中国地质灾害与防治学报

T he Ch inese Jou rnal of Geo logical H azard and Con tro l

V o l.11　N o.1

M ar.2000

收稿日期:1999206225;修回日期:1999207212

第一作者简介:靳晓光(1967—),男,成都理工学院在读博

士研究生,主要从事地下工程、地质灾害防治

及环境保护等方面的科研与生产工作.

文章编号:100328035(2000)0120019205

公路隧道围岩变形监测及其应用

靳晓光,王兰生,卫　宏

(成都理工学院工程地质研究所,四川成都　610059)

摘要:以二郎山公路隧道施工过程的工程实践为依据,利用常规围岩变形监控量测和围岩变形跟踪监测系统及二次应力场测试,获取隧道围岩动态综合信息,为围岩分类、大变形预测、岩爆预测、优化二次支护时间及反分析等提供依据,是岩土工程信息化设计、施工的重要手段。

关键词:围岩变形监测;围岩二次应力场;大变形;岩爆

中图分类号:U45文献标识码:A

0　引　言

围岩的稳定性是由多种因素决定的。以往对围岩稳定性的判别偏重于岩体强度准则和地应力状况的理论分析。实践证明,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。

在工程围岩稳定性研究中,我们面对的是一种性质复杂而又不均一的地质体,在这种地质介质中以十分不同的工艺方法进行开挖,可能对岩体的保护或损害产生十分不同的影响。因此,施工工程实际上是一种开放的系统行为,肯定要受环境的影响,而且也要影响环境。施工开挖过程是地下工程或空间形成的过程,围岩与周围环境必然有能量的交换。

围岩变形是直接与围岩稳定状态相联系的宏观物理量,是围岩与周围环境等各种因素综合作用的结果。围岩变形信息是岩体开挖时的行为功能发出的信息,是工程围岩稳定性的真实反映。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,这是信息化施工的十分有效的途径,在安全施工和优化设计中具有重要意义。

川藏公路二郎山越岭隧道是“九・五”国家投资正在修建的长约4116km的隧道,隧道处于高海拔、大埋深、高地应力条件下,穿越泥盆系、志留系的砂岩、泥岩和灰岩地层,地质条件复杂。为及时获取围岩变形动态信息,并反馈信息、指导设计和施工,在施工过程中进行了围岩变形监测。

1　常规围岩变形监控量测

围岩变形监测一般包括位移监测、应变监测、应力监测等。

111　围岩位移监测

常规位移监测包括收敛位移监测和场位监测。自新奥法技术问世以来,量测在洞室开挖过程中围岩发生的位移量已逐渐受到重视,然而由于量测在围岩各点发生的位移量的绝对值比较困难,在工程实践中采集的位移量信息通常都是在测点之间的相对位移量。

11收敛位移量测　围岩表面收敛位移的量测,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,可采用不同的手段和仪器。目前所用的量测收敛位移的仪器一般是收敛计,较常用的是带式收敛计和杆式收敛计,这类仪器通常具有测值比较可靠,设置测点、测读方便和费用较少等优点。在二郎山公路隧道施工过程中,用带式收敛计进行了连续监测,其主洞典型地段围岩收敛、下沉变形情况如表1所列。

21场位移(深部位移)量测　场位移一般采用单点式或多点式位移计量测。常用的有机械式多点位移计BM—1型、两点杆式位移计W YJ—2型、杆式钻孔多点位移计GDW421型和机械式八点伸长仪等。多点式位移计不仅可测各测点间的相对位移,而且,如果将孔底测点位置设在开挖空间的影响范围之外,则各测点相对于孔底测点的相对位移即可近似地认为是各点的绝对位移。

表1　二郎山隧道主洞典型地段常规量测统计结果

Table1　Sta tistica l results of routi ne m ea sure m en t Erlang M oun ta i n i n ma i n tunnel typ ica l seg m en t

区段划分岩　性洞室埋深(m)围岩类别

位移回归终值(mm)

