CN113074695A - 一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法，具体为：隧道开挖前，进行超前地质预报，对掌子面前方围岩稳定性作出初步判断；隧道开挖后，结合开挖揭露的掌子面状态进行掌子面地质素描，对掌子面围岩进行分级；隧道支护后，对掌子面上一开挖循环距离内的拱顶沉降量及水平收敛量进行实时监测，同时利用测斜仪对超前掌子面固定距离钻设的地表钻孔进行掌子面前方挤出位移监测，测得掌子面前方围岩的挤出变形，实现隧道掌子面变形的三维监测；通过测点位移变化率、测点位移变化量和掌子面挤出变形三个变形指标判断掌子面的稳定性。本发明可从多角度、全方位评价全断面法开挖隧道掌子面的稳定性。

Description

一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法

技术领域

本发明属于超大断面隧道工程围岩稳定性性分析技术领域，具体涉及一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法。

背景技术

在超大断面隧道机械化施工工程中，隧道掌子面周边围岩的稳定性是施工工程中应重点关注的内容，施工过程中掌子面一旦发生失稳，将会对施工人员及机械设备造成极大的危害。在隧道施工阶段，非常有必要对开挖揭露的掌子面稳定性进行及时分析，若掌子面不稳定，应及时采取相应的加固措施，提高掌子面围岩的稳定性，确保后续工程顺利施工。

相关研究已表明：在岩体中开挖隧道对围岩的扰动效应是三维的，开挖产生的临空面使原有处于三向应力状态的围岩转变为二向应力状态，围岩应力将会产生重分布，直至重新达到新的平衡状态。实际上，在掌子面开挖之后，超前掌子面前方的围岩便已经发生变形，之后隧道侧壁才发生收敛变形。随着隧道工程施工技术的发展，隧道开挖方式逐渐由原有的台阶法分布开挖预留核心土法转变为全断面法开挖，当隧道开挖预留核心土时，将会一定程度上一致掌子面前方核心围岩的变形，随着开挖方式转变为全断面法开挖，隧道掌子面将不再预留核心土，此时将对掌子面的稳定性带来一定不利因素。目前，隧道施工中现有的监控量测主要包括拱顶沉降变形、隧道周边收敛变形及地表沉降变形等常规监测项目，即针对开挖后隧道掌子面的二维变形监测，对掌子面围岩的稳定监测分析手段较为单一；而掌子面前方围岩的挤出变形对掌子面稳定性的影响起主要作用，超前掌子面前方围岩的挤出变形在一定程度上可以反映隧道围岩的稳定性。

基于以上背景，在超大断面隧道机械化全断面开挖工程中，需提出一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法，并结合施工中使用的掌子面超前地质预报、掌子面地质素描等手段，以便现场施工人员从掌子面三维变形监测的角度综合分析掌子面围岩的稳定性，进而采取相应措施提高掌子面围岩的稳定性，保障施工安全，确保工程顺利完工。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法。

本发明的一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法包括以下步骤：

步骤1：隧道开挖前，首先利用全电脑三臂凿岩台车钻设超前水平钻孔进行隧道掌子面的超前地质预报，及时获取隧道围岩地质信息，根据探测结果对掌子面前方围岩稳定性作出初步判断，保证掌子面施工作业安全。

步骤2：隧道开挖后工程技术人员结合开挖揭露的掌子面状态进行掌子面地质素描，对掌子面围岩强度、风化程度、裂隙形态、涌水状态等方面进行定性判断，进而对掌子面围岩进行分级。

步骤3：隧道支护后对掌子面上一开挖循环距离内的拱顶沉降量及水平收敛量进行实时监测，同时利用测斜仪对超前掌子面固定距离钻设的地表钻孔进行掌子面前方挤出位移监测，测得掌子面前方围岩的挤出变形，从而实现隧道掌子面变形的三维监测。

