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关虎冲隧道监控量测与围岩稳定性分析 ① 吴吉民 （中国地质调查局 武汉地质调查中心，湖北 武汉 ４３０２０５） 摘 要 为了确定关虎冲隧道围岩在施工过程中的稳定性，针对关虎冲隧道典型断面的周边收敛、拱顶沉降和仰拱隆起等监测数 据进行了整理和分析，并在此基础上对施工过程中隧道围岩的稳定性进行了判断。 隧道监控结果表明，关虎冲隧道在施工过程中， 各断面的周边收敛及拱顶沉降都是前期变化较快，后期变化缓慢，围岩变形基本稳定。 分析方法对类似隧道工程的监控量测信息 的合理应用具有参考意义。 关键词 隧道监测； 量测数据； 周边位移收敛； 拱顶沉降； 围岩稳定性 中图分类号 ＴＵ４５４文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１４．０５．００６ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１４）０５－００２３－０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｒｏｃｋ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｕａｎｈｕｃｈｏｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ ＷＵ Ｊｉ⁃ｍｉｎ （Ｗｕｈａｎ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｃｈｉｎａ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｕｒｖｅｙ， Ｗｕｈａｎ ４３０２０５， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｎ Ｇｕａｎｈｕｃｈｏｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｂｏｕｔ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ， ｖａｕｌｔ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｕｐｌｉｆｔ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ａｒｃｈ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｄ ｖａｕｌｔ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃｈａｎｇｅ ｆａｓｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｔｈｅｎ ｓｌｏｗ ｄｏｗｎ ａｔ ｔｈｅ ｌａｔｅｒ ｈａｌｆ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｎ ａ ｍｏｓｔｌｙ ｓｔａｂｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｔｈｉｓ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｍａｙ ｂｅ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｕｎｎｅｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｕｎｎｅｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ； ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ； ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｖａｕｌｔ； ｒｏｃｋ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ 近年来，地下工程应用范围不断扩大，一些重大项 目或关键性的项目，以及环境条件恶劣、施工难度大的 项目，都注重了监控量测工作。 