隧道圍巖監控量測技術

靳彥斌

（山西省中陽縣交通局，山西 呂梁 033400）

1 隧道施工監控量測的目的和意義

采用復合式襯砌的隧道，必須將現場監控量測項目列入施工組織設計，并在施工中認真實施。現場監控量測是新奧法隧道施工的重要組成部分，也是監視圍巖穩定、判斷支護、襯砌結構設計是否合理，施工方法是否正確的一種手段；也是保證新奧法安全施工、提高經濟效益的重要條件；還為施工中可能有的工程變更提供了科學依據。

通過監控量測得數據分析：

（1）通過施工和環境監測進行信息反饋及預測預報，優化施工組織設計，指導現場施工，確保隧道施工的安全與質量和工程項目的社會、經濟、環境效益。

（2）掌握圍巖動態，了解支護結構在不同工況時的受力狀態和應力分布，對圍巖穩定性作出評價。

（3）驗證支護結構型式、支護參數的合理性，評價支護結構、施工方法的合理性與其安全性，確定合理的支護時間。

（4）為修改優化設計提拱數據，調整施工方法提供依據。

（5）為節省工程投資，提高隧道的設計和施工水平提供科學依據和技術保證。

2 量測的項目、方法及工具

2.1 隧道施工監控量測的主要內容

2.1.1 必測項目

是為了在設計施工中確保圍巖穩定、判斷支護結構工作狀態、指導設計施工的經常性量測，包括圍巖地質和支護描述、地表沉降觀測、拱頂下沉量測、周邊收斂量測。其量測方法簡單、量測密度大、量測信息直觀可靠，貫穿于整個施工過程中，對監視圍巖穩定、指導設計和施工有巨大的作用，土建施工完成量測工作亦告結束。其布置根據每座隧道不同的地質條件、施工方法而變化，但不能少于《公路隧道施工規范》（JTJ042—94）的規定。

2.1.2 選擇項目

包括圍巖內部位移量測、錨桿軸力量測、圍巖與噴射混凝土間接觸壓力量測、噴射混凝土與二次襯砌間接觸壓力量測、噴射混凝土內應力量測、二次襯砌內應力量測、鋼支撐內力量測、襯砌裂縫及表面應力量測。這類量測是必測項目的拓展和補充，對代表性的地段進行量測，以便更深入地掌握圍巖穩定狀態與支護效果，對未開挖地段提供參考信息、指導未來設計和施工。

表1 隧道現場監控量測項目及量測方法

選擇項目安裝埋設比較麻煩，量測項目較多、時間長、費用較大，但工程竣工后還可以進行長期觀測。根據本工程的具體情況，采用較少的量測項目、較大量量測斷面的原則，全面了解支護效果，正確指導設計施工。施工單位按施工圖要求自主量測，監控量測項目部選擇主要項目平行量測。

2.1.3 檢測項目

包括錨桿拉拔試驗、開挖內輪廓形狀、初期和二次襯砌背后空洞檢查。該類項目列為質量檢查內容。

2.2 工程實施

2.2.1 量測項目

除按正常量測項目外，專門增加一項用全站儀作“非接觸量測”來測定三維位移向量，以預報前方圍巖情況。隧道各項觀測監控量測的實施方法詳見表1。收斂儀使用JSS30-10/15A型數顯式收斂儀和鐵科院西南分院研制的監控量測分析軟件。

2.2.2 監控量測施工流程

見圖1。

圖1 監控量測施工流程圖

2.2.3 量測方法及斷面測點布置

（1）拱頂下沉量測和水平收斂量測。一般使用水準儀、電子水平尺、收斂計等按照設計要求布置、量測。

（2）圍巖內部位移量測。圍巖內部位移測孔一般是沿隧道圍巖周邊，例如分別在拱頂、拱腰和邊墻共設5個（連拱隧道單洞為4個）測孔，孔深3.7～5 m，孔徑為Ф50 mm。多點位移計分電測式位移計和機械式位移計，一般采用5點桿式多點位移量測，一個斷面共25個測點（連拱隧道單洞為20個）。