步骤4：通过以下三个变形指标判断掌子面的稳定性：

①测点位移变化率U_v≥U_v0，U_v即实测变形速率，U_v0为极限变形速率；

②测点位移变化量U≥U₀，U为实测变形量，U₀为极限位移量；

③掌子面挤出变形，按突变理论即：D＝-8U³+27U_v ²＜0；

其中：实测变形量U＝U₂-U₁，实测变形速率U_v＝(U₂-U₁)/(t₂-t₁)，U₁为t₁时刻测点位移量，U₂为t₂时刻测点位移量，且t₂＞t₁。

当满足以上任何一个判断指标时，即判定掌子面处于失稳状态，需采取相应的加固措施后方可进行后续施工。

进一步的，超前地质预报采用TSP303Plus超前地质预报系统。

进一步的，超前地质预报过程中按以下原则进行判断：

①反射振幅越高，反射系数及波阻抗的差别越大；

②正反射振幅表明正反射系数，表明掌子面前方为刚性岩性，负反射振幅则表明为软弱岩层；

③若S波反射比P波强，表明岩层存在地下水；

④V_P/V_S有较大增加或者泊松比突然增大，表明掌子面前方围岩有流体的存在而引起，其中V_P为P波波速，V_S为S波波速；

⑤若Vp有所下降，表明围岩裂隙密度或孔隙度有所增加。

进一步的，掌子面地质素描内容包括：掌子面状态、岩石强度、风化程度、裂隙形态及涌水状态。

进一步的，步骤3中，测斜仪利用在掌子面前方固定距离范围内的地表钻孔监测掌子面前方围岩的挤出变形，超前掌子面地表钻孔底部钻至隧道开挖轮廓仰拱处标高，钻孔与掌子面位置关系为：钻孔位置处于掌子面的对称轴处，还可根据现场情况决定是否在掌子面对称轴左右位置增设地表钻孔。

进一步的，测斜仪采用XJ-CX系列测斜仪，由倾斜传感器、测杆、导向定位轮、信号传输电缆和智能读数仪组成，将智能读数仪读取并贮存的测量数据通过USB数据线传送给计算机。

本发明的有益技术效果为：

(1)采用本发明，现场施工人能够获取掌子面附近围岩的三维变形监测数据，通过隧道支护后围岩的沉降变形、洞周收敛变形，超前掌子面围岩挤出变形的监测数据，结合掌子面稳定性三个判据，即可定量的判断掌子面围岩的稳定性。

(2)本发明还可根据施工过程中采用的超前掌子面地质预报、掌子面地质素描等手段，定性的掌握掌子面前方围岩的强度、风化程度、裂隙形态、涌水状态等地质指标，为掌子面围岩的稳定性分析提供辅助方法。

(3)本发明所采用的技术方案中测量超前掌子面前方围岩挤出变形的测斜仪操作简便、量测精度高，所采用的测斜管成本较低、可重复使用，在满足监测要求的基础上节约资源，经济效益显著。

(4)本发明所采用的技术方案涉及的测量超前掌子面前方围岩挤出变形过程中，隧道埋深越小，相应地表钻孔深度及难度越小，监测及实施成本也越低。

(5)本发明可实现对掌子面围岩的定性分级及定量分析的效果，为超大断面隧道机械化全断面开挖施工提供了安全保障，即实现了机械化大断面施工，也降低了工程风险，经济效益、社会效益显著，对类似超大断面隧道机械化工程具有较好的应用价值。

附图说明

图1为本发明的三维示意图；

图2为本发明中掌子面纵剖面示意图；

图3为本发明中掌子面断面示意图；

图4为本发明中测斜仪探头示意图；

图5为本发明中测斜管断面示意图；

图6为本发明中超前掌子面地表钻孔三维示意图。

图中：1、隧道掌子面；2、超前掌子面地表钻孔；3、掌子面超前水平钻孔；4、全站仪；5、测斜仪；6、测斜仪探头；7、测斜仪数据传输线；8、测斜探头上导高轮；9、测斜探头上导低轮；10、测斜探头下导高轮；11、测斜探头下导低轮；12、测斜探杆；13、测斜管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

本发明适用II、III、IV、V级围岩超大断面铁路隧道机械化施工全断面开挖，通过施工过程中对隧道开挖后临近掌子面开挖循环距离内隧道围岩沉降变形及收敛变形的监测，加以对超前掌子面前方围岩的挤出变形监测，同时结合施工过程中使用的掌子面超前地质预报、掌子面地质素描等手段，从掌子面三维变形监测的角度综合分析判释掌子面围岩的稳定性，确保了施工支护的合理性，降低了施工风险。

本发明的一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法包括以下步骤：

步骤1：隧道开挖前，首先利用全电脑三臂凿岩台车钻设超前水平钻孔3进行隧道掌子面1的超前地质预报，及时获取隧道围岩地质信息，根据探测结果对掌子面1前方围岩稳定性作出初步判断，保证掌子面1施工作业安全。

步骤2：隧道开挖后工程技术人员结合开挖揭露的掌子面状态进行掌子面地质素描，对掌子面围岩强度、风化程度、裂隙形态、涌水状态等方面进行定性判断，进而对掌子面围岩进行分级。

步骤3：如图1、图2、图3所示，隧道支护后对掌子面上一开挖循环距离内的拱顶沉降量及水平收敛量进行实时监测，同时利用测斜仪5对超前掌子面1固定距离钻设的地表钻孔2进行掌子面前方挤出位移监测，测得掌子面前方围岩的挤出变形，从而实现隧道掌子面变形的三维监测。

