黄土隧道不同埋深段围岩收敛分析

黄土隧道不同埋深段围岩收敛分析

□ 胡文斌，郝 东，李远新，李书成，陈善玮（甘肃新路交通工程有限公司，兰州 730000）

摘 要：为降低黄土V级围岩浅埋隧道围岩出现较大变形和坍塌的风险，保证安全施工，研究了黄土隧道不同埋深段围岩的收敛变形特性。通过高精度数显收敛计获取了五个不同埋深断面隧道开挖后20天的收敛数据，考虑了温度变化对数显收敛计钢尺读数的影响，利用数理统计的方法分析了不同断面隧道收敛率和累积收敛值。结果表明：各量测断面的收敛率先降低后趋于稳定，收敛率存在负值现象，埋深越大，其出现的概率越大；随着隧道埋深增加，最大累积收敛值急剧降低，并逐渐趋于稳定。

关键词：浅埋隧道；收敛率；围岩；收敛计󰀡󰀡

中图分类号：U491󰀡󰀡󰀡󰀡󰀡󰀡文献标志码：A󰀡󰀡󰀡󰀡󰀡󰀡文章编号：1671-3400(2019)05-0032-05

Surrounding Rock in Different Buried Depth Sections

of Loess Tunnel

HU Wenbin, HAO Dong, LI Yuanxin, LI Shucheng, CHEN Shanwei(Gansu Xinlu Traffic Engineering Co., Ltd, Lanzhou 730000, China)

Abstract: In order to reduce the risk of large deformation and collapse of surrounding rock in shallow tunnel with loess grade V surrounding rock and ensure safe construction, the convergence deformation characteristics of surrounding rock in different buried depth sections of loess tunnel are studied. The convergence data of five tunnels with different buried depths in the first 20 days after excavation are obtained by the high-precision digital display convergence meter. Considering the influence of temperature change on the steel ruler reading of the digital display convergence meter, the convergence rate and cumulative convergence value of tunnels with different sections are analyzed by mathematical statistics. The results show that the convergence of each measurement section first decreases and then tends to be stable, and the convergence rate has a negative phenomenon. The greater the buried depth, the greater the probability of its occurrence. With the increase of tunnel depth, the maximum cumulative convergence value decreases sharply and gradually tends to be stable.Key Words: Shallow tunnel; Convergence rate; Wall rock; Convergence meter

0 引言

在黄土隧道施工中，一个重要的问题就是能够最大限度地保护黄土天然结构的稳定性，减少因变形裂缝而造成结构强度的损失，选择能够最佳控制变形的支护结构形式。黄土隧道在开挖时，围岩的收敛变形会导致围岩结构应力的重新分布，达到一个新的应力平衡分布状态[1-3]。在施工中要实时监测围岩的变化特征，优化施

工组织设计，指导现场施工，确保施工安全。洞内拱顶下沉、洞内周边收敛是隧道监控量测的两个重要必测项目，本文主要探讨黄土隧道周边收敛特征。

隧道周边收敛是指隧道开挖后两边围岩向中间变形的程度[4]，通常采用收敛仪来采集收敛数据。随着科技的发展，出现了一些先进的收敛数据采集设备，如高精度全站仪、3D激光扫描技术[5]、隧道收敛变形自动监测系统以及分布式光纤传感监测盾构隧道收敛[6-7]。收敛值可以增大，也可以减小，在偏压段隧道受围岩的不均衡力，向一侧位移，导致收敛值变小。隧道周边收敛是对隧道内部支护结构及围岩变形的直接数据反映，虽然不同的开挖方式对隧道周边的收敛规律产生影响不同，但是其收敛特性仍具有一定的规律性[8-9]。隧道周

收稿日期：2019-01-05

第一作者简介：胡文斌（1990-），男，汉族，甘肃秦安人，硕士，助理工程师，主要研究方向：非机动车交通流、交通安全、隧道工程。

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边收敛变化符合指数规律变化，进而可以确定周边收敛的变化规律和最终值，并且可以确定二次衬砌的施工作业时间，也可以评价围岩的稳定性[10]。隧道周边收敛是一个先加速后减速的过程，且相应的速度—时间曲线的起点为零，终点也为零[11]。在两台阶开挖的隧道中，周边收敛在上台阶开挖阶段变形速率最快，在仰拱封闭后基本趋于稳定[12]。不同开挖方式对隧道纵断面变形影响较大，采用全断面法计算得到的纵断面变形最大，台阶法和环行开挖预留核心土法次之，中隔壁法（CD法）最小[13]。采用三台阶七步开挖施工的黄土隧道，地表沉降、拱顶下沉及洞周水平收敛随上、中、下台阶的开挖变化较大，尤其是下台阶的开挖,其收敛出现突变；仰拱浇筑前，拱顶和地表沉降及洞周水平收敛占总变形比例分别为85%、80%和90%,且仰拱施工作业完成后变形基本稳定；各部位围岩内部位移与距开挖轮廓线距离成反比，且拱顶和拱脚处围岩内部位移较明显,拱脚是施工中的薄弱部位,应提高支护强度[14-15]。

