試論公路隧道施工監控測量的設計與實施

摘要：連拱隧道在國內作為一個新興的課題，尚處于由存在而論證其合理性的階段。結合目前隧道工程建設監測工作的需要，對公路連拱隧道工程安全監測的設計、實施方法作了較為深入的研究；并對主要施工工藝以及施工動態的分析，再結合隧道施工可能對周圍環境影響的分析，指導連拱隧道的信息化設計和施工，通過對連拱隧道主要施工工藝及施工控制的研究，擬解決隧道動態施工力學問題。

關鍵詞：公路隧道；施工；監控；測量

1 公路隧道施工監控量測的必要性

隧道工程是一種特殊的工程結構體系。從巖體力學的角度看，它是處于與圍巖相互作用的體系之中的結構物；從地質力學的角度看，它是處于千變萬化的地質體之中的工程單元體。在這樣的巖體或地質體中，隧道必將受到周圍地質環境的強烈影響；從結構角度看，這種工程單元體是由周圍地質休和各種支護結構構成，即：

隧道結構體系＝周圍地質體＋支護結構

其形成過可作如下圖1表述：

從隧道的這種復雜的力學發展過程，可以認識到以下兩點：

第一，隧道工程如果作為一種工程結構物看待，它的受力特點與地面工程有很大的差別。由于隧道工程是處于千變萬化的巖體之中，其所受外力是不明確的；

第二，隧道工程的成形過程，自始至終都存在著受力狀態變化這一特性。即隧道從開挖起，一直到受力平衡和體系穩定，或者到結構受損，圍巖內部結構一直是在變動，支護和襯砌的內力和外形也在變動之中。

2 公路隧道監測項目及量測要求

2.1公路隧道監測項目

施工監控量測的項目應根據隧道工程地質條件、圍巖類別、圍巖應力分布情況、隧道跨度、埋深、工程性質、開挖方法、支護類型等因素確定。

2.2公路隧道監控量測要求

（1）能快速埋設測點，隧道在開挖過程中，開挖土作面四周兩倍洞徑范圍內受開挖影響最大。測點一般是開挖后埋設的，為盡早獲得圍巖開挖初始階段的變形動態，測點應緊靠工作面快速埋設，盡早量測。

（2）每一次量測數據所需時間應盡可能短。

（3）測試元件應具有良好的防震、防沖擊波能力。

（4）測試數據應準確可靠、直觀，不必復雜計算即可直接應用。

（5）測試元件在埋設后能長期有效工作，應有足夠的精度。

3 公路隧道監控量測的實施分析

隧道工程監測的實施階段就是進行儀器安裝和測讀的階段，因此需要編制相應的監測工程施工組織設計，需要收集并分析監測工程設計文件、技術規范、儀器布置圖等資料，進行現場考察，研究工程特點和施工條件，確定施工方案，編制進度計劃。

3.1量測基準值的確定

各種觀測儀器的計算都是相對計算，所以每個儀器必須有個基準值。基準值就是儀器安裝埋設后開始工作的觀測值，基準值的確定是觀測的主要環節之一。基準值確定的適當與否直接影響以后資料分析的正確性，由于確定不當會引起很大的誤斷。所以各量測項目應十分重視初讀數的準確性，因為量測所得的初讀數是判斷施工安全的基準點。初讀數的取得往往需要經過數次波動之后才能趨于穩定，測讀時必須是連續三次測得的數值基本一致后才能將其定為初讀數，否則應繼續測讀，直至滿足要求為止。

3.2圍巖周邊位移量測

圍巖周邊各點趨向隧道中心的變形稱為“收斂”，所謂圍巖周邊收斂位移量測主要是指對隧道內壁面兩點間連線方向的位移的量測，此項量測稱為“收斂”量測。收斂值為兩次量測的距離之差。收斂量測是隧道施工監控量測的重要項目，收斂值是最基本的量測數據，是判斷圍巖動態最主要的量測項目，必須量測準確，計一算無誤。隧道工程施工比較強調圍巖變形，因為巖體變形是應力性態變化的最直觀反映，是隧道開挖時圍巖動態、圍巖條件、支護效果的綜合體現，是在隧道全長進行的重要量測項目。此項目的量測結果可用以判斷：周邊圍巖的穩定性；確定支護時間、推算位移速率、最終位移值、初期支護的妥當與否及襯砌、仰拱的灌注時間等。

初測觀測斷面應盡可能靠近開挖掌子面，距離不宜大于1.0m。應保證沿隧道軸線每類圍巖至少有一個量測斷面。一般情況下，洞口段和埋深小于兩倍隧道寬度地段，間隔5～10m一個量測斷面；其余地段可根據地質條件，按規范要求布設斷面。對于地質條件好且收斂值穩定的隧道，可加大量測斷面的間距；對于圍巖較差，收斂值長期不穩定，開挖進度快或采用分部開挖法施工的隧道，可縮小量測斷面的間距。