步骤4：通过以下三个变形指标判断掌子面1的稳定性：

①测点位移变化率U_v≥U_v0，U_v即实测变形速率，U_v0为极限变形速率；

②测点位移变化量U≥U₀，U为实测变形量，U₀为极限位移量；

③掌子面挤出变形，按突变理论即：D＝-8U³+27U_v ²＜0；

其中：实测变形量U＝U₂-U₁，实测变形速率U_v＝(U₂-U₁)/(t₂-t₁)，U₁为t₁时刻测点位移量，U₂为t₂时刻测点位移量，且t₂＞t₁。

当满足以上任何一个判断指标时，即判定掌子面1处于失稳状态，需采取相应的加固措施后方可进行后续施工。

进一步的，超前地质预报采用TSP303Plus超前地质预报系统。该系统属于最新最轻轻便紧凑型，使用弹性波反射法进行检测。超前地质预报主要内容包括：探测掌子面前方地层岩性性质、风化状态、裂隙形态及地下水涌水状态等。

进一步的，超前地质预报过程中按以下原则进行判断：

①反射振幅越高，反射系数及波阻抗的差别越大；

②正反射振幅表明正反射系数，表明掌子面前方为刚性岩性，负反射振幅则表明为软弱岩层；

③若S波反射比P波强，表明岩层存在地下水；

④V_P/V_S有较大增加或者泊松比突然增大，表明掌子面前方围岩有流体的存在而引起，其中V_P为P波波速，V_S为S波波速；

⑤若V_P有所下降，表明围岩裂隙密度或孔隙度有所增加。

掌子面超前地质预报探测结果按表1进行分析。

表1里程隧道掌子面超前地质预报结果分析样表

进一步的，掌子面地质素描内容包括：掌子面状态、岩石强度、风化程度、裂隙形态及涌水状态。掌子面地质素描分析表可参照表2。

表2隧道工程掌子面地质素描样表

进一步的，根据掌子面地质素描确定围岩级别后，采用全站仪对围岩上一开挖循环范围内隧道支护后的拱顶沉降速率、水平位移速率进行实时监测。

进一步的，步骤3中，测斜仪利用在掌子面前方固定距离范围内的地表钻孔监测掌子面前方围岩的挤出变形，超前掌子面地表钻孔底部钻至隧道开挖轮廓仰拱处标高，钻孔与掌子面位置关系为：钻孔位置处于掌子面的对称轴处，还可根据现场情况决定是否在掌子面对称轴左右位置增设地表钻孔。若隧道为深埋隧道，超前掌子面地表钻孔可利用工程地质勘察阶段的前期钻探孔进行检测；若隧道为浅埋隧道，除利用前期地质勘察钻探孔外，可根据现场施工段的风险情况，考虑增设地表钻孔的数量，以便进行更加详细的掌子面挤出变形监测。超前掌子面地表钻孔钻设后，应及时清孔，放入测斜管，并使用预通器进行预测，确认测斜管内无杂物，保证测斜仪顺测斜管能从上到下、并从下到上都很平稳顺畅通过。

进一步的，如图4、图5、图6所示，测斜仪采用XJ-CX系列测斜仪，由倾斜传感器、测杆、导向定位轮、信号传输电缆和智能读数仪组成，将智能读数仪读取并贮存的测量数据通过USB数据线传送给计算机。测斜仪主要技术参数为测量范围±30°、分辨率0.01mm/500mm、探头精度±2mm/20m，室外工作温度：-25℃～+55℃、耐水压2.0MPa、抗震性2000g、导轮间距500mm。

实施例：

以某铁路隧道机械化施工全断面开挖工程为例。隧道开挖宽度14.7m，高度12.23m，开挖面积145.88m²，隧道所处围岩为IV级，埋深为15m，属浅埋隧道，采用全电脑三臂凿岩台车机械化施工，一次性开挖长度4m。一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法，包括以下步骤：

1、隧道开挖前首先利用全电脑三臂凿岩台车按照监测方法钻设超前水平钻孔，安装套管，清洗套管内部，将接受单元插入套管并进行测试，测试数据采集，并按照表3所列项目进行分析，出具掌子面超前地质预报分析结果。

表3 DK90+075～DK90+085里程隧道掌子面超前地质预报结果分析表

2、隧道开挖后工程技术人员结合开挖揭露的DK90+075里程掌子面状态进行掌子面地质素描，对掌子面围岩强度、风化程度、裂隙形态、涌水状态等方面进行定性判断，进而对掌子面围岩进行分级，该里程段隧道掌子面地质素描情况表见表4。