监控量测信息被广泛 应用于施工地质超前预报、信息化设计和施工、地质体 改造效果的检验以及力学参数反演等方面。 关于隧道 工程的监控量测和信息化施工，我国在发展以位移测 试为主体的隧道施工监测系统以及监测信息反馈理论 方面取得了很大的进展［１－５］。 本文针对某高速公路隧道工程的施工监控量测数 据进行了系统的整理和分析，并在此基础上对施工过 程中隧道的稳定性进行了判断，为类似隧道工程的监 控数据的处理和分析提供了参考。 １ 工程概况 关虎冲隧道位于湖南省境内溆怀高速公路，左线 线路里程为 ＺＫ１２５＋０９０～ＺＫ１３０＋０１０，全长 ４ ９１８．０ ｍ； 右线线路里程为 ＹＫ１２５＋０７０～ＹＫ１３０＋０４０，全长 ４ ９７０．０ ｍ。 隧道区地貌类型主要为中低山地貌，区内山顶最 大高程为 ７１７．８ ｍ，最低高程 １５０．０ ｍ。 隧道区内，冲沟 中为冲洪积层，山坡及岗丘上为第四系残坡积层，下伏 基岩为石炭系化学岩及震旦系寒武系浅变质岩和未变 质的化学沉积岩及少量碎屑岩。 隧道穿越多座山体， 沿线剥蚀、切割强烈，山体陡峭，冲沟呈狭长得“Ｖ”字 形，沿线山顶与紧邻冲沟高差一般为 ２００～３５０ ｍ。 场 地地下水主要为岩溶水和基岩裂隙水。 岩溶水主要分 布于石炭系白云质灰岩和白云岩等可溶岩分布区。 ２ 监控量测方案 ２．１ 净空变化和拱顶下沉量测 关虎冲隧道的量测仪器、测试精度、量测断面、间 距测点数量如表 １ 所示。 ①收稿日期 ２０１４－０４－１０ 作者简介 吴吉民（１９７６－），男，湖北应城人，硕士，高级工程师，主要从事地质灾害调查与防治方面的工作。 第 ３４ 卷第 ５ 期 ２０１４ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３４ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４ 表 １ 量测仪器、测试精度、断面间距、测点数量 围岩 级别 断面间距 ／ ｍ 水平净空变化拱顶下沉 每断面测点数量测仪器测试精度每断面测点数量测仪器测试精度 Ⅲ２０～４０２ 条１ 个 Ⅳ１０～２０２ 条收敛计０．０１ ｍｍ１ 个 Ⅴ～Ⅵ５～１０２ 条１ 个 水准测量的方法， 水准仪钢尺 １．０ ｍｍ 注洞口及浅埋地段断面间距取小值。 水平净空变化测线布置方法当采用全断面开挖方 式时，设一条测线；当采用台阶法开挖时，可在拱脚和边 墙脚上 １ ｍ 的部位各设一条测线，测点布置见图 １。 图 １ 拱顶下沉、位移收敛及仰拱隆起测点布置 水平净空变化、拱顶下沉量测一般设置在距离开 挖工作面 ２ ｍ 范围之内埋设测点，开挖后 ２４ ｈ 内，下 次爆破之前取初读数。 拱顶下沉量测应与水平净空变化量测在同一量测 断面内进行。 当地质条件复杂、下沉量或偏压明显时， 除量测拱顶下沉外，尚应量测拱腰下沉及基底隆起量。 在避免被爆破作业破坏的前提下，测点应尽可能 靠近工作面埋设，一般距离为 ０．５～２ ｍ，并且应牢固可 靠，易于保护、识别，量测断面用红油漆标识。 拱顶下 沉量测后视点必须埋设在稳定岩面上，并与洞、内外水 准点建立联系。 水平净空变化和拱顶下沉采用相同的量测频率， 一般根据位移速度和距开挖工作面距离选择较高的一 个量测频率，如表 ２ 和表 ３ 所示。 表 ２ 量测频率表（按距开挖面距离） 位移速度 ／ （ｍｍｄ －１ ） 量测断面距开挖工作面 的距离 量测频率 ／ （次ｄ －１ ） ≥５＜１Ｂ２ １～５（１～２）Ｂ１ ０．