大西客運專線大斷面黃土隧道監控量測非接觸量測技術應用

張海剛

(中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037)

在隧道現代信息化建設中，監控量測的作用尤為突出，它直接影響到隧道的結構形式、支護參數、施工方法、工期、造價等。然而，傳統的圍巖變形量測方法，在鐵路客運專線大斷面隧道施工中，由于測量時間長，抗施工干擾能力差，測量結果誤差大等因素，已不能滿足隧道快速、安全施工的需要，測量精度也得不到保證。

為了解決傳統量測方法存在的問題，確保監控量測工作正常、有效開展，馬家莊隧道采用非接觸量測方法，既滿足了施工需要，測量精度也能滿足施工要求，為隧道施工安全、質量、進度提供了準確有力的技術保證。

1 工程概況

大西鐵路客運專線馬家莊隧道全長9 359 m(含明洞29 m)，其中黃土Ⅳ級圍巖8 300 m，黃土Ⅴ級圍巖1 059 m;隧道設計開挖最大寬度為15.20 m，最大高度為12.98 m，最大開挖面積為161.64 m2，初期支護采用系統錨桿、鋼筋網、型鋼鋼架和噴射混凝土聯合支護體系，二襯采用復合式襯砌;隧道最大埋深79 m，最小埋深17 m。隧道洞身全部位于濕陷性黃土地層中，施工方法多為三臺階七步開挖法。

2 傳統圍巖變形量測方法及其存在的問題

傳統的隧道圍巖變形量測方法，多采用收斂儀量測圍巖的水平變形，用水準儀量測拱頂下沉。在量測水平收斂值時，將收斂儀兩端的掛鉤掛在預先埋設在邊墻兩側的掛鉤上，加載一定的拉力后進行讀數，兩期觀測值的差值就是該段時期內圍巖的收斂量。在量測拱頂下沉值時，預先在拱頂埋設量測樁，并用水準儀測量該量測樁的高程，兩期高程值之差就是該期拱頂下沉值。

傳統量測方法的優點是儀器價格便宜，操作簡單，在施工干擾小的情況下操作比較方便，比較適用于小斷面隧道或者斜井。

其缺點是不適合大斷面隧道使用，當隧道跨度比較大時，操作比較困難，而且誤差比較大，測量結果容易受到人為因素的影響;水平收斂和拱頂下沉要分別量測，花費的時間多;容易和其他施工工序發生沖突，抗施工干擾的能力差;當有機械設備或其他障礙物停放在測線上時量測工作就無法進行，易影響施工進度;需要裝載機、梯子等輔助工具進行高空作業，或需要量測人員到達危險區作業，不利于量測人員的安全;量測的靈活性差，效率低下。

3 監控量測非接觸量測技術應用

3.1 監控量測項目

結合馬家莊隧道地質條件和開挖方法等，擬訂監控量測必測項目為洞內和洞外觀察、淺埋地段地表下沉、拱頂下沉、水平收斂等項目;選測項目為隧底隆起和縱向位移等項目。

3.2 監控量測頻率

(1)洞內觀察分為開挖工作面觀察和初期支護觀察2部分。開挖工作面觀察在每次開挖后進行，并及時繪制開挖工作面地質素描圖、填寫開挖工作面地質狀態記錄表。對初期支護的觀察每天至少應進行1次，主要觀察噴射混凝土是否發生裂隙和剝離現象，鋼架是否受壓變形等。洞外觀察每天至少進行1次，主要觀察地表開裂、地表沉陷、邊仰坡穩定狀態、地表水滲透情況等。

(2)地表下沉、凈空水平收斂和拱頂下沉量測采用相同的量測頻率，量測頻率見表1。

表1 量測頻率表

3.3 非接觸量測方法

非接觸量測是將反射膜片貼在隧道測點處的預埋件上作為測點靶標，采用全站儀自由設站的方法(不需設站，只需整平)，直接測存各測點的空間三維坐標(x(t)，y(t)，z(t))，將各次量測原始數據導入計算機，并通過圍巖收斂分析軟件對量測數據進行自動分析處理，輸出圍巖位移成果，如測線的位移趨勢圖及回歸分析圖、各測點在不同時間段的位移值等，并自動對成果進行分析，判斷圍巖的穩定性，為支護提供參數。

與傳統接觸式量測方法相比，該方法操作簡單，測量數據精度高，同時具有快速、省力、數據處理自動化程度高等特點。

3.4 量測要求

(1)全站儀(標稱精度不得低于2″、2 mm+2 ppm)必須經過鑒定合格后方能使用，并且應定期或不定期對全站儀進行檢校。

(2)量測規范要求:測距取位至0.1 mm，角度0.1″，空間位置(X、Y、H)0.1 mm。

(3)觀測前儀器開箱適應洞內溫度20～30 min，并且要修正溫度和氣象參數。

(4)測站位置應盡量靠近隧道中線，并使測站離最近監控斷面的距離大于15 m，以確保監控量測的精度。

(5)每站測量，應對各斷面的監測點進行兩測回觀測(盤左、盤右為1個測回)，并將測量成果直接存儲于全站儀的內存中，便于后續處理。

(6)若遇外界干擾，則應暫停測量，確保儀器穩定后再測量。

(7)為避免誤差對監控量測成果的影響，應固定儀器和監控人員。

3.5 測點布置

監控量測斷面間距嚴格按照監控量測技術規程和鐵道部(2010)120號文件要求，Ⅳ級圍巖不得大于10 m，Ⅴ級圍巖不得大于5 m。三臺階開挖法每個斷面布設7個量測點，即1個拱頂下沉點和6個水平收斂點，測點與測線布置見圖1。

