CN115164796A - 一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，包括以下步骤：在隧道围岩初期支护稳定时，在隧道内预埋测斜管；沿测斜管长度方向上确定多个测点，通过对测斜管管口A点观测定位，确定每个测点的初始深度值；隧道正常施工，每循环进尺一次，则对测点的位移量监测一次；待掌子面通过测斜管的末端O点，且O点位移量稳定时，通过每个测点的最终位移量确定围岩内部位移沿隧道径向的累计位移曲线，根据累积位移曲线特征判定围岩松动圈，根据斜管管口A点的最终位移值确定极限位移值。采用本方案，能将常规的后置径向测量围岩内部位移，变为前置沿隧道纵向测量围岩径向位移，从而使围岩松动圈和极限位移值的测量结果更为准确。

Description

一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法。

背景技术

围岩松动圈是隧道开挖后应力调整，因围岩切向表面应力差超过围岩强度产生的松弛破碎带，其力学特性表现为应力降低。围岩松动圈的大小主要与围岩强度和原岩应力有关。围岩松动圈形成具有典型的时间特征与阶段特征。现场实测表明，松动圈的形成时间少的需要3-7天，大的需要1-3个月。松动圈的形成过程分为两个阶段，第一是开挖后形成的“即时松动圈”，即围岩中集中应力超过围岩瞬时强度形成的松动圈。即时松动圈数值一般为最终稳定松动圈数值的60％-90％，岩石硬这一比数高，岩石软则百分比较低。第二阶段是在支护完成后，伴随着围岩长时强度的下降，松动圈进一步扩展，直至形成最终长时强度条件下的稳定松动圈数值。

确定围岩松动圈深度是确定系统锚杆长度的重要依据。隧道收敛量测表明，松动圈发展稳定时间与收敛变形稳定时间是一致的。因此，通过测量围岩内部位移确定围岩松动圈是可行的，也是行业内普遍采用的方法。隧道内量测围岩内部位移主要是径向打孔设置多点位移或者单点位移计，量测设定深度范围内相对洞壁的相对位移值，通过一定规则确定围岩松动圈范围。

发明CN112345647A公开了一种围岩松动圈测试方法：采用现场测试与室内试验的方法，分析隧道施工扰动对围岩的影响，定量确定围岩松动圈的大小及损伤程度。采用声波仪现场测量围岩波速，通过室内循环加卸载试验表征不同损伤程度围岩的波速演化规律。现场波速测试方案采用单孔测试法，测量不同深度处岩体的声波传递速度。采用岩石刚度的折减来描述岩石损伤，进而明确不同损伤程度下岩石的波速和围岩参数的演化规律。将现场测试得到的岩体波速与室内试验确定的波速随损伤演化曲线相比照，为围岩支护设计提供参考依据。本发明实用性好，不仅能够给出围岩开挖松动圈范围，并且能够对松动圈岩体质量进行定量评价。该方法属于一种间接方法，其准确度取决于取样岩石石块的代表性。

CN111708077A公开了一种隧道围岩松动圈的声波法测试方法。CN109239779A公开了一种基于速度传感器确定围岩松动圈的测试方法。CN104792965A公开了一种基于钻孔能量的围岩松动圈测试方法。CN101251498基于电磁辐射原理的围岩松动圈测试及评价方法。CN109357935A基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法。上述方法中除锚杆微应变分析法是直接测量围岩位移外，其他均为间接方法，普遍存在二次解译准确度不高的问题。另一个最大的问题，这些方法都是布置于隧道径向，即需要在开挖完成后才能进行设备、传感器安装或测试，而这时即时松动圈已经形成。因此采用一种较为准确的方法直接测量围岩内部位移，特别是获得即时松动圈的位移，是非常有意义的。