（3）錨桿軸力量測。錨桿軸力量測沿隧道周邊，例如在拱頂、拱腰和邊墻設5個（連拱隧道單洞為4個）測孔，孔深3.7～5 m，孔徑為50 mm。一個測孔內設4個傳感器，每個斷面20個（連拱隧道單洞為16個）測點。隧道錨桿軸向力量測方法有電測法和機械法，它們都是通過量測錨桿，先測出隧道圍巖內不同深度的應變（或變形），然后通過有關計算轉求應力的量測方法。考慮量測方便，一般多采用電測法的鋼筋計量測。

（4）噴射混凝土應力量測。經常采用量測噴層切向應力的方法，主要有應力（應變）計量測法和應變磚量測法。應力（應變）計量測法是通過鋼弦頻率測定儀測出應力計受力后的振動頻率，然后從事先標定出的頻率-應力曲線上求出作用在噴層上的應力。

噴層應力計的埋設方法為：圍巖初噴以后，在初噴面上將應力計固定，再復噴，將應力計全部覆蓋并使應力計居于噴層的中央，方向為切向。待噴射混凝土達到初凝時開始測取讀數。量測斷面上應力計的布設位置為：沿隧道的拱頂、拱腰和邊墻在噴射混凝土內共埋設5個（單洞）。

（5）二次襯砌應力量測。二次襯砌應力量測與噴射混凝土應力量測相同，應力傳感器埋設在二次襯砌混凝土內，單洞一個斷面5個測點。量測斷面的測點布置位置及每斷面應力計數量與噴射混凝土應力量測相同。

（6）圍巖與噴射混凝土及噴射混凝土與二次襯砌間接觸壓力量測。圍巖壓力及接觸壓力量測常采用雙膜鋼弦式壓力盒，其量測原理是將應力、應變、荷載以及其他參數測量的參數轉變為頻率進行量測，故具有抗干擾能力強、堅固耐用的優點，適合長距離傳送。圍巖與噴射混凝土之間的壓力盒是在噴混凝土施工以前埋設，噴射混凝土與二次襯砌之間的壓力盒是在掛防水板之前進行安裝，分別測取圍巖對噴射混凝土壓力，噴射混凝土對二次襯砌的壓力，埋設方向均為法向。混凝土達到初凝強度以后開始測取讀數，量測斷面宜與周邊位移量測在同一斷面上。

（7）鋼架應力量測。型鋼鋼架、格柵鋼架應力量測僅限于Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段，采用鋼筋計量測，把鋼筋計焊接在鋼架上，量測鋼架內力，鋼架安裝完以后即可測取讀數。量測斷面的測點布置位置與噴射混凝土應力測點布置位置相同，單洞每個斷面5個測點。

（8）襯砌裂縫及表面應力量測。采用手持應變儀量測襯砌表面應力和襯砌裂縫，重點是連拱隧道中隔墻的表面應力，根據需要檢測。

2.2.4 測試要點

（1）洞內外地質和支護狀況觀察。洞內主要觀察工作面狀態、圍巖變形、風化變質情況、節理裂隙、斷層分布和形態、地下水情況以及初期支護效果。觀察后及時繪制地質素描圖，填寫工作面狀態記錄表和圍巖類別判定卡。對已施工區段噴砼、錨桿、鋼架的狀況每天至少觀察1次；洞外觀察包括對洞口地表情況、地表沉陷、邊坡及仰坡的穩定以及地表水滲透等的觀察。

（2）地表下沉。隧道洞頂地表沉降在隧道尚未開挖前就開始進行，借以獲得開挖過程中全位移曲線。地表沉降監測可采用普通水平儀，配合水平尺進行，測點和拱頂下沉量測布置在同一斷面上。

（2）采購階段。該階段包含智慧物流園區設備采購、信息化服務采購以及安裝施工等工作安排。在采購環節囊括了絕大部分分包招標、合同簽署、分包合同執行等事務工作，智慧物流園區涉及的采購資材和服務，包括數據庫、系統軟件、人工智能化設備、人機交互系統、可視化系統、云服務等，要求相比普通的物流園區技術含量更高，要求更為復雜。

（3）周邊位移、拱頂下沉量測。周邊位移選用JSS30-10/15A型數顯式收斂儀及專用測點量測，拱頂下沉量測采用精密水準儀配合水準尺、鋼尺進行，兩者在同一量測斷面內進行。

