公路隧道围岩变形监测及其应用

公路隧道围岩变形监测及其应用

王锦刘乐

中国水利水电第十工程局有限公司

摘要：以某公路隧道施工过程的工程实践为依据，探讨公路隧道的围岩变形监控量测，以为相关施工提供参考。

关键词：公路隧道；围岩变形监测；围岩二次应力场

影响围岩稳定性的因素有多种。过去在对围岩的稳定性进行判别时，比较侧重于岩体强度准则和地应力状况的理论分析。有研究显示，工程施工期间位移、应变、应力、压力等围岩变形物理信息的应用，在反映工程实际状态及围岩稳定性评价预测中具的重要作用。利用施工过程中围岩变形信息进行反分析可预测前进方向可能出现的围岩稳定性问题，在安全施工和优化设计中具有重要意义。

1常规围岩变形监控量测

1.1围岩位移监测

常规位移监测主要分为收敛位移监测和场位监测。随着新奥法技术的出现，在洞室开挖过程中，围岩发生位移量的量测越来越受到施工人员的重视，但是量测在围岩各点发生位移量的绝对值具有一定难度，因此在工程实践中以测点之间的相对位移量来计算。

（1）收敛位移量测

根据围岩岩性、坚硬程度、变形速度的大小、量测用途、目的及量测精度要求的高低等,可以使用不同的手段和仪器来量测围岩表面的收敛位移。现阶段，一般量测收敛位移的仪器主要是收敛计，常用带式收敛计和杆式收敛计两种，这类仪器的准确性较高,设置测点、测读方便，并且费用相对较低。

（2）场位移(深部位移)量测

通常采用单点式或多点式位移计来量测场位移。当前主要采用机械式多点位移计BM-1型、杆式钻孔多点位移计GDW421型、两点杆式位移计WYJ-2型以及机械式八点伸长仪等。采用多点式位移计可以量测各测点间的相对位移，同时，若是在开挖空间的影响范围之外设置孔底测点位，就可近似地把各测点相对于孔底测点的相对位移当作各点的绝对位移。

1.2围岩应变监测

围岩应变一般由开挖引起，其可以分为表面应变和域内应变。量测围岩应变的传感器有很多，如电阻应变片、钢弦应变计、光弹应变计和千分表等，在不同的场合使用不同的器械。其中，电阻应变片和千分表最常用，电阻应变片既可量测表面应变也可量测域内应变，不过量测域内应变时主要采用量测锚杆，千分表只能用于量测表面应变。

1.3围岩应力监测

围岩应力主要包括扰动应力和接触应力。扰动应力是由洞室开挖引起的围岩应力的变化量，接触应力是喷层或衬砌结构在与地层共同经受变形的过程中在接触表面上发生的应力。当前，一般采用包本应力计法、压力盒法和压磁应力计探头测量法等方法采集扰动应力增量信息，常用钢弦式压力盒来量测接触应力，另外也可使用变磁阻调频压力传感器进行量测。这类探头性能比较稳定，不易受外界温度影响，可用于远距离多点同时长期观测，所以广泛用于现场测试研究中。

2围岩变形跟踪监测系统

常规位移监测一般要用相应设备来量测，尤其是场位移量测，需要使用专门的位移计，其埋设也相当困难，所以导致场位移的量测总是滞后于工程开挖。为了改进上述问题，在某隧道工程中设计了一套围岩变形跟踪监测系统(简称TMS系统)，该系统简单易行，且便于现场埋设、量测。

2.1TMS基本原理

隧道开挖时会使洞周围岩原始应力场产生损坏，应力重新调整，进而造成围岩变形。通常情况下，变形自洞壁向围岩深部逐渐减小。此外，变形还会随时间的增加而逐渐趋向稳定。所以，跟踪监测洞周围岩不同深度处的径向位移，明确不同深度位移突变的位置，确定同一深度位移趋向稳定的时间，就能预报围岩大变形，从而找到合适的支护时间。