隧道围岩极限位移(或称容许位移量)是指确保围岩无明显松动、裂纹等有害条件下，围岩最终累计位移的容许值。发明CN109948294A公布了一种采用有限元数值法计算确极限位移的方法，属于间接方法。由于极限位移的确定十分困难(《公路隧道施工技术规范》JTGT3660-2020第18.6.3条)，现有的监控量测方法在开挖后才能进行测量，无法获得钻爆法开挖的即时位移。在设计中以预留变形量代替作为极限位移进行控制。明显的，设计采用较大的预留变形量(即根据经验预估的极限位移)将导致工程浪费，因此，采用较为准确的方法直接测量围岩极限位移是非常有意义的。

发明内容

本发明目的在于提供一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，采用本方案，能将常规的后置径向测量围岩内部位移，变为前置沿隧道纵向测量围岩径向位移，从而使围岩松动圈和极限位移值的测量结果更为准确。

本发明通过下述技术方案实现：

一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在隧道围岩初期支护稳定时，在隧道内预埋测斜管；所述测斜管和隧道纵向之间具有外插角，所述测斜管的管口A点伸出初期支护表面；

步骤二：测斜管长度方向上依次确定等间距测点A、B、C……直至O，通过对测斜管管口A点观测定位，确定每个测点的初始值；

步骤三：隧道正常施工，每循环进尺一次，则采用测斜仪对所述测斜管的位移量监测一次；

步骤四：待掌子面通过测斜管的末端O点后，且O点位移量稳定时，计算每个测点的最终位移量，绘出围岩内部位移沿隧道径向的累计位移曲线，根据累积位移曲线特征判定围岩松动圈，根据斜管管口A点的最终位移值确定极限位移值。

相对于现有技术中，都是布置于隧道径向，即需要在开挖完成后才能进行设备、传感器安装或测试，而这时即时松动圈已经形成，无法准确获得围岩松动圈，且也无法获得钻爆法开挖的即时位移，从而导致围岩松动圈和极限位移值无法更为准确测量的问题，本方案提供了一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，具体步骤中，需在隧道围岩初期支护稳定时，即可在隧道内预埋测斜管，其中测斜管按照一定的外插角插入隧道围岩内，便于对不同深度的围岩径向位移进行测量，测斜管的管口A点需伸出初期支护表面，即伸出掌子面，从而便于监测装置在测斜管管口A点处，对测斜管的测点进行监测；在测斜管上等间距布设有测点A、B、C……直至O，测点间距一般取0.5m，即测斜仪轮距0.5m；每个测点用于测量不同围岩深度的径向位移，在初始阶段，先确定每个测点的初始值，然后隧道正常施工，在隧道施工过程中，每循环进尺一次，则开展加密监测一次，由于测斜管仰斜，测斜仪无法依靠重力运动，需要采用带标尺的可接长的铝合金杆将测斜仪从孔口斜向上推到孔底，每推进0.5m采集一次读数。然后记录相应数值，每次测得的深度值减去上次测得的深度值即为该次的位移值；在每次监测时，需整理形成围岩内部位移沿隧道径向的该次累计位移曲线；待掌子面通过测斜管的末端O点，且O点位移量稳定时，将上述结果整理，形成围岩内部位移沿隧道径向的总的累计位移曲线，然后根据累积位移曲线特征判定围岩松动圈，根据斜管管口A点的最终位移值确定极限位移值。

上述方案，旨在实现：通过在开挖前预埋测斜管，能监测隧道开挖过程中的围岩位移量，并通过多循环进尺开挖获得每个测段随时间变化的沿隧道径向的位移，通过等效投影可以获得掌子面通过时远离洞壁不同深度围岩的径向位移，进而确定围岩松动圈深度，也包括即时松动圈深度，同时获得洞壁极限位移值。

进一步优化，在根据测斜管管口A点的最终位移值确定极限位移值时，还包括以下具体步骤：在累计位移曲线中，将位于掌子面前方，且最靠近掌子面的两个测点C、B的最终变形量连线cb并做延长线与A测点位置基线相交于a’；用于确定实际的极限位移值。

