朱慧敏 方義泉

信江船閘通航中心界牌航電樞紐管理處 江西 鷹潭 335000

引言

地下工程巖體表面變形是圍巖開挖后應力重新分布的直觀反映，通常是根據(jù)變形量的大小來判斷圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)，因此圍巖收斂變形監(jiān)測是洞室圍巖開挖過程中最常見的監(jiān)測手段。收斂變形監(jiān)測主要是量測現(xiàn)場圍巖的相對位移值，即圍巖壁面兩點之間距離的變化值。這是判斷圍巖性態(tài)的主要量測手段。

地下洞室圍巖周邊各點趨洞室中心的變形稱為收斂，收斂觀測是指對地下洞室壁面兩點間距離變化值進行量測。其主要監(jiān)測目的有：

第一，圍巖內空變位是地下洞室圍巖應力狀態(tài)變化的最直接反映，測量圍巖內空變位量是判斷圍巖穩(wěn)定性最直接的依據(jù)；

第二，根據(jù)圍巖內空變位速率為開挖圍巖二次襯砌提供合理的支護時機，指導現(xiàn)場圍巖支護施工。

1 監(jiān)測斷面布置

本文所討論的施工期收斂監(jiān)測布置形式，施工階段進行的施工安全監(jiān)測，遵循洞室圍巖開挖的一般規(guī)律。根據(jù)具體的地形及地質條件有針對性地選擇合適的監(jiān)測項目。錨噴支護工程收斂監(jiān)控量測可按表1確定[1]。

表1 錨噴支護工程收斂監(jiān)控量測表

1.1 測點的布置與數(shù)量

測點的布置與測點的數(shù)量根據(jù)工程地質條件確定。一般Ⅰ～Ⅲ圍巖較長地下洞室選擇代表性斷面進行監(jiān)測，重點對Ⅳ～Ⅴ類圍巖進行監(jiān)測。觀測斷面應盡可能緊隨掌子面布置，斷面間距宜大于2倍洞徑，斷面測點的數(shù)量根據(jù)圍巖等級與斷面尺寸及形狀確定，一般優(yōu)先考慮布置在頂拱、拱座與圍巖邊墻。常見測線布置形式有3測點3測線，5測點6測線和5測點8測線。

1.2 測點安裝與埋設

用電錘或風鉆在選定的測點處，垂直洞壁打孔，孔徑與孔深視測樁直徑、長短和型式而定。安裝必須牢固，外露掛鉤圓環(huán)（或球頭、錐體，收斂反光片）應盡量靠近巖面，不宜出露太多。

每個測點必須用保護罩保護，保護罩應有足夠的剛度，安裝要牢固。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

應在測點首先安裝完成后盡快取得初測值。

2.1 觀測頻次

收斂觀測頻率根據(jù)圍巖的變形速率、受掌子面爆破施工影響大小等因素確定，一般新設觀測斷面的測量為1天／次，距離掌子面4倍洞徑時或測值趨于穩(wěn)定時為3～5天／次，遇到特殊情況時可以增加測次[2]。

2.2 觀測方法

地下洞室圍巖收斂觀測通常采用鋼尺收斂計或精度較高的全站儀，鋼尺收斂計包括機械式和數(shù)字式兩種形式。

2.2.1 鋼尺收斂計法。機械式收斂計通過旋轉螺母測微量來調整鋼帶尺的張力到規(guī)定的張力值，通過百分表來讀長度尾數(shù)；數(shù)字式收斂計可以自動調整鋼帶尺的張力到規(guī)定的張力值，顯示屏上的讀書即是長度尾數(shù)。

2.2.2 全站儀法。使用測距1mm+2ppm以上精度的全站儀，選擇離監(jiān)測斷面合適的位置設站，照準收斂反光片十字絲，當全站儀十字絲中心點與反光片中心點完全重合時測讀。在同一斷面不得挪動全站儀，由各測點測出的相對坐標求得測線長度，通過與前面測值的比較進而計算圍巖的收斂值。

采用全站儀量測圍巖收斂，較鋼尺收斂計更快捷、安全，若洞內照明條件好，測距可以達50m以上，這樣就解決了測點高度大，收斂尺不易掛鉤的難題，量測時一般不影響洞內交通。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)計算與分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結合現(xiàn)場圍巖支護情況，通過監(jiān)測圍巖變形數(shù)據(jù)判斷支護受力狀態(tài)，指導優(yōu)化圍巖支護方案及施工。