1 采集数据

1.1 数据采集点的选择及采集设备1.1.1 数据采集点

选择S25高速公路静宁至庄浪段南湖隧道进口左线为研究对象。隧道采用分离式，单向两车道，洞高7.5 m，净宽10.25 m，隧道内轮廓设计采用规范推荐的标准断面，即拱部采用R = 543 cm的半圆，边墙为R = 793 cm的大半径圆弧，仰拱与侧墙间用半径R = 100 cm 的小半径圆弧连接，仰拱半径R = 1 500 cm。隧道以锚杆、喷混凝土或钢筋网喷混凝土、钢拱架为初期支护，模筑混凝土或钢筋混凝土为二次支护，共同组成永久性承载结构。TVa围岩：初衬为30 cm厚C25喷射混凝土，二衬为55 cm厚C30钢筋混凝土，仰拱为55 cm厚C30钢筋混凝土，填充为C15混凝土。南湖隧道进口段属于黄土V级围岩，采用弧形导坑预留核心土法进洞，进洞后采用上下台阶法掘进。当上台阶开挖完成后，立即在拱脚部位布设一对隧道洞内周边收敛量测点，每隔30 m布设一组量测点，总计布设5组测点，即ZK39 + 060、ZK39 + 090、ZK39 + 120、ZK39 + 150、ZK39 + 180，5个断面的最大埋深分别为16.83 m、21.93 m、31.94 m、43.42 m、58.32 m。1.1.2 实验设备 挂钩：用8 mm钢筋加工而成的一端带有弯钩的钢棒作为测点埋设设备。

温度计：采用量程为–30～50℃的便携式温度计来测量洞内温度。

JSS30A型系列数显收敛计：测量范围为0.5～20 m，分辨率为0.01 mm。具有结构新颖，操作简便，测量精

度高，体积小，重量轻，密封性好等特点，是施工、科研中进行工程量测的理想工具。1.2 采集数据1.2.1 测点的埋设

完成上台阶钢架支护后，把加工好的挂钩，固定在上台阶拱脚位置，左右两侧对称布设。高出地面50cm左右，便于数据的采集，具体埋设点（见图1）。待喷射混凝土后，清理挂钩，尽快完成初次读数。读完数后，要妥善保护测点，以免被洞内机械设施破坏。测点一旦遭受碰损，立即重新埋设。1.2.2 测量

（1）收敛计读数。对零：顺时针方向旋转调节螺母，至转不动为止。按下开关键显示屏数字为0.00。为了保证对零的准确性可重复对零2～3次。 检查：检查测点有无损坏、松动并将测点灰尘擦净。

挂尺：把收敛计上的尺架挂钩挂入测点挂钩，选择合适的尺孔，将尺孔销插入。 对准：调整调节螺母，使塑料窗口上的刻线对在张力窗口内标尺上中间任一条白线中。 读数：记下钢尺的基线长度与数显读数。为了提高测量精度，每条基线应重复测读三次取均值。 调整：测试过程中，若数显读数已超过25 mm，则应将钢尺收拢25 mm重新测试。

收尺：一条基线测完后，应及时逆时针转动调节螺母，取下收敛计，打开尺卡收拢钢带尺，为下一次使用做好准备。 为了保证采集数据的间隔为1天，在每天9 : 00—10 : 00之间完成当天数据的采集，并做好详细的记录。 （2）温度计读数。收敛计读数后，尽快读取洞内温度，精确至1℃。 （3）收敛值计算。基线两点之间的收敛值S计算公式为

S = (D0 + L0) – (Dn + Ln)

（ 1）

式中：D0为首次数显读数（mm）

；L0为首次钢尺长度mm）；Dn为第n次数显读数（mm）；Ln为第n次钢尺长度（mm）。 如果第n次测量与首次测量的环境温度差较大时，要进行温度修正。公式如下：

LN = a(Tn – T0)Ln

（ 2）

式中：LN为温度修正后钢带尺长度（mm）

；a为钢带尺线膨胀系数，取a = 1.2 × 10–6；Tn为第n次量测环境温度（℃）；T0为首次量测环境温度（℃）。 钢尺温度修正后收敛值S '，计算公式为

S ' = (D0 + L0) – (Dn + Ln)

（ 3）

式中：基线缩短，S或S '为正值，反之为负。

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O4bcR4 = 1 5054 = R1g07O2O1R2 = 793i%O3R3 = 100图1 监控量测布设点

