杭千高速南峰和善嶺隧道監控量測技術的應用

何華春 曾水泉

1 隧道概況

南峰和善嶺隧道是杭千高速杭州—桐廬段重要工程之一，位于杭州富陽境內，南峰隧道位于南峰村西南，隧道起訖里程為K27+010～K27+410，長400 m。善嶺隧道位于南峰隧道出口后跨越毛竹灣山溝的西南側山坡上，隧道起訖里程K27+487～K27+815，長 328 m。

兩隧道均為六車道連拱隧道，根據設計和鉆探資料，兩隧道段地質情況為:兩隧道位于富春江河谷平原堆積地貌區，南峰隧道進出洞口地段地形起伏較大，植被發育。表部為殘坡積土，Vp=500 m/s～900 m/s，層厚 1.0 m～4.0 m。下伏基巖，中風化砂巖，Vp=1 700 m/s～2 800 m/s，層厚4.0 m～10.0 m，微風化砂巖厚度大，Vp=2 800 m/s～3 600 m/s，巖石為塊、碎石狀結構，節理很發育。地下水不發育，主要為基巖裂隙水。善嶺隧道進洞口地形起伏較大，出洞口較平緩，表部第四系殘坡積土為含碎石亞黏土Vp=600 m/s～1 000 m/s，結構松散，穩定性差;下伏基巖為強風化砂巖，厚約6.0 m，Vp=1 000 m/s～1 800 m/s。中風化砂巖，厚度大，Vp=1 900 m/s～2 800 m/s，節理發育。微風化砂巖 Vp=2 800 m/s～3 900 m/s，節理裂隙較發育。地下水不發育，主要為裂隙水，兩隧道的最大埋深為74 m。

2 量測方法

1)地質及支護狀況觀察。隧道各個工作面，重點在Ⅳ類圍巖地段，每次爆破開挖、噴混凝土初期支護后，通過鐵錘錘擊檢查、肉眼觀察、地質羅盤量測，對巖性、結構面產狀、支護和巖層裂隙、溶洞、風化程度、巖層厚度和顏色、地下水等進行記錄和描述，判斷圍巖的穩定性，核對圍巖級別、巖質、斷層破碎帶、褶皺等，對重要或特殊部位進行拍照存檔，測量地下水流量及其腐蝕性，同時通過斷面測量作實際斷面與設計斷面對比圖。

2)圍巖周邊位移量測。a.測樁要求在開挖爆破后24 h內與在下一循環爆破前完成全部埋設，并讀取初讀數;b.測樁應盡可能布置在同一斷面，Ⅱ類圍巖每10 m～15 m一個，Ⅲ類圍巖每15 m～25 m一個，測量點應盡可能選擇具有代表性的地方，以便測量數據的分析及為以后的工作提供經驗;c.測樁埋設深度30 cm左右，鉆孔直徑同錨桿，采用早強錨固劑固定，測樁表面用保護罩防護;d.凈空水平收斂兩測點應在同一水平線上，采用SWJ-TV型收斂計量測收斂變形。由于南峰及善嶺隧道地質情況較好，洞內量測間距平均為30 m，洞門段為10 m。

3)拱頂下沉量測。拱頂下沉量測點布置在隧道的拱頂中軸線處，測點表面設一個掛鉤，與周邊位移量測同一個斷面。作為圍巖周邊位移量測的補充，采用高精度的水準儀和鋼尺量測拱頂的絕對下沉量。

4)地表下沉量測。在隧道出入口各設5個量測斷面，間距10 m，在選定的量測區域內，設測量方便、牢固的基準點，在深40 cm的土坑內打入60 cm長的φ 22鋼筋，外露3 cm～4 cm并用混凝土填實，按順序編好號并在附近打上大木樁便于尋找。測點沿地面布置在隧道軸線及其兩側5個點，測點間距2 m～5 m，中間間距小，兩邊間距大，用水準儀測量。隧道開挖到距測點前后各10 m～20 m范圍內進行量測，直到沉降穩定以后停止測量。

