圍巖監控量測技術在隧道施工中的應用

摘要：本文以圍巖監控量測技術在橫山隧道施工中的應用為例，介紹了量測的實施過程、量測數據的分析、信息反饋及采取相應措施后的效果。

關鍵詞：隧道 監控量測 周邊收斂 拱頂沉降 回歸分析

0 引言

圍巖監控量測指的是在隧道施工時，實時監測支護系統及圍巖的穩定性能和變化情況，以進一步優化施工方案，并對支護參數進行合理的調整。在新奧法施工中，這個環節的工作非常關鍵。新奧法屬于一種全新的隧道施工理念，它主要通過開挖法、支護形式及輔助手段，盡量利用圍巖自身的承載能力來提高隧道施工的安全系數，同時使其更為經濟合理。而其安全性、經濟性和合理性，主要體現在能及時為下一環境的設計即施工提供有效的圍巖監控量測數據。所以，采用新奧法施工的重點在于準確、及時、快速地進行圍巖檢測即信息反饋。

通過新奧法施工的一個案例就是太中銀鐵路橫山隧道施工項目，該項目施工很好的運用了圍巖監測技術，并由此獲得的預期的技術經濟效益和社會效益。

1 工程概況

橫山隧道位于陜西省橫山縣境內，是全線范圍的重點控制工程。隧道起迄里程為DK333+265～DK344+713，全長11448m；隧道設計為雙線隧道。隧道最大埋深為283.68m。

隧道平面進口DK333+265至DK334+966.83段為半徑為3500m的右曲線上，從DK334+966.83至隧道出口DK344+713段為直線；隧道內縱坡為單坡道，自隧道進口至DK335+070為5‰的上坡，DK335+050至隧道出口為11‰的上坡。隧道圍巖情況總體情況較好，Ⅲ級圍巖分布總長度為9710m，占隧道總長的85%；Ⅳ級圍巖分布總長度為1513m，占隧道總長的13%；Ⅴ級圍巖分布總長度為225m，占隧道總長的2%。

2 施工監控量測

2.1 現場監控量測的目的

在施工過程中，加強圍巖的監控量測，及時準確反饋初支收斂情況，是調整施工支護參數，優化施工方案，確保施工安全的重要手段。在橫山隧道施工過程中，我們嚴格按照新奧法要求施工，通過量測數據收集、整理和分析達到以下幾個目的:

2.1.1 了解圍巖、支護變形情況，以便及時調整和修正支護參數，保證圍巖穩定和施工安全；

2.1.2 提供判斷圍巖和支護系統基本穩定的依據，確定二次襯砌施作時間；

2.1.3 依據量測信息采取相應措施，優化施工方案，在保證施工安全的前提下加快施工進度。

2.2 圍巖監控量測的基本情況

2.2.1 工具

ZW20型收斂儀，用于隧道斷面水平位移測量觀測。最小讀數0.1度的溫度計，用于測量隧道環境溫度，溫度變化對收斂儀測量影響很大。高精度水準儀，用于測量隧道拱頂下沉觀測。

2.2.2 測點埋設及要求

隧道凈空變化、拱頂下沉量測項目設置在同一斷面，量測斷面的間距及測點數量設定主要依據圍巖類別，一般量測斷面的布設要求見表1。

表1

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注：洞口及淺埋地段斷面間距取小值。

測點埋設應盡可能靠近掌子面，一般距工作面0.5m～2.0m。測點埋好后，應在下一循環爆破前量取第一次讀數。

2.3 現場監控量測要求

2.3.1 噴錨支護施作2h后即埋設測點，進行第一次量測數據采集。

2.3.2 測試前檢查儀表設備是否完好，如發現故障應及時修理或更換;確認測點是否松動或人為損壞，只有測點狀態良好時方可進行測試工作。

2.3.3 測試時，應根據監測流程提前裝設儀器儀表，一個監測點要測讀3次。如果3次數值差距不大，觀測結果則取其平均值；如果3次的數值差距較大，就要對量測儀器儀表進行檢查，確保其安裝無誤、測點不松動后再重新測量。認真記錄每一次量測的環境溫度、支護狀況和掘進里程等數據。現場粗略的對量測數據進行計算，如變位過大，則要盡快告知現場施工負責人進行處理，以免出現問題。

