彭 飛，袁崠洋

(浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 311305)

監(jiān)控量測作為“新奧法”施工的關鍵技術之一，對監(jiān)測隧道施工安全、控制指導動態(tài)施工具有重要的作用[1]。隧道洞內位移是監(jiān)控量測中最重要、最具代表性的監(jiān)測參數(shù)之一[2]，實際監(jiān)測時需準確的采集隧道的位移數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的準確性依賴于監(jiān)測點埋設的牢固性及合理性，現(xiàn)行規(guī)范[3]中關于測點的埋設規(guī)定應牢固、可靠、易于識別，應能真實地反應圍巖、支護的動態(tài)變化信息。洞內必測項目各測點宜埋入圍巖中，深度不應小于0.2m，不應焊接在鋼支撐上，外露部分應有保護裝置。規(guī)范中雖對監(jiān)測點埋設深度有大致要求，但對于不同圍巖等級情況下監(jiān)測點埋深的選取并未做出明確限定，0.2m埋深監(jiān)測點埋設深度是否適用于所有地質狀況未知。針對現(xiàn)存問題，首先進行不同等級圍巖開挖模擬計算，分析隧道圍巖位移變化情況。然后開展基于監(jiān)測點不同埋設深度的公路隧道圍巖變形監(jiān)測試驗。最后對采集的數(shù)據(jù)進行擬合分析，對比圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢，獲取監(jiān)測點的最佳埋深，實現(xiàn)對隧道圍巖變形監(jiān)測點埋設深度的優(yōu)化。

1 依托工程概況

杭紹臺高速公路全長約162.3km，設計速度100km/h，沿線多為山區(qū)，隧道所占比例較高。本次現(xiàn)場試驗共選取了平水隧道、車頭隧道、玄風嶺隧道、高湖頭隧道、陳家山隧道、鏡嶺隧道，隧道設計為分離式雙向四車道，斷面開挖最大跨度為11.6m，最大高度7.3m，開挖面積約89.9m2。

2 隧道拱頂下沉數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值模擬的方法，分析隧道開挖時拱部不同深度的圍巖位移值，了解圍巖位移規(guī)律。采用Midas GTS/NX巖土有限元數(shù)值模擬分析軟件，進行計算分析。

2.1 支護結構力學參數(shù)

隧道采用復合式襯砌支護方式，各類圍巖條件下支護參數(shù)如表1所示。

支護結構力學參數(shù)的選取按照剛度等效原則，將噴砼、鋼架、鋼筋網(wǎng)統(tǒng)一折算稱為噴混。在剛開始施工時噴混剛度較小，但是施工后期隨著材料的硬化，噴混的剛度會逐漸的增大。為了模擬這一過程，在計算時將噴混分為軟噴和硬噴，支護結構力學參數(shù)如表2所示。

2.2 圍巖力學參數(shù)

此次現(xiàn)場實驗圍巖分類標準采用的是《公路隧道設計規(guī)范》中的BQ分類法，該分類標準綜合考慮了地下水、主要軟弱結構面、初始地應力等的綜合影響，是一個綜合性的評價標準。試驗區(qū)段內隧道圍巖等級有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三種，結合勘察試驗情況，各類圍巖力學參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖力學參數(shù)表

2.3 模擬結果分析

模擬得到不同圍巖等級條件下，隧道垂直方向位移云圖1～圖3。

圖1 Ⅲ級圍巖豎直方向位移云圖

圖2 Ⅳ級圍巖豎直方向位移云圖

圖3 Ⅴ級圍巖豎直方向位移云圖

由模擬位移云圖可知，在垂直方向上，不同埋深處的圍巖位移量明顯的不同，表現(xiàn)出一定的分層現(xiàn)象，表明巖體位移具有一定的空間效應；隨著隧道圍巖等級的變化，在隧道拱頂位置，分層位移區(qū)域范圍不斷的變化。模擬計算表明，隧道拱頂圍巖位移值與所研究處的圍巖等級、研究點位置埋深有一定的關系。因此，為了更加真實、準確的監(jiān)測巖體的位移情況，需要針對不同的圍巖等級選擇不同的測點埋設深度。

3 隧道拱頂下沉現(xiàn)場監(jiān)測

結合數(shù)值模擬分析結果，進行隧道拱頂下沉現(xiàn)場監(jiān)測試驗。選取地質情況較復雜的隧道作為本次試驗對象。其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖各9個監(jiān)測斷面。監(jiān)測點現(xiàn)場埋設一共分為以下三步：