圖1 三臺階開挖法測點與測線布置

3.6 量測點埋設要求

(1)拱頂下沉測點和凈空變化測點必須布置在同一斷面上，測點應盡量對稱布設，即“同面等高”。

(2)測點采用Leica4×4 cm反射膜片，粘貼在埋設于圍巖中的鋼板(圖2)上，鋼板粘貼反射膜片的一面要經過防銹處理，并清理干凈，反射膜片可以用強力膠粘附于鋼板上。

(3)監控量測布點應在噴設混凝土前預埋，并保證測點鋼筋伸入圍巖40 cm，嚴禁將測點焊在鋼架上。

(4)量測點預埋鋼筋應采用φ20 mm以上的鋼筋。拱頂下沉、水平收斂量測點初始值要在開挖并施作拱部初期支護后3～6 h內完成，其他量測項目應在開挖后12 h內取得初讀數，最遲不得超過24 h，且在下一循環開挖前必須完成。

(5)量測點要用紅色油漆做統一標識并且懸掛標識牌(圖3)，上面要標明斷面里程、埋設日期以及責任人。

(6)測點應牢固可靠、易于識別，并采取有效措施進行保護。監控量測樁上嚴禁懸掛電線、管線等雜物。如果測點被破壞，應在被破壞測點附近補埋，及時獲得初始值繼續觀測。

圖2 測點預埋件正面(單位:cm)

圖3 量測點及標識牌

3.7 數據處理與分析

拱頂下沉和水平收斂隨時間變化分析:以DK713+860斷面為例，開挖方法為三臺階七步開挖法，該斷面的圍巖級別為IV級，主要為第四系中更新統風積黏質黃土，棕黃色，土質不均，局部含零星小礫石，巖體受構造影響較微，節理發育，巖體較破碎。開始觀測日期為2011年8月25日，截止于2011年9月10日，拱頂下沉總沉降量為63.6 mm，水平收斂總位移量分別為:上臺階28.43 mm，中臺階23.86 mm，下臺階14.73 mm，位移隨時間變化曲線見圖4。

圖4 位移隨時間變化曲線

從圖4中可以看出，隧道圍巖變化曲線總體經歷了快速增長—緩慢增長—趨于穩定的過程?？焖僭鲩L期一般在開挖后10 d左右，在仰拱施工封閉成環后，處于緩慢變化，14 d以后趨于穩定，可進行二襯施工。在隧道開挖過程中，隨著開挖步驟的進行，隧道圍巖拱頂下沉量不斷增加，在整個施工過程中，拱頂沉降量最大，并且下臺階開挖及仰拱開挖對拱頂沉降影響最大。當仰拱開挖后，邊墻混凝土有個別地段出現拉裂的情況，這需要在施工管理過程中嚴格控制開挖速度與安全距離，加快封閉速度。

5 結論

通過馬家莊隧道監控量測方案的實施，已初步掌握了一些變形規律和成果，真正地起到指導施工的作用。

(1)三維非接觸式圍巖量測技術在馬家莊隧道圍巖變形觀測中，顯示出方便、準確、靈活、快速、適應性強的特點，比傳統的接觸式圍巖量測技術具有優勢，尤其在大跨度隧道中，優勢更加明顯。

(2)采用三臺階七步開挖法施工時，圍巖與支護變形有以下規律:開挖中臺階時，D點和C—E基線位移會發生突變，中臺階墻部初期支護施作完成后，變形趨于平緩;開挖下臺階時，D點和B—F基線位移會發生突變，下臺階墻部初期支護施作完成后，變形趨于平緩;開挖隧底時，D點和A—G基線位移會發生突變，仰拱初期支護施作完成，支護全環閉合后，變形趨于穩定。

(3)三臺階七步開挖法施工應做好工序銜接，工序安排應緊湊，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩。各分部平行開挖，平行施作初期支護，及時封閉成環。

(4)監控量測工作必須緊跟開挖、支護作業進行布點和監測，量測數據及時分析反饋，必要時應根據分析結果調整支護參數和預留變形量，保證施工安全。

(5)當圍巖變形較大或突變時，應停止掌子面掘進，加強支護，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調整閉合時間，盡量縮短臺階長度，確保初期支護盡快閉合成環，仰拱和二襯及時跟進，盡早形成穩定的支護體系。同時，加大監控量測頻率，加強地表巡查和地表觀測。

[1]鐵建設[2010]241號 高速鐵路隧道工程施工技術指南[S].北京:中國鐵道出版社，2010.

[2]TB10121—2007 鐵路隧道監控量測技術規程[S].北京:中國鐵道出版社，2007.

[3]經規標準[2007]119號 鐵路大斷面隧道三臺階七步開挖法施工作業指南(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2007.

[4]劉旭全.沉降觀測技術在客運專線大斷面黃土隧道中的應用[J].鐵道標準設計，2009(S1):109-111.

[5]劉旭全，等.監控量測技術在客運專線大斷面黃土隧道中的應用[J].鐵道標準設計，2007(S1):117-119.

[6]譙生有.全站儀在軟弱圍巖初期支護變形量測中的應用[J].現代隧道技術，2004(Z3):272-275.