周边收敛拱顶下沉

K259+126～+162泥岩085～120 111746175 K259+602～+2泥岩300～350 810126139 K259+2～+795泥岩夹灰岩300～470 118～712811～3913 K260+299～+471石英砂岩570～630 0162～11139112～1117 K260+514～+554泥质白云岩590～620 016313104 K260+751～+791泥质白云岩710～740 11128143 K261+428～+615石英砂岩夹泥岩570～0 1413～1611

K262+387～+469灰　岩200～250 15120132 K262+682～+7泥岩夹灰岩140～180 2318～391623197

112　围岩应变监测

由开挖引起的围岩应变可分为表面应变和域内应变。可用于量测应变的传感器有电阻应变片,光弹应变计、钢弦应变计和千分表等多种,它们分别适用于不同的场合。在围岩应变量测中常用的是电阻应变片和千分表,其中前者对量测表面应变和域内应变都适用,但用于量测域内应变的设备主要是量测锚杆,后者仅适用于量测表面应变。

113　围岩应力监测

依据围岩应力信息可分为扰动应力和接触应力信息两类。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。目前可用于采集扰动应力增量信息的方法有包本应力计法、压力盒法及压磁应力计探头测量法等。接触应力可采用钢弦式压力盒或变磁阻调频压力传感器等仪表量测,目前常用的是钢弦式压力盒。这类探头有性能稳定,便于远距离多点同时长期观测及受外界温度影响小等优点,故在现场测试研究中获得广泛采用。

2　围岩变形跟踪监测系统

常规位移监测一般需要量测设备(仪器)来量测。特别是场位移监测,除需要专用的位移计外,还有埋设比较困难的特点。因此,往往滞后于工程开挖。为了解决上述不足,以王兰生教授为主的课题组在川藏公路二郎山隧道工程中设计了简单、易行、便于现场埋设、量测的围岩变形跟踪监测系统(简称TM S系统)。通过在二郎山隧道的应用研究,探索出一套行之有效的、普遍适用的工作程序,为尔后的工程围岩稳定性研究与预报提供了一种科学手段。

211　T M S基本原理

隧道开挖后,洞周围岩原始应力场遭到破坏,应力重新调整,导致围岩变形。一般来说,自洞壁向围岩深部,变形逐渐减小。随着时间的增加,变形逐渐趋向稳定。因此,可对洞周围岩不同深度处的径向位移进行跟踪监测,寻找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,即可预报围岩大变形,确定适当的支护时间。

212　T M S监测装置

结合二郎山隧道工程地质条件、已发生塌方的最大高度(<410m)和现场施工的具体条件,设计最大钻孔深度为410m。监测装置如图1所示,由长度分别为410m,310m,210m,110m,015m,410m 的6根位移传递杆(刚性杆)与不锈钢挡板(宽5c m)等构成

。

图1　T M S监测装置示意图

F ig.1　Sche ma tic d i agram of T M S m on itor dev ice

位移传递杆直径为2～3c m,用药爆锚杆方式将各传递杆锚固在相应的孔底,孔口以软木塞或轴承支撑,保证其随围岩的径向位移自由移动。通过不同时间的位移监测,可以了解围岩中不同深度处的径向位移大小及其变化情况。

213　安装与测试

依据已知地应力分布特征与隧道施工中所遇到的工程地质问题,同时考虑构造、岩性及施工与测量条件,现场确定安装位置。量测断面开挖后立即安装,

02

中国地质灾害与防治

ZHON GGUO D IZH IZ A I HA I YU FAN GZH I XU EBAO2000年　

同时开始监测。最迟安装时间应在开挖后24h 内。利用现场施工人员所用风钻孔施工,孔间距为10c m 左右。孔深分别为410m ,310m ,210m ,110m ,015m ,410m ,且在同一水平高度。一般距洞底高约115m ,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410m 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Εx 、Εz 、Εx z ,

用内径为50mm 的D Z —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Ε′x 、Ε′z 、Ε′x z ,算

出应变差值。利用点荷载仪配备特制的加载装置(图2,王兰生等,1997),完成应力的恢复,求得二次应

力Ρx 、Ρz ,其计算公式为:

Ρx 或Ρz =Α×F ×S p A

(1)