表4隧道工程掌子面地质素描表

3、根据掌子面地质素描确定围岩级别为IV，则采用全站仪对IV级围岩上两个开挖循环范围(8m)内隧道支护后的拱顶沉降速率、水平位移速率进行实时监测，当测点位移速率大于5mm/d时，则判定该段掌子面围岩处于失稳状态，由监理工程师组织施工现场分析原因并采取处理措施。

采用全站仪对IV级围岩上两个开挖循环范围(8m)内隧道支护后的拱顶沉降量、水平位移量进行实时监测，当测点位移量大于50mm时，则判定该段掌子面围岩处于失稳状态，由监理工程师组织施工现场分析原因并采取处理措施。

鉴于该段隧道属于浅埋隧道，在利用测斜仪在掌子面前方一定距离范围内的地表钻孔监测掌子面前方围岩的挤出变形时，超前掌子面地表钻孔底部应钻至隧道开挖轮廓仰拱处标高，钻孔与掌子面位置关系为：钻孔位置处于掌子面的对称轴处，可根据现场情况决定是否在掌子面对称轴左右位置增设地表钻孔；超前掌子面地表钻孔，除利用前期地质勘察钻探孔外，根据现场实际情况增设两个超前掌子面地表钻孔，共三个。

采用测斜仪对IV级围岩上两个开挖循环范围(8m)内超前掌子面围岩挤出变形进行量测，当D＝-8U³+27U_v ²＜0时，则判定该段掌子面围岩处于失稳状态，由监理工程师组织施工现场分析原因并采取处理措施。

上述实施例所述仅仅是对本发明专利的优选实施方式，并不构成对本发明的限制，应当指出，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都应受到专利法的保护。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：隧道开挖前，首先利用全电脑三臂凿岩台车钻设超前水平钻孔进行隧道掌子面的超前地质预报，及时获取隧道围岩地质信息，根据探测结果对掌子面前方围岩稳定性作出初步判断，保证掌子面施工作业安全；

步骤2：隧道开挖后工程技术人员结合开挖揭露的掌子面状态进行掌子面地质素描，进而对掌子面围岩进行分级；

步骤3：隧道支护后对掌子面上一开挖循环距离内的拱顶沉降量及水平收敛量进行实时监测，同时利用测斜仪对超前掌子面固定距离钻设的地表钻孔进行掌子面前方挤出位移监测，测得掌子面前方围岩的挤出变形，从而实现隧道掌子面变形的三维监测；

步骤4：通过以下三个变形指标判断掌子面的稳定性：

①测点位移变化率U_v≥U_v0，U_v即实测变形速率，U_v0为极限变形速率；

②测点位移变化量U≥U₀，U为实测变形量，U₀为极限位移量；

③掌子面挤出变形，按突变理论即：D＝-8U³+27U_v ²＜0；

其中：实测变形量U＝U₂-U₁，实测变形速率U_v＝(U₂-U₁)/(t₂-t₁)，U₁为t₁时刻测点位移量，U₂为t₂时刻测点位移量，且t₂＞t₁；

当满足以上任何一个判断指标时，即判定掌子面处于失稳状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法，其特征在于，所述超前地质预报采用TSP303Plus超前地质预报系统。

3.根据权利要求2所述的一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法，其特征在于，所述超前地质预报过程中按以下原则进行判断：

①反射振幅越高，反射系数及波阻抗的差别越大；

②正反射振幅表明正反射系数，表明掌子面前方为刚性岩性，负反射振幅则表明为软弱岩层；

③若S波反射比P波强，表明岩层存在地下水；

④V_P/V_S有较大增加或者泊松比突然增大，表明掌子面前方围岩有流体的存在而引起，其中V_P为P波波速，V_S为S波波速；

⑤若V_P有所下降，表明围岩裂隙密度或孔隙度有所增加。

4.根据权利要求1所述的一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法，其特征在于，所述掌子面地质素描内容包括：掌子面状态、岩石强度、风化程度、裂隙形态及涌水状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法，其特征在于，所述步骤3中，测斜仪利用在掌子面前方固定距离范围内的地表钻孔监测掌子面前方围岩的挤出变形，超前掌子面地表钻孔底部钻至隧道开挖轮廓仰拱处标高，钻孔与掌子面位置关系为：钻孔位置处于掌子面的对称轴处，还可根据现场情况决定是否在掌子面对称轴左右位置增设地表钻孔。

6.根据权利要求5所述的一种基于掌子面三维变形监测的隧道稳定性判释方法，其特征在于，所述测斜仪采用XJ-CX系列测斜仪，由倾斜传感器、测杆、导向定位轮、信号传输电缆和智能读数仪组成，将智能读数仪读取并贮存的测量数据通过USB数据线传送给计算机。

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