进一步优化，在根据累积位移曲线特征判定围岩松动圈时，还包括以下步骤:根据位移量稳定时的累积位移曲线，取曲线陡变位置作为围岩松动圈的强弱界线位置，以此确定围岩松动圈。

进一步优化，所述外插角为10°～15°；选取适宜的外插角，能在测量不同深度的围岩径向位移的同时，还能便于工人操作；若外插角超过15°甚至更大，测斜仪很难在测斜管的轨槽上移动，不利于施工。

进一步优化，当所述测斜管位于拱顶时，所述外插角取大值。

进一步优化，所述隧道围岩强度越高，外插角越小。

进一步优化，所述测斜管的管口需远离掌子面不小于1/2个循环进尺；用于防止爆破施工时损伤管口。

进一步优化，所述测斜管的其中一个轨槽方向朝向所述隧道径向。

进一步优化，所述隧道正常施工时，系统锚杆施工，需避开测斜管至少0.3m以上。

进一步优化，采用全站仪对测斜管管口观测定位。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供了一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，采用本方案，通过在开挖前预埋测斜管，能监测隧道开挖过程中的围岩位移量，并通过多循环进尺开挖获得每个测段随时间变化的沿隧道径向的位移，通过等效投影可以获得掌子面通过时远离洞壁不同深度围岩的径向位移，进而确定围岩松动圈深度，也包括即时松动圈深度，同时获得洞壁极限位移值。即将常规的后置径向测量围岩内部位移，变为前置沿隧道纵向测量围岩径向位移，从而使围岩松动圈和极限位移值的测量结果更为准确。

本发明提供了一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，采用本方案，通过直接位移测量法判定围岩松动圈，相对声波测试等间接方法更准确；且解决了围岩极限位移确定难题，对于支撑设计确定预留变形量，降低工程投资具有极大参考价值。还可以获得围岩径向位移随隧道逐段开挖的阶段发展特征和时间历程，对于确定系统锚杆的施做时机和评价系统锚杆作用极有意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明提供的一种实施例的沿隧道拱顶的围岩纵向测点布置示意图；

图2为本发明提供的一种实施例的沿隧道拱腰的围岩纵向测点布置示意图；

图3为本发明提供的一种实施例的围岩径向位移累积曲线图；

图4为本发明提供的一种实施例的围岩径向位移累积曲线局部示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-测斜管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1至图4所示，本实施例1提供了一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在隧道围岩初期支护稳定时，在隧道内预埋测斜管1；所述测斜管1和隧道纵向之间具有外插角，所述测斜管1的管口A点伸出初期支护表面；

步骤二：测斜管1长度方向上依次确定等间距测点A、B、C……直至O，通过对测斜管1管口A点观测定位，确定每个测点的初始值；

步骤三：隧道正常施工，每循环进尺一次，则采用测斜仪对所述测斜管的位移量监测一次；

步骤四：待掌子面通过测斜管1的末端O点后，且O点位移量稳定时，计算每个测点的最终位移量，绘出围岩内部位移沿隧道径向的累计位移曲线，根据累积位移曲线特征判定围岩松动圈，根据斜管1管口A点的最终位移值确定极限位移值。