2 数据处理及分析

2.1 数据处理

在每个断面，连续进行20天收敛值观测，分别记录每个断面观测时间、洞内温度、尺长、数显读数。尺长为钢尺上尺孔销所对应的刻度，尺长总为25 mm的倍数。根据钢尺温度修正公式进行钢尺尺长修正。根据相邻两天测读数据（修正尺长+数显读数）之差确定收敛率（mm/d），收敛率为正表示隧道围岩在向中间靠拢，收敛率为负表示围岩在向两侧位移。依据首次测读数据（尺长+数显读数）与某次测读数据（修正尺长+数显读数）之差确定累积收敛值（mm）。由于篇幅受限，只列举ZK39 + 060断面的相关统计数据，ZK39 + 060断面周边收敛数据统计表（见表1）。

在进行尺长温度修正、累积收敛值计算时，初始温度、初始数显读数均为首次量测时的数据，即T0 = 11℃，D0 = 17.34 mm。尺长温度修正读数保留四位小数，收敛率和累积收敛值均保留两位小数。2.2 数据分析2.2.1 收敛率分析

收敛率为1天隧道周边收敛的变化值，反映了围岩收敛的快慢程度，分别统计5个不同里程桩号断面的收敛率数据（见表2）。– 34 –

从表2可以得出，五个断面随着观测时间的推移，

收敛率先呈快速下降，再逐渐趋于稳定的状态，较为稳定的收敛速率基本上小于0.2 mm/d，这一研究结论与隧道施工技术规范中关于隧道围岩周边收敛稳定状态的描述吻合。当隧道围岩变形小于0.2 mm/d时可认为围岩变形趋于稳定，无施工安全隐患，方可进行二次衬砌施作。随着所量测断面埋深的增加，前期收敛率呈快速降低的趋势，在ZK39 + 060（埋深为16.83 m）断面，首次量测收敛率为2.22 mm/d；而在ZK39 + 180（埋深为58.32 m）断面，首次量测收敛率为0.74 mm/d。从统计数据可以看出，收敛率存在负值的现象，且随着埋深的增加出现负值的可能性增加，但是最大负值不超过0.3 mm/d，负值表明本次量测时隧道净宽变大。隧道收敛是指两侧向中间位移，负值一般伴随拱顶下沉，隧道埋深大的时候出现。在大埋深段，当拱顶下沉向两侧的压力大于两侧围岩对衬砌的压力时收敛会出现负值；在获取数据时尽量由同一组人员和同一仪器采集数据，否则易出现较大误差，进而影响分析结果。对于深埋段，隧道净空有变大现象，在后续的研究中进行探讨。2.2.2 累积收敛值分析

分别统计5个不同里程桩号断面的累积收敛率数据（见表3）。为了便于清晰地观察不同断面围岩累积收敛值的变化，对图中曲线进行平滑处理，具体（见图2）。

H胡文斌，郝东，李远新，李书成，陈善玮：黄土隧道不同埋深段围岩收敛分析

表 1 断面ZK39 + 060周边收敛数据统计表

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编号1234567891011121314151617181920

日期2018/4/32018/4/42018/4/52018/4/62018/4/72018/4/82018/4/92018/4/102018/4/112018/4/122018/4/132018/4/142018/4/152018/4/162018/4/172018/4/182018/4/192018/4/202018/4/212018/4/22

温度/（℃）尺长/m

117131053910251315813131665915

11.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.511.5

数显读数/mm

17.3415.1213.1111.239.579.598.036.685.976.115.364.884.564.214.034.043.763.523.353.23

尺长修正读数/m收敛率/（mm/d）累积收敛值/mm

—11.500611.499711.500111.500811.501111.500311.500111.501211.500811.499711.499411.500411.499711.499711.499311.500711.500811.500311.4994

—2.222.011.881.66–0.021.561.350.71–0.140.750.480.320.350.18–0.010.280.240.170.12

—2.224.236.117.777.759.3110.6611.3711.2311.9812.4612.7813.1313.3113.3013.5813.8213.9914.11

表 2 不同里程桩号断面围岩的收敛率表 3 不同里程桩号断面累积收敛率

天数/d12345678910111213141516171819

2.222.011.881.66–0.021.561.350.71–0.140.750.480.320.350.18–0.010.280.240.170.12

收敛率/（mm/d）

ZK39 + 060ZK39 + 090ZK39 + 120ZK39 + 150ZK39 + 1801.811.631.31–0.221.170.89–0.180.870.74–0.110.70.540.260.230.22–0.040.230.160.15

0.910.8–0.170.650.50.56–0.110.550.480.36–0.050.310.270.260.20.170.120.160.15

0.80.68–0.120.710.56–0.110.5–0.130.470.44–0.080.33–0.020.270.27–0.040.280.210.18

0.740.67–0.30.630.61–0.150.53–0.240.45–0.060.460.360.3–0.10.370.28–0.040.120.19

天数/d12345678910111213141516171819

2.224.236.117.777.759.3110.6611.3711.2311.9812.4612.7813.1313.3113.313.5813.8213.9914.11