５～１（２～５）Ｂ１／３～１／２ ０．２～０．５（２～５）Ｂ１／３ ＜０．２＞５Ｂ１／７ 注表中 Ｂ 表示隧道开挖宽度。 表 ３ 量测频率表（按位移速度） 位移速度／ （ｍｍｄ －１ ）量测频率／ （次ｄ －１ ） ≥５２ １～５１ ０．５～１１／３～１／２ ０．２～０．５１／３ ＜０．２１／７ ２．２ 仰拱隆起量量测 仰拱隆起量量测根据图纸要求在仰拱施作后，在 可能产生隆起的位置设置观测点，在地质条件复杂、下 沉量大或偏压严重明显的部位加密测试。 仰拱隆起观 测点按普通水准基点埋设，并在 ３～４ 倍洞径处设水准 基点，作为各观测点高程测量的基准，从而计算出各观 测点的隆起量。 仰拱隆起测点的布置宽度根据围岩类 别、隧道地质情况和隧道开挖宽度而定，其量测断面的 间距为Ⅲ级及以上围岩不大于 ４０ ｍ； Ⅳ级围岩不大 于 ２５ ｍ； Ⅴ级围岩小于 ２０ ｍ。 在各仰拱的地质条件 变化处增设拱顶测点 １～２ 个断面，每断面 ２～３ 个测 点，测点具体布置为仰拱距离隧道边墙 １ ｍ 处各布置 一个，仰拱中线位置布置一个，３ 个测点应在同一断 面。 隧道仰拱施作后开始测量，并待隆起稳定以后停 止量测。 ３ 监控量测结果与分析 针对不同的围岩状况，选取了两个断面进行监控 量测，数据分析如下 １） ＺＫ１２９＋６８０ 断面该断面处为Ⅳ级围岩，埋深 ８０ ｍ。 围岩主要为弱 ～ 微风化、薄 ～ 中厚层白云质灰 岩，白云岩夹薄层紫色，灰色泥岩及层间错动产生的角 砾岩，为坚硬岩夹软岩。 此段隧道施工应用新奥法原理施工，采用复合式 衬砌，初期支护包括拱顶及边墙部分的 ３００ ｃｍ 长的 Φ２２ 药卷锚杆，纵环间距 １２０ ｃｍ１２０ ｃｍ，梅花形布 置；单层 Φ８ 钢筋网（间距 ２０ ｃｍ２０ ｃｍ）；２２ ｃｍ 厚 Ｃ２０ 喷射混凝土；Φ２２ 格栅钢拱架（纵距 １２０ ｃｍ）。 二 次衬砌采用 ４０ ｃｍ 厚 Ｃ２５ 模筑混凝土。 初期支护与二 次衬砌之间铺设 ＥＶＡ 防水卷材作为防水层。 监控量测数据如图 ２～４ 所示。 ４２矿 冶 工 程第 ３４ 卷 图 ２ 左线 ＺＫ１２９＋６８０Ａ－Ａ 断面周边收敛位移⁃时间曲线图 从图 ２ 可以看出前三周的收敛值变化较快，且变 化量大，占总收敛值的 ８６％左右，后两周的收敛值变 化较小，且逐渐趋于稳定。 当收敛位移达到 ７．０６ ｍｍ 时，变形已经基本稳定，且逼近理论回归值。 可以判 断，最终变形稳定。 图 ３ 左线 ＺＫ１２９＋６８０ 断面拱顶沉降累计值⁃时间曲线图 从图 ３ 可以看出前三周的拱顶沉降值变化较快， 占总沉降值的 ８６％左右，后两周的拱顶沉降值变化较 小，且逐渐趋于稳定。 当拱顶沉降达到 ６．３７ ｍｍ 时，变 形已经基本稳定，且逼近理论回归值。 可以判断，最终 变形稳定。 图 ４ 左线 ＺＫ１２９＋６８０ 断面仰拱隆起累计值⁃时间曲线图 从图 ４ 可以看出３ 个点的隆起量都集中在前两 周，基本占 ８０％左右。 后两周的变形有明显减缓的趋 势。 可以判断，最终变形稳定。 ２） ＺＫ１２９＋４００ 断面该断面处为Ⅲ级围岩，埋深 １２１ ｍ。 围岩主要为微风化薄～中厚层白云质灰岩、白 云岩夹薄层紫色、灰色泥岩。 岩体一般较完整，局部较 破碎。 此处隧道施工应用新奥法原理施工，采用复合式 衬砌，初期支护包括拱顶及边墙部分的 ２５０ ｃｍ 长的 Φ２２ 药卷锚杆，纵环间距 １２０ ｃｍ１２０ ｃｍ，梅花形布 置；单层 Φ６ 钢筋网（间距 ２０ ｃｍ２０ ｃｍ）；１０ ｃｍ 厚 Ｃ２０ 喷射混凝土。 二次衬砌采用 ３５ ｃｍ 厚 Ｃ２５ 模筑混 凝土。 初期支护与二次衬砌之间铺设 ＥＶＡ 防水卷材 作为防水层。 监控量测数据统计如图 ５～６ 所示。 图 ５ 左线 ＺＫ１２９＋４００Ａ－Ａ 断面周边收敛位移⁃时间曲线图 从图 ５ 可以看出前两周的收敛值变化较快，占总 收敛值的 ８３％左右，后两周的收敛值变化较小，且逐渐 趋于稳定。 