式中,F 为应力恢复时点荷载仪压力表读数(M Pa );

S p 为点荷载仪千斤顶活塞面积(c m 2

);Α为应力等效系数;A 为岩芯断面面积(c m 2)

。

图2　改进门塞法装置示意图

F ig .2　D ev ice sche ma tic d i agram of m od if ied

stopper m ethod

应用改进型门塞式测法在川藏公路二郎山隧道典型地段系统测试了洞壁的二次应力,测试的部分成果如表2所列。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。

表2　围岩二次应力测试成果及其与岩爆的相关性

Table 2　Rela tion of the results surround i ng quadra tic stress to rockbust

里程桩号围岩类别

二次应力(M Pa )Ρx Ρz Ρm ax R

ϖb 岩爆级别

(里程范围)

主洞K 260+115V 261514518701492 级岩爆段(K 260+080～+240)主洞K 260+420V 201503411701438 级岩爆段(K 260+380～+440)主洞K 261+000V

651962613801768 级岩爆段(K 260+995～K 261+005)平导K 261+940

14144401120152 级岩爆段(K 261+820～+940)平导K 261+905

27141146

01 级岩爆段

(K 261+820～+940)

主洞K 259+935V

221482401148

主洞K 261+360

1812412167无岩爆现象发生

主洞K 262+

777

13166

13185

01163

　　注:Ρx —洞壁平行洞轴线的切向应力;Ρz —洞壁铅直方向的切向应力;Ρm ax —洞壁最大切向应力(M Pa );R

ϖb —岩石平均单轴抗压强度(M Pa );岩爆分级按二郎山隧道高地应力与围岩稳定性课题组RM S 岩爆分级方案

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,课题组在离开挖围岩表面一定深度(35～40c m )范围内埋设了钢弦式压力盒。隧道主洞K 261+850～K 261+915( 级岩爆区)段的监测资料(1999年5月22日～6月8日)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5148×10-3

M Pa d ,垂直方向的二次应力平均变化速率为(113～41014)×10-3M Pa d 。

该监测时段距开挖时间已11个月左右,反映了围岩表面二次应力场的滞

后变化。桩号K 261+87215处的水平向二次应力随

时间的变化关系如图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。

5　围岩变形监测信息在围岩变形破裂

评价预测中的应用

511　在围岩分类、围岩松动圈分区方面的应用

围岩变形位移显现的过程反映了围岩经过应力

调整建立新的平衡的过程。这一过程时间的长短及变形值大小,反映了围岩的稳定程度和稳定状态的差

12　第1期靳晓光等:公路隧道围岩变形监测及其应用

图3　二次应力随时间的变化关系

F ig .3　Rela tion between quadra tic stress and ti m e

别。一般说来,时间愈短,则稳定性愈好;变形值越小,则围岩类别越高(隧道围岩分类标准)。通过对二郎山隧道收敛位移及场位移的分析,变形位移与围岩类别、稳定时间有一定的对应关系(表1,图4,图5),由桩号K 260～K 261典型地段收敛位移—时间(u -t )回归曲线与围岩类别的关系(图4)可以看出:围岩类别越高,收敛位移越小。由桩号K 261+741北边墙不同深度场位移随时间变化的关系(图5)可以看出:围岩表面至深115m 处围岩位移值较大,而深度大于115m 以后,

围岩位移量减小,二者相差较大。从不同深度围岩特征来看,该测点深度215m 以后,围岩位移基本上是连续的,没有产生突变现象。由此推断该处围岩松动圈深度为310m 左右。

图4　u -t 曲线与围岩类别的关系

F ig .4

　Rela tion between u -t curve and surround i ng -rock ma ss cla ss

512　在岩爆预测方面的应用

(图5　不同深度场位移与时间的关系

F ig .5　Rela tion between d ifferen t depth f ield

d isplac

e m en t and ti m e

卸荷条件下(洞室开挖)释放而在围岩中形成的一种

卸荷破坏现象(王兰生,1998)。就其破裂机制而言,是岩石自身弹性应变能释放造成的脆性破裂或爆裂,爆裂造成的岩块可以爆裂松动、爆裂脱落、爆裂弹射和爆裂抛掷等方式脱离母体。其方式、初速度和规模的大小与爆裂时的破裂机制及释放能量的大小和波及深度有关。根据二郎山隧道现场调研与测试,岩爆不仅与围岩初始应力、岩体的性能和结构特征有关,而且与围岩二次应力相联系。由表2可以看出,在二次应力Ρx 或Ρz >30M Pa 时,有岩爆现象发生,与实