5)數據采集頻率。根據施工開挖監控量測設計圖的要求，同時為了滿足數據分析的需要，測量讀數的頻率不得小于規范的要求，其數據采集頻率見表1。

3 量測數據的整理與分析

表1 數據采集頻率

1)水平凈空收斂量測(周邊位移量測)。南峰和善嶺隧道水平凈空收斂均采用SWJ-TV型收斂計量測，隧道凈空水平收斂量測后，根據測量成果，繪出周邊位移 s與時間t的對應分散點，同時進行一元非線性回歸計算，繪出周邊位移s與時間t的圓滑變化曲線。判斷凈空水平收斂的變化速率相對較小，變形呈收斂趨勢，圍巖趨于穩定(見圖1)。

2)拱頂下沉量測。拱頂下沉采用高精度的水準儀和鋼尺進行量測，量測斷面與周邊位移量測斷面對應，繪出拱頂下沉 s與時間t的對應分散點，同時進行一元非線性回歸計算，繪出拱頂下沉s與時間t的圓滑變化曲線，判斷拱頂下沉的變化速率相對較小，變形呈收斂趨勢，圍巖趨于穩定(見圖2)。從善嶺隧道樁號K27+500這個具有代表性的“隧道拱頂下沉時態曲線”可以判斷出，該隧道拱頂下沉絕對值比較小，在20 mm左右，并具有明顯的收斂趨勢，經過一個半月后，在下臺階開挖完成后，基本趨于穩定，圍巖性質相對良好。

3)地表下沉量測。地表沉降量測采用高精度的水準儀，根據測量記錄，對量測數據進行一元非線性回歸分析，作出地表下沉時態曲線。由于善嶺、南峰隧道出口頂部覆蓋厚度不均勻，同一斷面左厚右薄，在軸線中心附近的測點(K27+390)處，隧道覆蓋層小于15 m，其下沉具有典型性和代表性，予以列出，見圖3。通過時態曲線圖分析可以看出，地表的總體下沉量也較小，也在20 mm左右，并具有明顯的收斂趨勢，說明此處雖然隧道覆蓋層較小，但圍巖性質相對良好。

4)回歸分析。a.根據散點圖中的散點擬合曲線的分布特征、變化特性、收斂性等，從理論和以往經驗選擇能代表兩變量之間內在關系的函數類型;b.將非線性的函數關系通過轉換成為線性函數關系，按照線性函數求未知參數的方法求出未知參數后，將參數變換求出選定的曲線(非線性)函數的未知參數，得到非線性函數回歸方程;c.進行標準離差s分析，如精度不夠，可選擇其他合適的曲線函數按照以上步驟重新進行分析。

4 結語

1)當隧道水平位移收斂速度為0.1 mm/d～0.2 mm/d，拱頂下沉位移速度為0.1 mm/d時，可以認為圍巖已基本穩定。對于Ⅲ級，Ⅳ級圍巖，二次襯砌按承受部分圍巖壓力設計，應根據量測結果確定二次襯砌施作的適當時間;

2)兩隧道圍巖整體相對穩定，自穩性強，未發生塌方，除進出口局部地段為Ⅳ類圍巖外，其余設計圍巖以Ⅱ級，Ⅲ級為主;

3)部分圍巖特性好的區域，在隧道上臺階開挖后、未施加初期支護的情況下，其水平變形和拱頂變形施加初期支護的情況下，其水平變形和拱頂變形量比較小。說明上臺階開挖施作的初期支護發揮的作用有限，因此部分地段短臺階法開挖可調整為長臺階開挖;

4)在監測過程中，若發現凈空位移量過大或收斂速度無穩定趨勢時，對結構應采取補強措施;

5)若發現凈空位移收斂速度具有穩定趨勢時，應據此求出隧道結構初期支護及二次襯砌上的最終荷載，以便對結構的安全度作出正確的判斷;

6)若經過對各種量測數據聯合反分析后，發現初期支護或二次襯砌結構安全系數較大，在經過設計人員同意后，可對下一段與此地質類型相近的支護參數作適當調整;

7)對圍巖類別的變更及對支護參數的調整均必須有相應的量測數據并得到設計方同意。

[1] JTJ 026-9，公路隧道設計規范[S].

[2] JTJ 042-9，公路隧道施工技術規范[S].

[3] 朱漢華，尚岳全.公路隧道設計與施工新法[M].北京:人民交通出版社，2002.