收敛率/（mm/d）

ZK39 + 060ZK39 + 090ZK39 + 120ZK39 + 150ZK39 + 1801.813.444.754.535.76.596.417.288.027.918.619.159.419.649.869.8210.0510.2110.36

0.911.711.542.192.693.253.143.694.174.534.484.795.065.325.525.695.815.976.12

0.81.481.362.072.632.523.022.893.363.83.724.054.034.34.574.534.815.025.2

0.741.411.111.742.352.22.732.492.942.883.343.743.94.274.554.514.634.82– 35 –

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󰀒󰀗N󰀒󰀕N󰀒󰀓󰀐Ϙ󰀒󰀑󰮔󰀙󰮅󰀗󱈤󱌌󰀕󰀓󰀑󰀒󰀔󰀖󰀘󰀚󰀒󰀒󰀒󰀔󰀒󰀖󰀒󰀘󰀒󰀚󰀓󰀒󰜸󰮜󰀐E;,󰀔󰀚󰀌󰀑󰀗󰀑;,󰀔󰀚󰀌󰀑󰀚󰀑;,󰀔󰀚󰀌󰀒󰀓󰀑;,󰀔󰀚󰀌󰀒󰀖󰀑;,󰀔󰀚󰀌󰀒󰀙󰀑图 2 不同断面累积收敛值比较图

结合表3和图2可以得出，随着隧道掘进，累积

收敛值快速降低。在隧道开挖20天内，累积收敛值ZK39 + 060断面为14.11 mm，在ZK39 + 180断面为4.82 mm。通过对各个断面的累积收敛值进行简单的统计分析，可以得到ZK39 + 060、ZK39 + 090断面在开挖后第5天累积收敛值达到总收敛值的50%；ZK39 + 060断面在开挖后第9天累积收敛值达到总收敛值的80%，而ZK39 + 120、ZK39 + 150、ZK39 + 180断面在开挖后第14天累积收敛值达到总收敛值的80%。2.2.3 最大累积收敛值与隧道埋深分析

隧道开挖后前20天累积收敛值与隧道埋深统计图

3）。

󰀒󰀗󰀘󰀑󰀒󰀕󰀗󰀑NN󰀒󰀓󰀖󰀑󰀐Ϙ󰀒󰀑󰮔󰀕󰀑N󰀐󰮅󰀙󰀔󰀑󰺆󱈤󰀗󰛠󱌌󰀕󰀓󰀑󰀓󰀒󰀑󰀑;,󰀔󰀚󰀌󰀑󰀗󰀑;,󰀔󰀚󰀌󰀑󰀚󰀑;,󰀔󰀚󰀌󰀒󰀓󰀑;,󰀔󰀚󰀌󰀒󰀖󰀑;,󰀔󰀚󰀌󰀒󰀙󰀑󰀑 󰛠󰺆󱧖󱈭󰳇Ձ󰰣󰜷󱌌󱈤󰮅󰮔Ϙ图3 最大累积收敛值与埋身统计

从图3可以得出，随着隧道埋深增加，最大累积收

敛值急剧降低，并逐渐趋于稳定。从断面ZK39 + 060到ZK39 + 120，隧道埋深增加了15.11 m，累积收敛值降低了7.99 mm；而从断面ZK39 + 120到ZK39 + 180，隧道埋深增加了26.38 m，累积收敛值只降低了1.32 mm。

3 结语

通过对S25静宁至天水高速公路静宁至庄浪段南湖隧道进口左线五个断面的收敛数据统计分析可以得出：各个量测断面随着观测时间的推移，收敛率先呈快速下降，再逐渐趋于稳定的状态，较为稳定的收敛速率基本上小于0.2 mm/d。

收敛率存在负值的现象，且随着埋深的增加出现负值的可能性增加；随着隧道掘进，累积收敛值快速降低；随着隧道埋深增加，最大累积收敛值有逐渐降低的趋势。– 36 –

在黄土隧道浅埋段，围岩较为疏松，自稳性较差，

断面开挖后在短时间内围岩变化较大，通常预留较大的变形量，为了确保能够安全施工，在浅埋和控制变形要求严格的地段一定要加强监控量测。本隧道以单侧臂导坑法进洞，由于特殊的施工方法制约了监控量测点的布

设，因而未能够及时获取进洞段隧道采用收敛计采集到的周边收敛数据。在今后的研究中可以通过提高布设观测点的方法，采用高精度全站仪通过坐标计算，推导出围岩的收敛数据，进而分析围岩收敛特征。

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（见图