談高速鐵路隧道監控量測方案設計

趙 君

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

1 工程概況

京滬高速鐵路作為我國高速鐵路網中“四縱”的重要組成部分，于2008年4月開工建設，線路總長度達1300余千米，設計時速350 km/h，是新中國成立以來一次建設里程最長、投資最大、標準最高的高速鐵路，京滬高速鐵路現已建成并于2011年6月正式開通運營。

本文研究之金牛山隧道位于山東省泰安市岱岳區六郎墳村與高新區小官莊村之間，隧道進口里程為DK465+335，出口里程為DK467+240，隧道全長1905 m，隧道內為單面坡，坡度3‰和12‰的上坡，隧道所處地形起伏較大，其中隧道最大埋深為35.37 m，隧道在里程為DK466+230～DK466+330區段下穿京福高速公路C匝道，此區段內埋深僅為9.8 m，屬于超淺埋隧道，在DK466+560～DK466+660段下穿京福高速公路正線，其中高速公路寬度為36 m，其中隧道與公路匝道和正線的交角分別為14.57°和36.7°，屬于斜交。隧道的工程地質情況為風化花崗片麻巖，局部夾雜角閃巖和部分石英，其中圍巖已經風化，尤其接近地表埋深較淺處節理裂隙較發育，巖石比較破碎并有地下裂隙水發育，屬Ⅳ級圍巖。

2 施工中的監控量測

隧道的設計、施工是動態的，設計從理論上為施工指導方向，同時施工又為設計提供動態的數據，而另一個不可或缺的因素就是伴隨施工一起進行的監控量測，這三者缺一不可。隧道施工的監控量測是現代隧道施工及環境控制的關鍵環節，是新奧法施工的精髓，有效的監測圍巖變形情況可以正確的反饋開挖洞室的穩定性。可以說監控量測是隧道施工的“眼睛”，正是有了這雙“火眼金睛”才能觀察到施工中隧道的細微變化，其對于施工安全的重要性毋庸置疑，因為圍巖的內部受力、深層次位移情況、變化速率及支護受力可以通過監控量測直觀、快捷的來顯示，可以通過研究監控數據來反映圍巖位移及支護受力合理性和可控性。通過監控數據的反饋和整理，可以得出支護結構的變形趨勢和穩定狀態，以及可以判定出現有支護的合理性，為后續施工和設計提供數據支持。

通過對京滬高鐵金牛山隧道工程進行施工監控量測，可以實現如下目的:1)通過對地表沉降的監測及數據分析，對既有公路路面沉降做出預測，從而分析隧道開挖對既有路面的影響程度，并將分析結果反饋到設計和施工中，及時調整開挖方法和支護措施實現動態設計及施工。2)準確的掌握隧道圍巖隨開挖的變形規律，并通過分析得出結論，用以調整施工方法和支護參數，并通過測定圍巖壓力和支護結構內力，了解支護結構的受力狀況和應力分布。3)通過對沿線隧道工程的監控量測可為本地區后續的類似隧道工程設計與施工積累科學資料和經驗。

為了確保金牛山隧道施工的順利進行，并較為準確地掌握施工過程中圍巖的穩定狀態和對環境的影響，以指導施工和設計，現場監控量測按照TB 10121-2007鐵路隧道監控量測技術規程的要求開展。監控量測必須科學管理，并由設計單位完成監控量測設計，然后交由施工單位編制實施細則，然后開展監控量測，并且一直伴隨工程竣工，最后將資料歸檔納入竣工文件中。隧道監控量測設計包括三方面的內容:首先要確定量測項目;第二要確定測點的布設原則、量測斷面以及量測頻率;第三是要設定量測的控制標準。

