浅埋软弱围岩隧道变形与受力现场监测研究

浅埋软弱围岩隧道变形与受力现场监测研究

发表时间：2019-08-30T11:49:00.463Z 来源：《建筑模拟》2019年第29期作者：李乐乐1，2 闫飞亚1，2 李源禛1，2 [导读] 通过对韶山一号工程隧道进行研究发现隧道围岩总体处于稳定状态，但在上下台阶的开挖施工中，由于受到施工振动的影响，地表会出现一定程度的沉降问题，但在二次衬砌，混凝土强度达到设计要求之后，其沉降会逐渐趋于稳定。

李乐乐1，2 闫飞亚1，2 李源禛1，2

1.武汉港湾工程质量检测有限公司湖北武汉 430040

2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室湖北武汉 430040

摘要：通过对韶山一号工程隧道进行研究发现隧道围岩总体处于稳定状态，但在上下台阶的开挖施工中，由于受到施工振动的影响，地表会出现一定程度的沉降问题，但在二次衬砌，混凝土强度达到设计要求之后，其沉降会逐渐趋于稳定。而钢支撑的应力值随时间变化曲线经历急剧增大缓慢增大趋于平缓这三个阶段，在拱部承受较大的土压力，为钢支撑的最不利部位；拱顶的压力比拱腰两测点的压力值明显偏大，在浅埋情况下拱顶部位为最不利位置。

关键词：隧道工程；软弱围岩；浅埋；现场监测；变形与受力 1 浅埋软弱围岩隧道现场监控量测技术 1.1 隧道监控量测方法

（1）周边位移监测法，不同的施工方法，运用周边位移监测法时，在对测点进行布置的过程中需要按照不同的位置。

（2）地表下沉监测，在此类隧道施工过程中，避免不了会出现地表下沉情况，因此，为了避免其对施工造成影响，就需要对地表下沉进行监测。

（3）围岩压力量测。在围岩压力量测中，每一级围岩需要选择 3 监测断面，并在其中沿隧道周边埋设三个压力盒，以保证量测的准确性。

2 隧道沉降与变形监测结果 2.1 收敛变形分析

通过对工程中的实际情况进行分析可以发现，在施工的过程中，所产生的水平收敛主要表现在支护强度上。通常情况下，在支护结束之后，由于混凝土还没有达到设计中的强度要求，这个时候就会发生快速的收敛，而当混凝土强度达到要求，支护结构开始发挥作用之后，收敛就不会再继续发生。另外，在施工过程中还发现，如果在开挖过程中所发生的振动比较大，或者是隧道受到山体两侧的压力比较大，所产生的收敛情况就会比较明显，反之，则不会出现明显收敛，也不会发生太大程度变形问题。

2.2 地表下沉分析

在本文所研究的隧道施工中，在开挖工作时，由于受到开挖施工的影响，在掌子面的附近，约7 m左右的范围内，分别出现不均匀沉降的情况。在下台阶开挖的过程中，由于上台阶的洞室地表会受到开挖振动的影响，所以也会出现沉降情况；同时，在整体开挖施工结束之后，在进行二次衬砌时，在混凝土没有达到设计强度之前，也会出现一定的沉降这些在施工中都需要进行针对性控制。另外，在开挖初期阶段，在接近和进人监测断面的时候，地表都会出现一定程度的沉降，而当开挖施工越过监测断面之后，沉降就会逐渐减轻，等到越过断面约 100 m 时，地表沉降基本上就已经固定，不会再继续沉降。

3 隧道受力监测结果 3.1 钢支撑内力计算方法

在对内力进行计算的过程中，首先采用 ZX—210T 表面型钢筋应变计测试钢支撑上下翼缘的应变，然后再利用虎克定律对测点处的应力进行计算，最后根据截面应力分布换算出钢支撑的实际内力。

3.2 结果分析

钢支撑应力值随时间的变化示意图，通过该图能够看出，应力值一共经历了从急剧增大到缓慢增大再到逐渐平稳的过程。第一阶段，为上台阶开挖阶段，该阶段受影响较大，所以应力值变化较快；第二阶段为下台阶开挖阶段，该阶段的应力值扩大速度便逐渐降低了下来；而到了第三阶段，也就是从仰拱施工做到二次衬砌结束，应力值的变化逐渐趋于平稳，并最终稳定。