量測斷面布置間距及量測頻率一般情況按設計要求辦理，洞口段、斷層破碎帶或圍巖發生變化處，加密布置。測點在避免爆破破壞的前提下盡可能靠近工作面布置，一般為0.5～2 m，并在下次爆破循環前獲得初始數據。

2.3 量測數的處理和應用

2.3.1 數據整理

施工時，將各項量測情況填入記錄中，及時繪制位移—時間曲線和相關圖表，并注明當前施工工序及開挖面離量測斷面的距離。

當位移—時間曲線趨于平緩時，進行數據處理和回歸分析，推算最終位移和變化規律；當位移—時間曲線出現反常的急驟變化時，表明此時的圍巖、支護系統已處于不穩定狀態，必須立即停止開挖、對危險地段加強支護，確保已開挖段的安全。

將原始觀測記錄進行整理，計算出一測點在不同時間，測點距掌子面不同距離時的位移值U，以此計算出位移速度間長（L）散點圖、位移速度時間t+（L）散點圖，由于量測的偶然誤差所造成的離散性，繪制的散點圖總是上下波動和不規則的，因此必須進行數字處理才能獲得合理典型數據，并以相應數字公式進行描述，其中回歸分析是處理測讀數據最終繪制典型圖線的一種較好方法。

2.3.2 位移值U判斷穩定性

當圍巖和支護位移值若超過某一臨界值即認為圍巖不穩定應加強支護。

（1）以各類圍巖允許相對位移值，見表2。相對位移值系指實測位移與兩測點間距離之比，或拱頂位移實測值與隧道寬度之比。脆性圍巖取表中較小值，塑性圍巖取表中較大值。

表2 隧道周邊允許相對位移值 /%

表3 變形管理等級

2.3.3 位移速率判斷穩定性

（1）當周邊收斂速度大于1 mm/d時，圍巖處于急劇變形階段，需加強觀測，若位移速率長期不下降則加強支護。

（2）當周邊收斂速度0.2～1 mm/d時，圍巖處于緩慢變形階段并趨于穩定。

（3）當周邊收斂速度小于0.2 mm/d或拱頂下沉小于0.07～0.15 mm/d時，圍巖達到基本穩定，可進行二次襯砌。

位移加速度是通過U（位移）-t（時間）曲線的形態來判斷圍巖的穩定性。

2.3.5 量測的管理

（1）項目經理部成立隧道監控量測領導小組，建立以項目總工任組長，工程技術部部長為副組長，量測監控中心專職負責，隊技術組參加的管理體系；并于工程技術部中專門設立了量測監控中心，以加強隧道監控量測工作管理力度。量測監控中心負責日常量測、數據處理、儀器保養維修工作及數據的信息反饋，量測監控中心負責人專職檢查落實，隊技術組設專職量測小組，每小組人員6～8人，負責測點埋設，配合項目部進行日常量測工作。

（2）量測小組負責測點埋設、日常量測、數據處理和儀器保養維修工作，做到“三勤、一及時”，即量測勤、數據勤、分析勤，并及時將量測信息反饋于施工和設計，指導施工。

（3）施工前據圍巖條件、支護類型參數、施工方法及所確定的量測目的專門制定詳細的監控量測計劃，與實施性施工組織設計同時提交給監理工程師。計劃中包含量測內容、方法、使用儀器、測點布置、量測頻率、數據處理、量測人員及其負責人，并經監理工程師批準后執行。

（4）施工時要及時埋設測點，下沉測點及收斂測點盡量布置在同一斷面上。各預埋測點要牢固可靠，設置專用標識牌，標明測點的名稱、部位、編號、埋設日期等，易于識別并妥善保護，并教育所有進洞人員不得隨意撤換和破壞。

（5）爆破開挖后立即進行工程地質和水文地質狀況的觀察記錄，并進行地質描述。地質變化處和重要地段，有照片記錄。初期支護完成后進行噴層表面的觀察和記錄，并進行裂縫描述。

（6）整理量測資料做到認真、及時、完整、準確；服從監理工程師的指令，無條件認真配合其工作，定期向監理工程師。