际围岩变形破裂现象一致, 级岩爆段Ρm ax R ϖb 介于013～015之间, 级岩爆段Ρm ax R ϖb 介于015～017之间, 级岩爆段Ρm ax R ϖb 介于017

～019之间(据王兰生等,1999)。

513　在大变形预测方面的应用

大变形是地下工程开挖后表现出的断面缩小、基脚下沉、拱顶上抬、拱腰开裂、基底鼓起等现象。根据国内外隧道施工的实践,在挤压性围岩的挤压变形、膨胀性围岩的膨压变形、断层破裂带的松弛变形、高地应力条件下软弱围岩的大变形等条件下,施工过程中发生大变形工程现象是必然的、正常的。二郎山隧道施工图将围岩大变形分为3级,参考前人模型试验初步结果,隧道一级、二级、三级大变形的估判变形量分别为15c m 、30c m 、50c m 。但施工过程的常规位移监测、TM S 监测表明,原预测有大变形的洞段

洞壁收敛位移一般<310c m ,原设计 级大变形段K 261+962的TM S 监测显示,安装后第一天测得012m 测杆与310m 测杆间相对位移为8mm ,第二

天则无明显变化。监测资料进一步证明原设计大变形段无大变形迹象,并及时向有关部门提供信息,为施

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2中国地质灾害与防治

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工、支护减少了很多困难,并节省了资金。514　在确定二次支护时间方面的应用

根据隧道洞壁收敛位移—时间变化特征,可确定二次支护的最佳时间。由图4u -t 曲线可以看出,位移与时间有密切的关系。其共同规律是:位移在前期随时间增长而迅速加大,位移速率逐渐减低。当到达一定时间后,位移趋向稳定。从图上看,变形大体经历了3个阶段即:增长和急剧增长阶段,其持续时间大约为20～40天,此阶段变形量约占趋向稳定时总变形量的70%左右;慢增长阶段,持续时间大约20～40天;以后是开始趋向稳定阶段。稳定时间基本按 — — 类围岩的次序递增,这是因为围岩越稳定,位移稳定时间就越快。到缓慢增长变形阶段,变形已释放程度达90%以上,基本趋于稳定状态。由此可以看出,二次支护的最佳时间为开挖后50～80天。

6　结论

隧道围岩变形常规监测、TM S 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,为岩土工程设计、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

[1]　王兰生,李天斌等.高地应力区域公路隧道围岩稳定性

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北京:科学出版社,1996.

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地质出版社,1998.

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文选集[A ].北京:地质出版社.

Surround i ng rock deforma tion m on itor and appl ica tion i n h ighway tunnel

J I N X iao 2guang ,W AN G L an 2sheng ,W E I Hong

(Chengdu U n iversity of T echno logy ,Chengdu 　610059,Ch ina )

Abstract :B ased on E rlang m oun tain road tunnel engineering p ractice ,su rrounding rock dynam ic com po site info rm ati on of h ighw ay tunnel w as ob tained by rou tine su rrounding rock defo rm ati on m on ito ring m easu re 2m en t ,su rronding rock defo rm ati on trace m on ito ring system and quadratic stress field m easu re .D ep endab le data w as p rovided in su rrounding rock class ,large defo rm ati on and rockbu st fo recast as w ell as m aj o rizing quadratic bearing ti m e .Su rrounding rock defo rm ati on is an i m po rtan t m ethod of geo techn ical engineering in 2fom ati on design and con structi on .

Key words :su rrounding rock defo rm ati on m on ito r ;su rrounding rock quadratic stress field ;large dcfo rm ati on rockbu st

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