相对于现有技术中，都是布置于隧道径向，即需要在开挖完成后才能进行设备、传感器安装或测试，而这时即时松动圈已经形成，无法准确获得围岩松动圈，且也无法获得钻爆法开挖的即时位移，从而导致围岩松动圈和极限位移值无法更为准确测量的问题，本方案提供了一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，具体步骤中，需在隧道围岩初期支护稳定时，即可在隧道内预埋测斜管1，其中测斜管1按照一定的外插角插入隧道围岩内，便于对不同深度的围岩径向位移进行测量，测斜管1的管口A点需伸出初期支护表面，即伸出掌子面，从而便于监测装置在测斜管1管口A点处，对测斜管1的测点进行监测；在测斜管1上等间距布设有测点A、B、C……直至O，测点间距一般取0.5m，即测斜仪轮距0.5m；每个测点用于测量不同围岩深度的径向位移，在初始阶段，先确定每个测点的初始值，然后隧道正常施工，在隧道施工过程中，每循环进尺一次，则开展加密监测一次，由于测斜管1仰斜，测斜仪无法依靠重力运动。需要采用带标尺的可接长的铝合金杆将测斜仪从孔口斜向上推到孔底，每推进0.5m采集一次读数。然后记录相应数值，每次测得的深度值减去上次测得的深度值即为该次的位移值；在每次监测时，需整理形成围岩内部位移沿隧道径向的该次累计位移曲线；待掌子面通过测斜管的末端O点，且O点位移量稳定时，将上述结果整理，形成围岩内部位移沿隧道径向的总的累计位移曲线，然后根据累积位移曲线特征判定围岩松动圈，根据斜管1管口A点的最终位移值确定极限位移值。

上述方案，旨在实现：通过在开挖前预埋测斜管1，能监测隧道开挖过程中的围岩位移量，并通过多循环进尺开挖获得每个测段随时间变化的沿隧道径向的位移，通过等效投影可以获得掌子面通过时远离洞壁不同深度围岩的径向位移，进而确定围岩松动圈深度，也包括即时松动圈深度，同时获得洞壁极限位移值。

请参阅图3和图4，由于在理论方案中，测斜管1管口A点的位移量即为极限位移值，但在实际监测过程中，由于测斜管1管口A点位于掌子面之外，即穿出了初期支护表面，因此，其实际的极限位移值是测斜管1和掌子面的交点处的位移值，而计算出的A点的位移值相对于实际的极限位移值会具有一定的损失量，为进一步确定实际的极限位移值，本实施例中，在根据测斜管1管口A点的最终位移值确定极限位移值时，还包括以下具体步骤：在累计位移曲线中，将位于掌子面前方，且最靠近掌子面的两个测点C、B的最终变形量连线cb并做延长线与A测点位置基线相交于a’；本方案中，需在围岩内，且最靠近掌子面的两个测点来计算，极限位移值和这两个点的位移量变化趋于稳定，即累计位移曲线中的t3时的b点和c点，将b点和c点连成直线，并向外延伸，得到第一延长线，然后沿变形量方向，作出管口A点变形量的第二延长线，此时第一延长线和第二延长线的交点即为洞壁的极限位移值，通过求得实际的极限位移值，进一步提高了精确度。

请继续参阅图3和图4，本实施例中，在根据累积位移曲线特征判定围岩松动圈时，还包括以下步骤:根据位移量稳定时的累积位移曲线，取曲线陡变位置作为围岩松动圈的强弱界线位置，以此确定围岩松动圈；其曲线陡变强度最大的位置即为围岩松动圈的强弱界线位置，由此确定围岩松动圈，并可用于锚杆长度设计。

本实施例中，所述外插角为10°～15°；选取适宜的外插角，能在测量不同深度的围岩径向位移的同时，还能便于工人操作；若外插角超过15°甚至更大，测斜仪很难在测斜管1的轨槽上移动，不利于施工。

本实施例中，当所述测斜管1位于拱顶时，所述外插角取大值。

本实施例中，所述隧道围岩强度越高，外插角越小。

本实施例中，所述测斜管1的管口需远离掌子面不小于1/2个循环进尺；用于防止爆破施工时损伤管口。

本实施例中，所述测斜管1的其中一个轨槽方向朝向所述隧道径向。

本实施例中，所述隧道正常施工时，系统锚杆施工，需避开测斜管1至少0.3m以上。

本实施例中，采用全站仪对测斜管管口观测定位。

实施例2

本实施例2在实施例1的基础上进一步限定，提供了一种具体实施方式，包括以下具体步骤：

步骤一：围岩初期支护稳定时，按一定外插角钻孔，预置埋入测斜管1，测斜管1管口远离掌子面不小于1/2个循环进尺，以防爆破损伤管口，且宜适当伸出初期支护表面，以全站仪能观测定位为准。测斜管1轨槽方向朝向隧道径向。测斜管1外插角宜采用10～15°，围岩较好时取小值，较大时取大值。测斜位于拱顶时，宜采用大值。