3.1 數(shù)據(jù)計算

通常現(xiàn)場測得的是各測點間的距離的變化，所以是兩個測點的位移之和。要得到各測點的位移，可通過計算求得近似值，如“坐標法”“聯(lián)立方程法”“余弦定理法”和“測角計算法”等方法計算[3]。

以下給出聯(lián)立方程求解法求收斂計測點的絕對位移。

3.1.1 任意三角形測點位移計算方法（3測點3測線，如圖1）。計算假設：洞壁輪車廊線上的位移為徑向位移，切向位移忽略不計；基線的角度變化忽略不計。如圖A、B、C為洞壁上的任意三個測點：

圖1 收斂監(jiān)測斷面計算示意圖（3測點3測線）

圖中：l、m、n ——基線長度；

Sl、Sm、Sn——分別為l、m、n基線測得的并經(jīng)溫度修正后的收斂值；

o——洞拱圓心；

H——邊墻高度；

HB——為B點至圓心垂直高度

解下列方程組可求得三測點垂直洞壁的位移，分別為ua、ub和uc：

當B點在頂拱，A、C在同一高程，則α=θ=0，上述方程為：

3.1.2 任意三角形測點位移計算方法（5測點8測線，如圖2）。地下洞室圍巖測點任意三角形布置形式的收斂變形量計算。為便于計算，首先進行幾項假設：①測點5為坐標原點，即基準點不發(fā)生位移；②測線15水平為X軸，測點1只發(fā)生水平移動；③ 測線45為Y軸，其偏斜角度忽略不計。采用固定點任意三角形法。各測點位移計算步驟如下：

圖2 收斂監(jiān)測斷面計算示意圖（5測點8測線）

在△153中，以知點5（0，0），uly=0,l15,l13，l35

則有：

同上，在△532中，以知點5（0，0），點3（u3x,u3y）,l23,l25，l35

則有：

同上，在△134中，以知點1（u1x，0），點3（u3x,u3y）,l13，l14，l34

則有：

根據(jù)每次測量的測線長度，帶入方程中求得各測點相對原點（測點5）的相對坐標；求得的相對坐標減去初始坐標計算出該測點位移量，位移量的大小可作為判斷洞室圍巖變形的依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

一般情況下，地下洞室圍巖表面收斂變形－時間過程線主要表現(xiàn)為3種形式（如圖3）：逐漸衰減型、直線發(fā)展型和發(fā)散型[4]。

圖3 開挖后洞室圍巖變形分類示意圖

3.2.1 衰減型。隨著時間的增加，圍巖應力重新分布完成，或施工支護對圍巖應力分布的強力介入，圍巖的變形速率越來越小，直至最終趨于零。這種曲線表明圍巖逐漸趨于穩(wěn)定的。如圖a所示時稱曲線，收斂位移隨著時間增長逐漸趨向于0，圍巖變位的收斂速度較快，一般在20天左右時達到穩(wěn)定。

3.2.2 直線型。圍巖的變形速率基本不變或很少衰減，隨著時間的推移，圍巖收斂變形越來越大，圍巖松弛加大，如果不及時支護，地下洞室最后可能發(fā)展為破壞性變形，如圖b所示時程曲線。在施工期觀測中，應對此類變形重點監(jiān)測，變形量達到一定值時要預警；對此類圍巖及時支護，個別發(fā)生圍巖變形突變的區(qū)域，應立即撤出人員與設備，立即停止施工。

3.2.3 發(fā)散型。圍巖收斂變形隨時間增加而增大，若不及時支護，圍巖可能發(fā)生塌方等破壞性變形，如圖c所示時程曲線。在地下洞室開挖施工中，應加強支護，防止出現(xiàn)此類破壞性變形，在施工監(jiān)測中，圍巖變形出現(xiàn)此類形式，應加強監(jiān)測，提前預警[5]。

4 結束語

綜上所述，地下洞室開挖中圍巖的穩(wěn)定性控制是一個突出問題，不良地質段地下洞室往往面臨著圍巖變形大、變化快、事故突發(fā)等特點，積極開展現(xiàn)場圍巖變形量測，及時了解變形量、變形時間與規(guī)律具有重要意義。本文探討的是地下洞室圍巖收斂變形監(jiān)測，通過合理布置監(jiān)測點、采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，為圍巖支護提供相關建議，保證隧道工程安全性。