1)選定測點埋設位置。同一監(jiān)測斷面共計4處監(jiān)測點，以隧道拱頂中心線為對稱軸，左右兩側均勻分布，間隔20cm，采用紅色噴漆現(xiàn)場標注(見圖4)。

2)鉆測點埋設孔。隧道開挖后，在測點位置采用沖擊鉆垂直向上鉆孔，測孔孔徑42mm，孔深分別為20cm、30cm、40cm、50cm。鉆孔時盡量保證測孔沿著垂直方向。

3)安裝測試器件。埋設試驗監(jiān)測點時，選用有足夠剛度和強度的螺紋鋼筋作為監(jiān)測點材料。在鋼筋端部焊接邊長為4cm的正方形鐵片，并用砂紙將鐵片表面打磨光滑，然后粘貼反光片。采用強度為M8的砂漿作為錨固劑，為了較為真實的反映不同深度巖體的位移變化情況，在錨固時僅對監(jiān)測器件的端部進行錨固，錨固范圍為5cm(見圖5)?，F(xiàn)場埋設情況如圖6所示。

圖5 測點錨固

在距離監(jiān)測點100m處埋設基準點，用于監(jiān)測拱頂各點的沉降情況。當砂漿強度達到其最終強度的70%，采用全站儀進行拱頂下沉的監(jiān)測。

圖6 監(jiān)測點現(xiàn)場布設情況

4 監(jiān)測結果處理與分析

4.1 回歸分析函數(shù)

現(xiàn)有研究結果表明，隨著掌子面掘進距離和時間的推移圍巖變化會不斷發(fā)展并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。通過對這一規(guī)律的研究有助于掌握圍巖的變形特征。拱頂沉降曲線是呈現(xiàn)出一個逐漸的收斂趨于平穩(wěn)的趨勢，圍巖的變形在隧道開挖的初始階段變化的較快，變化速率也較大，隨著隧道開挖的逐漸推進，圍巖的變形速率逐漸的變緩。目前，專家學者們通過對大量的隧道拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析后普遍指出，對數(shù)函數(shù)能較好的反映拱頂下沉趨勢[4-6]。

對數(shù)函數(shù)表達式見公式(1)

(1)

Y=A+BX

(2)

對于系數(shù)A、B，可用最小二乘法估計得到

(3)

(4)

相關系數(shù)R2

R=

(5)

4.2 擬合結果分析

通過對不同圍巖等級不同埋設深度的測點監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合回歸分析，計算出擬合相關系數(shù)如表4～表6所示。

表4 Ⅲ級圍巖拱頂下沉量-時間擬合相關系數(shù)表

由表4可知，埋深20cm時R2為0.900 0；埋深30cm時R2為0.928 4；埋深40cm時R2為0.904 6；埋深50cm時R2為0.903 0。對比以上數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當測點埋深為30cm時，數(shù)據(jù)擬合相關系數(shù)最大。因此，對于Ⅲ級圍巖拱頂下沉監(jiān)測點入巖深度應選30cm。

表5 Ⅳ級圍巖拱頂下沉量-時間擬合相關系數(shù)表

由表5可知，埋深20cm時R2為0.882 4；埋深30cm時R2為0.876 5；埋深40cm時R2為0.900 1；埋深50cm時R2為0.880 7。對比以上數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當測點埋深為40cm時，數(shù)據(jù)擬合相關系數(shù)最大，較能反映圍巖的變形情況。因此，對于Ⅳ級圍巖拱頂下沉監(jiān)測點入巖深度應選40cm。

表6 Ⅴ級圍巖拱頂下沉量-時間擬合相關系數(shù)表

由表6可知，埋深20cm時R2為0.895 8；埋深30cm時R2為0.877 3；埋深40cm時R2為0.895 0；埋深50cm時R2為0.909 5。對比以上數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當測點埋深為50cm時，數(shù)據(jù)擬合相關系數(shù)最大，較能反映圍巖的變形情況。因此，對于Ⅴ級圍巖拱頂下沉監(jiān)測點入巖深度應選50cm。

5 結論

(1)不同埋深處圍巖位移具有一定的分層現(xiàn)象，表明圍巖位移具有空間性。

(2)給出了不同圍巖等級情況下拱頂位移監(jiān)測點的合理埋設深度，建議Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖拱頂下沉監(jiān)測點埋設深度分別取30cm、40cm、50cm。