当收敛位移达到 ５．９３ ｍｍ 时，变形已经基本 稳定，且逼近理论回归值。 可以判断，最终变形稳定。 图 ６ 左线 ＺＫ１２９＋４００ 断面拱顶沉降累计值⁃时间曲线图 从图 ６ 可以看出前两周的拱顶沉降变化较快，占 总沉降值的 ８６％左右，后两周的沉降值变化较小，且 逐渐趋于稳定。当拱顶沉降达到 ８．６２ ｍｍ 时，变形已 （下转第 ３０ 页） ５２第 ５ 期吴吉民 关虎冲隧道监控量测与围岩稳定性分析 评价的粗糙集⁃ＢＰ 神经网络预测与评价模型，为研究 矿岩可爆性提供了新的思路和方法。 ２） 研究过程中选取爆破漏斗体积、大块率、小块 率、平均合格率、岩体声波速度、波阻抗等 ６ 项影响矿 岩可爆性的指标，对收集整理的数据进行了离散归一 化处理，然后采用粗糙集对数据进行了属性约简，从而 实现了矿岩可爆性的数据级融合。 进一步分析认为， 爆破漏斗体积、大块率和小块率等 ３ 项指标用于表征 岩石的爆破特征；而岩体声波速度和波阻抗等 ２ 项指 标反映了岩体的节理、裂隙情况及岩石的弹性模量、泊 松比、密度等物理力学特性。 ３） 研究认为，在属性约简的基础上，粗糙集⁃ＢＰ 神经网络的预测精度比 ＢＰ 神经网络更高。 在多源信 息融合模型的基础上，研究了某矿山的矿岩可爆性，通 过矿岩的可爆性指数，计算得到了矿房深孔爆破的炸 药单耗。 通过多源信息融合计算得到的炸药单耗与采 用爆破漏斗试验反演计算及现场试验实测的结果非常 接近，从而验证了该方法的可靠性。 参考文献 ［１］ 蒋复量． 金属矿矿岩可爆性评价及井下采场深孔爆破参数优化的 理论与试验研究［Ｄ］． 长沙中南大学资源与安全工程学院， ２０１１． ［２］ Ｆ Ｃ Ｂｏｎｄ． Ｔｈｒｅｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｃｏｍｍｎｉｎｕｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ， １９６０（１２）２０５－２２３． ［３］ 汪旭光． 爆破手册［Ｍ］． 北京冶金工业出版社，２０１０． ［４］ 钮 强，龙凌霄，王明林． 我国岩石爆破性分级的试验研究［Ｊ］． 金属矿山，１９８４（１２）２－８． ［５］ 黄苹苹． 岩体可爆性的模糊综合评判分级法［Ｊ］． 长沙矿山研究 院季刊，１９８９，９（４）６３－７２． ［６］ 葛树高． 矿岩可爆性评价与合理炸药单耗的确定［Ｊ］． 有色矿山， １９９５，４７（２）１１－１５． ［７］ 杨德强，池恩安，潘玉忠，等． 应用层次分析法分析土石方爆破影 响因素的权重［Ｊ］． 矿冶工程，２０１３（５）３０－３２． ［８］ 李超亮． 露天矿山爆破效果与综合成本优化研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１２（６）２６－２８． ［９］ 何功卓，邹雪芹，范文忠． 东鞍山矿矿岩可爆性分区灰色模型及其 应用［Ｊ］． 中国矿业，１９９３（５）２７－２９． ［１０］ 冯夏庭． 岩石可爆性神经网络研究［Ｊ］． 爆炸与冲击，１９９４，１４ （４）２９８－３０６． ［１１］ 蔡煜东． 岩体可爆性等级判别的遗传程序设计方法［Ｊ］． 爆炸与 冲击，１９９５，１５（４）３２９－３３４． ［１２］ 叶海旺． 土岩爆破智能化系统研究［Ｄ］． 武汉武汉理工大学土 木工程与建筑学院，２００３． ［１３］ 方 崇，成艳荣，代志宏，等． 基于蚁群算法岩体可爆性分级的投 影寻踪回归方法［Ｊ］． 工程爆破，２０１０，１６（１）１２－１５． ［１４］ 薛剑光，周 健，史秀志，等． 基于熵权属性识别模型的岩体可爆 性分级评价［Ｊ］． 中南大学学报（自然科学版），２０１０，４１（１）２５１ －２５６． ［１５］ 周 楠，王德胜，常建平，等． 基于综合赋权聚类分析的岩石爆破 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