在本工程中，钢支撑的轴力较大值为297.4kN，分布在隧道拱顶，而拱腰处两测点仅为23．5kN和21．8kN，着说明拱部承受的土压力比较大，在支护过程中应该加强对该部分的控制。另外，通过对钢支撑所承受的弯矩进行分析可发现，其呈对称分布，因此，在对支护进行设计的过程中，一定要确保其拥有足够强的刚度。

4 软弱围岩隧道变形控制技术研究 4.1 控制理念

软弱围岩变形控制理念，主要可归纳为减轻作用在支护结构上的荷载并允许支护结构产生较大变形的方法和为了控制围岩松弛而尽可能早地控制支护变形的方法，即所谓的柔性控制和刚性控制，两者的设计理念是完全不同的。

4.1.1 刚性控制理念

大范围围岩加固：在浅埋地层、地层自重或围岩压力小、地层松软条件下，为减少地面沉降变形或隧道变形，着力改善并加固地层。采用深孔大范围超前注浆或刚性较大的水平旋喷或大管棚超前支护、掌子面超前长锚管加固、提高围岩强度和刚度。

4.1.2 柔性控制理念

该理念是允许围岩变形，但控制围岩产生有害的变形。其结构形式分为多重支护法、可缩式支护法和分阶段综合控制法。它们的基木理念相同，都是容许围岩变形，释放地应力，减低支护压力，同时又能约束围岩松弛和过分变形，保持隧道稳定。但在技术手段上又有各自差异，经济、工期上具有较大差距。

多重支护方法：预留足够允许变形量，在超前锚管或锚杆支护下，开挖后先设置第一层支护，约束围岩的初期变形；而后在距掌子面后方适当位置设置第二层支护，使隧道稳定、从而控制围岩大变形。本方法的概念是允许一次支护发生屈服，设置二次支护后，地压和支护反力应得到平衡。

可缩式支护方法：预设足够预留变形，在超前锚管或锚杆支护下，隧道开挖后及时架设可缩式钢架等支护体系，允许产生较大变形，释放围岩压力，但要保持支护结构完整条件下的围岩压力与支护抗力平衡，防止围岩过度松弛，导致隧道围岩压力增大。可缩式支护结构工艺复杂，技术要求高，施工工期较长。

4.2 软弱围岩隧道变形控制技术体系

铁路系统的隧道技术水平一直走在全国各行业同类工程的前列，事实上在引领着隧道技术领域的发展；经过三十多年的快速发展，某些方面已达到国际先进水平，但仍面临理念性和技术性难题：由于传统习惯对初期支护的作用认识不足，很多工程的技术措施难以可靠地控制围岩稳定性，部分工序质量难以保证；施工装备水平急需提高，多数隧道施工工序以手工作业为主；隧道施工现场的管理水平不高等。而面对软弱围岩大变形问题，往往认识不足：常有增加支护厚度、增大支护钢架就可控制大变形的错误思想，缺乏综合治理、随机应变的观念；施工中缺乏科学性、安全性、高效化和经济性的协调与统一；施工技术参数优化意识不强，多台阶工作面平行作业，导致支护封闭距离过大；工期编排不合理，遇软弱围岩大变形问题仍然希望实现快速施工，施工安全与施工质量得不到有效保证。

5 结论

工程的实际案例进行研究和分析可知，在浅埋软弱围岩隧道的施工过程中，从上下台阶的开挖，一直到二次衬砌结束之前，地表都会出现沉降问题，隧道也都会出现变形问题，因此，在施工中要对其量测工作应引起足够重视，尽可能将因为地表下降所带来的影响控制在最小范围内，尽可能将变形控制在最小范围内。

参考文献：

[1]杨松，刘晓明.浅埋软弱围岩隧道变形与受力现场监测研究[J].黑龙江交通科技，2017，40（07）：157+159.

[2]刘诚，丁文其，谈识，冯宗朝，郭洪雨.基于软弱围岩变形控制工法的浅埋隧道变形现场监测分析[J].公路隧道，2016（03）：1-5.