測點的布置要優先考慮拱頂、拱座和邊墻，若圍巖局部有穩定性差的巖體，也應該設置測點，遇軟弱夾層時，應在其上下盤設測點。

圍巖位移有絕對位移和相對位移之分。絕對位移是指隧道圍巖或頂底板及側端某一部位的實際移動值，其量測方法是在距測點較遠的地方設置一基點（該基點坐標已知，且不再產生移動），然后定期用經緯儀自基點向實測點進行量測，根據前后兩次觀測所得的標高及方位變化，即可確定圍巖的絕對位移量。

應當根據洞室跨度的不同和所要求的精度的不同來選擇不同種類的收斂計。量測到的收斂值是指已知兩測點間在某一時間段內距離的改變量，按下式計算：

△u＝R1－R2△v＝△u/△t△t＝t1－t2

式中：△u，△v，△t--分別為收斂值、收斂速度、觀測時間間隔；

R1，R2，t1，t2--時刻觀測值。

須指出，按上式計算的數值，前后兩次觀測時的量測方法應相同，必要時還需進行鋼帶尺刻度和溫度的修正。

3.3拱頂下沉量測

隧道拱頂內壁的絕對下沉量稱為拱頂下沉值，單位時間內拱頂下沉值稱為拱頂下沉速度。拱頂下沉量測也屬位移量測，對于埋深較淺、固結程度低的地層，水平成層的場合，這項量測比收斂值量測更為重要，其量測數據是判斷支護效果，指導施工工序，保證施工質量和安全的最基本的資料。

拱頂下沉量的大小，可通過凈空收斂觀測值利用計算的方法而得到，根據測線A， B， C的實測值并利用三角形面積換算求得。

3.4 圍巖內部位移量測

隧道圍巖內部位移量測是通過鉆孔位移計量測孔壁巖體不同深度的軸向位移。它不同于隧道圍巖收斂觀測，后者僅能測到洞室凈空收斂變形，前者則能測到洞室圍巖內不同深度上軸向變形。因此根據這些觀測資料，可分析判斷洞室圍巖位移的變化范圍和松弛范圍，預測預報圍巖穩定性，為修改錨桿支護參數提供重要依據。因此，隧道圍巖內部位移量測的主要口的是為了解隧道圍巖的徑向位移分布和松弛范圍，優化錨桿參數，指導施工。

實踐證明，當隧道開挖后，巖體固有結構被破壞，塊體間阻力削弱而變形松弛，坑道圍巖應力重分布，坑道周邊徑向應力被釋放，圍巖內通常形成塑性區，一方面使應力不斷地向圍巖深部轉移，另一方面又不斷地向隧道方向變形并逐漸解除塑性區的應力。這種向隧道方向的變形，一般在開挖后24h內發展較快，而圍巖開挖初始階段的變形動態數據又在全部變形過程中占十分重要的地位，因此要求測點應盡快安裝，并在下一循環開挖前獲得初讀數。

圍巖內部變形量測的設備，主要是使用位移計。

當在鉆孔內布置多個測點時，就能分別測出沿鉆孔不同深度巖層的位移值。測點1的深度愈大，本身受開挖的影響愈小，所測出的位移值愈接近絕對值。

圍巖內位移的量測多在軟弱、破碎或具有較大地質結構面的圍巖內進行。這類圍巖本身力學性質復雜，受力變形規律不易預測，支護比較困難。進行圍巖內位移量測，可以比周邊位移量測獲取更多的地層信息，特別是有關圍巖內的信息，對分析圍巖的位移規律，并據此調整支護參數，或設計新的支護結構大有助益。

實用中，一般根據量測結果，先繪出位移-深度關系曲線（如圖2）和位移-時間關系曲線（如圖3）。

如果在兩相鄰測點間位移突然變化，則表明在此兩點間很可能有不連續位移發生，即松弛圍巖的界面在此兩點之間，調整支參數時，如有可能則應使錨桿長度超出此兩點。如果相鄰測點間位移變化比較均勻，且最深測點仍有較大變形，則表明圍巖受到擾動范圍較大，僅靠調整錨桿長度一般難以解決支護問題；這時應采取綜合治理措施，采用特殊的鋼支撐加錨噴（掛網）等方案進行初期支護，并在必要時加大二次襯砌的強度與剛度。通過位移一時間曲線，如果掌握了圍巖內部隨時間變形的規律，則可更好地用于指導施工，如確定復噴的時間和二次襯砌的施工時間。

其他實施項目，如地表下沉及邊坡滑移量測、錨桿力、接觸應力、襯砌力量測等筆者在此不再冗述。

參考文獻

[1]唐穎、陳曉拒.淺論連拱隧道設計[A]. 2002年全國公路隧道學術會議論文集[C]

[2]周玉宏、趙燕明、程崇國.偏壓連拱隧道施工過程的優化研究[J].巖石力學與工程學報，2004， 21 （5） .