2.2TMS监测装置

综合该隧道工程地质环境和现场施工的实际条件，根据已发生塌方的最大高度4.1m，由此设置最大钻孔的深度为4.0m。监测装置由6根位移传递杆(刚性杆)和不锈钢挡板构成，位移传递杆的长度分别为4.0m、3.0m、2.0m、1.0m、0.5m和4.1m，具体如图1所示。

图1TMS监测装置示意图

位移传递杆直径为2~3cm，用药爆锚杆方式将各传递杆锚固在相应的孔底，再用软木塞或轴承支撑孔口，确保其能随着围岩的径向位移而自由移动。在不同时间进行位移监测，即可确定围岩中不同深度处的径向位移大小，并了解其变化情况。

2.3安装与调试

TMS监测装置的安装要综合考虑现场的地应力分布特征、工程地质问题，以及构造、岩性及施工与测量条件，慎重确定安装位置。量测断面开挖后需及时安装，并且开始监测，保证安装时间不超过开挖后的24h。采用现场施工人员使用的风枪进行钻孔，在同一水平高度分别钻出4.0m、3.0m、2.0m、1.0m、0.5m和4.1m的孔，孔间距约为10cm。一般距洞底高约1.5m，易于量测。钻孔完毕后，清除孔内岩屑，将各传送杆锚固于相应孔底，安装不锈钢挡板。利用千分尺量测其它传递杆与4.0m传递杆间的相对位移，分析围岩不同深度相应径向位移的变化。

3围岩表面二次应力场的现场测试

利用改进型门塞式测试法，在选定的测试点安装应变花，利用应变仪，量测x方向(即洞壁沿洞轴线的水平方向)、Z方向(即洞壁铅直方向)及其间45°方向上的初应变值Xx、Xz、Xxz，用内径为50mm的DZ-2A型手持式工程钻应力解除，取下长度为50mm岩芯，再测其3个方向的应变值Xx’、Xz’、Xxz’，算出应变差值。利用点荷载仪配备特制的加载装置(图2)，完成应力的恢复，求得二次应力ex、ez，其计算公式为：

ex或ez=T×F×Sp/A(1)

式中，F为应力恢复时点荷载仪压力表读数(MPa)；Sp为点荷载仪千斤顶活塞面积(cm2)；T为应力等效系数；A为岩芯断面面积(cm2)。

图2改进门塞法装置示意图

应用改进型门塞式测法在该隧道典型地段系统测试了洞壁的二次应力，测试结果与所观察到的岩体变形破裂迹象基本一致，与弹性力学公式理论计算结果也基本相同，显示了该方法的实用性和正确性

图3二次应力随时间的变化关系

4围岩表面二次应力场的滞后变化监测

为了研究隧道围岩表面二次应力场随时间的变化，在离开挖围岩表面一定深度(35~40cm)范围内埋设了钢弦式压力盒。隧道主洞K261+850~K261+915(I级岩爆区)段的监测资料显示，水平方向(沿洞轴方向)的二次应力变化较大，平均变化速率为5.48×10-3MPa/d，垂直方向的二次应力平均变化速率为(1.389~4.014)×10-3MPa/d。该监测时段距开挖时间有11个月左右，反映了围岩表面二次应力场的滞后变化。桩号K261+872.5处的水平向二次应力随时问的变化关系如图3所示。由图3可以看出，水平向二次应力的变化速率逐渐减小，向应力调整平衡方向发展。

结语

公路隧道围岩变形常规监测、TMS系统监测和二次应力场测试信息是工程围岩真实的工程动态响应，是围岩稳定性的综合反映，为工程施工、理论研究提供了非常丰富、可靠的资料，为岩土工程的设计与施工，从强度破坏极限状态控制向着变形极限状态控制发展提供了可靠技术保障。

参考文献

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[3]谭锋博.兰渝铁路大跨径隧道围岩变形监测及其应用[C]//中国交通建设股份有限公司2011年现场技术交流会.2011.