护与拱部围岩接触不好而形成孤立支护，使量测数据不能很好地反映围岩的变化情况，因此，测点必须固定在围岩体上。

4.围岩变形与施工工序、开挖方法及施工人员的操作技能密切相关，在施工中，由于施工工序、开挖方法不当及施工人员的水平不高使围岩变形产生突变的现象也时有发生。

参考文献：
1．陈建平《地下建筑工程设计与施工》中国地质大学出版社
2．吕康成《隧道工程试验检测技术》人民交通出版社
3．王效良《铁路隧道新奥法指南》中国铁道出版社
4．夏才初《地下工程测试理论与监测技术》同济大学出版社
5．于学馥《地下工程围岩稳定分析》煤炭工业出版社
6．《公路隧道施工技术规范》1995－07－1。