2.3.4 結束量測以后，對儀器、儀表進行檢查，并按要求對儀器進行保管和養護；認真整理監控量測資料等施工材料。

3 監控量測數據分析及應用

根據各點的累計位移及變形曲線，對量測資料進行非線性回歸分析。回歸分析是對量測數據進行處理后，繪制成典型曲線的一種方式。回歸分析實際是對一系列具有一定規律的量測數據進行處理和計算，并由此分析出兩個變量間的函數式關系。通過函數式繪制的曲線代表測試數據的散點分布，同時對變量的極限值進行推算。我們可通過指數函數來對拱頂下沉及周邊收斂的量測信息進行回歸分析。分析量測信息的過程中，必須綜合分析實際的觀測數據和相關情況，以隧道施工總體安排為依據施做二次襯砌，或加強圍巖支護。以下是參照橫山隧道周邊收斂與時間關系以及拱頂下沉與時間關系兩條曲線，選擇其中一個特殊斷面的周邊收斂即拱頂下沉開展回歸分析工作。圖1為DK343+190周邊收斂的回歸曲線(回歸分析的極限值8.0127mm，相關系數0.9956)，圖2為拱頂下沉曲線(回歸分析的極限值11.775mm，相關系數0.9984)。

4 對圍巖監控量測技術中問題的認識

在新奧法施工過程中，大部分施工單位都采用圍巖監測技術來分析圍巖的穩定性。采用圍巖監控量測技術進行隧道施工能避免塌方現象，增加支護的穩定性能，提高隧道施工的安全系數。開挖支護以后，操作人員可通過圍巖監控量測技術來判定支護的強度、圍巖的穩定性以及變形穩定的時間。

技術人員在對圍巖情況進行現場觀測后發現，Ⅱ-Ⅲ級圍巖在開挖后，其穩定性良好，穩定性持續時間較長，而且沒有發生較大的變形，現場施工過程中可適當減少對圍巖變形情況的監測次數，如果情況較好，可不進行監測。

Ⅳ-Ⅴ級圍巖地段圍堰性能不好，因此必須對其進行監控量測。這一地段的地質狀況不好，而且存在某些不可預見的因素，極有可能發生塌方等突發事件，在圍巖監控量測過程中，變形病害不可避免。在這種情況下，應堅持早襯砌的原則，確保施工安全，防止塌方發生，而不能機械地按照新奧法施工要求，在圍巖變形“明顯下降，收斂量達總收斂量80-90%，收斂速度<0.2mm/d”時施做二次襯砌。

因為圍巖比較軟弱，且地質構造不均勻，局部變形問題不可避免，因此，為全面掌握圍巖的變形情況，施工單位除了要采用圍巖監控量測儀開展施工活動，還應該利用水平儀等儀器對現場施工情況進行觀察。

隧道施工過程中，我們常常會思考應該采用哪種支護體系，在不違反施工規范的前提下保證其經濟實用。根據這一要求，采用新奧法開展隧道施工，可根據圍巖類型每隔2米一個斷面對拱頂下沉情況進行觀測，每10米進行1次三點收斂量測。但從技術角度來分析，我們并不能保證這樣的支護體系絕對安全，完成初期支護后，變形問題也是不可避免的：當現有支護體系無法對圍巖變形程度進行有力的控制，致使變形病害進一步蔓延，就要盡快采取補救措施。

5 結語

綜上所述，通過對橫山隧道進行實地圍巖監控量測，我們進一步掌握了圍巖監控量測技術的操作規程，同時也在隧道施工過程中積累了大量圍巖監控量測的實踐經驗。通過隧道監控量測，及時掌握圍巖的動態，預測圍巖的變形量，判斷圍巖的穩定，分析施工方案的正確性，是十分必要的，因此圍巖監控量測是隧道施工中是不可缺少的施工手段。另一方面，通過圍巖監控量測，進行信息反饋，可以及時修改施工設計，從而達到快速、優質、低耗、安全地施工。

參考文獻：

[1]李曉紅.隧道新奧法及其量測技術[M].北京.科學出版社，2001.

[2]易麗萍.現代隧道設計與施工[M].北京.中國鐵道出版社，1997.