步骤二：采用全站仪对测斜管1管口观测定位，并测定测斜仪各测段初始值。

步骤三：正常施工，按规范要求的监控量测频率进行监测。每循环进尺开挖后，需加密监测一次。需要注意的是，系统锚杆施工时，须避开测斜管10.3m以上。

步骤四：每循环进尺开挖后开展监测一次，整理形成围岩内部位移沿隧道径向的累计位移曲线。如图3中t1、t2对应开挖进度时刻获得的监测曲线，t0点为初始监测点，所有点位移为零。

步骤五：掌子面通过O点后，且O点变形趋于稳定后，以t3时刻为例，整理形成围岩内部位移沿隧道径向的累计位移曲线，根据曲线特征判定围岩松动圈；再将B点对应洞壁的极限位移累计位移曲线回归分析，通过外延确定，即在累计位移曲线中，将位于围岩内部，且最靠近初期支护表面的两个测点的最终变形量相连并做第一延长线，沿变形量方向，作出管口A点变形量的第二延长线，并求出第一延长线和第二延长线的交点变形量，即为洞壁极限位移值。

步骤六：根据稳定的累计位移曲线，取曲线陡变的位置作为围岩松动圈强弱界线位置，即根据位移量稳定时的累积位移曲线，取曲线陡变位置作为围岩松动圈的强弱界线位置，可用于锚杆长度设计。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在隧道围岩初期支护稳定时，在隧道内预埋测斜管(1)；所述测斜管(1)和隧道纵向之间具有外插角，所述测斜管(1)的管口A点伸出初期支护表面；

步骤二：测斜管(1)长度方向上依次确定等间距测点A、B、C……直至O，通过对测斜管(1)管口A点观测定位，确定每个测点的初始值；

步骤三：隧道正常施工，每循环进尺一次，则采用测斜仪对所述测斜管的位移量监测一次；

步骤四：待掌子面通过测斜管(1)的末端O点后，且O点位移量稳定时，计算每个测点的最终位移量，绘出围岩内部位移沿隧道径向的累计位移曲线，根据累积位移曲线特征判定围岩松动圈，根据斜管(1)管口A点的最终位移值确定极限位移值。

2.根据权利要求1所述的一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，在根据测斜管(1)管口A点的最终位移值确定极限位移值时，还包括以下具体步骤：

在累计位移曲线中，将位于掌子面前方，且最靠近掌子面的两个测点C、B的最终变形量连线cb并做延长线与A测点位置基线相交于a’。

3.根据权利要求1所述的一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，在根据累积位移曲线特征判定围岩松动圈时，还包括以下步骤:

根据位移量稳定时的累积位移曲线，取曲线陡变位置作为围岩松动圈的强弱界线位置，以此确定围岩松动圈。

4.根据权利要求1所述的一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，所述外插角为10°～15°。

5.根据权利要求4所述的一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，当所述测斜管位于拱顶时，所述外插角取大值。

6.根据权利要求4所述的一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，所述隧道围岩强度越高，外插角越小。

7.根据权利要求1所述的一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，所述测斜管(1)的管口需远离掌子面不小于1/2个循环进尺。

8.根据权利要求1所述的一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，所述测斜管(1)的其中一个轨槽方向朝向所述隧道径向。

9.根据权利要求1所述的一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，所述隧道正常施工时，系统锚杆施工，需避开测斜管(1)至少0.3m以上。

10.根据权利要求1所述的一种实测确定隧道围岩松动圈与极限位移的方法，其特征在于，采用全站仪对测斜管(1)管口A点观测定位。

Images