1)常規量測項目。

根據規范，隧道監控量測項目分為必測項目和選測項目。表1列出了隧道施工監控量測的必測項目。

表1 監控量測必測項目

而選測項目則是針對施工和設計中的特殊要求而開展的。表2列出了鐵路隧道施工的選測項目。

表2 監控量測選測項目

針對金牛山隧道的特殊情況，隧道監控量測的必測項目和選測項目都要同時開展，以更好的達到施工環境控制要求。

2)量測斷面及測點布置原則。

由于金牛山隧道下穿高速公路段為超淺埋，而對于淺埋隧道的規范要求要在隧道開挖之前進行布設觀測點，測點既包括地表沉降點也有隧道洞內的測點。根據規范測點應該滿足表3的要求。

表3 地表沉降測點縱向間距 m

淺埋隧道地表沉降測點橫向間距為2 m～5 m，并且隨著與隧道中線的接近應適當加密測點，地表橫向監測范圍應大于2(H0+B)，而且在地表有既有控制性建(構)筑物時，應適當加寬量測范圍，具體測點布置如圖1所示。

圖1 地表沉降測點布置示意圖（單位：m）

通常來講，洞內的變形監測點應布置在同一斷面上。斷面的布設應滿足表4的要求，隧道洞內凈空變化量測測線數，可參照表5及圖2～圖6布置。

表4 必測項目監控量測斷面間距 m

表5 凈空變化量測測線數

3)監控量測頻率。

根據規范隧道監控量測頻率應該按照表6，表7中的規定進行，并且原則上應該采用較高的頻率，在特殊地質地段還應該加大量測頻率，做到因地制宜，靈活安排和科學管理。

4)地表沉降監測結果與分析。

在隧道開挖過程中，對上方既有京福高速公路路面進行了地表沉降監控量測，在施工結束后地面沉降曲線如圖7～圖10所示。

圖2 拱頂下沉測試示意圖

圖3 全斷面開挖法洞內量測示意圖

圖4 臺階開挖法洞內量測示意圖

圖5 雙側壁導坑法開挖洞內量測示意圖

圖6 CD法開挖洞內量測示意圖

表6 按距開挖面距離確定的監控量測頻率

從監測結果可以看出，既有路面最大沉降為10.9 mm，最大沉降發生在公路土路肩位置，但處于行車道以外，總體來說不會影響行車安全。而布置在行車道位置的各測線測試數據均小于29.4 mm，說明金牛山隧道在開挖過程中對既有路面的影響在沉降控制范圍之內。

表7 按位移速度確定的監控量測頻率

圖7 A測線各測點地表沉降分布

圖8 B測線各測點地表沉降分布

圖9 C測線各測點地表沉降分布

圖10 D測線各測點地表沉降分布

3 爆破震動監控量測

由于金牛山隧道在下穿既有公路段屬于超淺埋，埋深僅為9.28 m，所以在隧道爆破開挖的過程中，必須始終進行爆破震動速度監測，并以監測到的爆破數據作為依據，進行分析對比，及時對爆破參數和開挖方式進行合理的調整，力求達到在具備最佳爆破效果的同時也能確保既有公路和隧道支護結構的安全。

整個爆破震動速度監測系統，由CD-1傳感器、DSV測振儀以及處理數據的計算機組成。震源地距離被監測點的振速影響至關重要，距離越近質點的振速越大，距離越遠質點的振動速度越小，因此在隧道下穿既有公路時應以隧道中線為軸，中線處的監測點最為密集，然后向兩側依次排開。

1)常用傳感器測振儀與原理。工程中常用的傳感器是磁電式傳感器，可運算測出振動速度、位移和加速度。這種傳感器具有靈敏度高、內阻低的優點，因此在實際工程中應用很廣泛。爆破震動速度監測系統的傳感器和測振儀種類繁多。

2)現場爆破監測。金牛山隧道振動測量系統采用IDTS 3850型雙通道爆破振動分析儀來記錄分析信號。監測地表的振動傳感器埋設在公路的固定點上，并用石膏將其固定。隨著隧道開挖的進行，爆心距也在發生著變化，而此時假定爆破的單段最大裝藥量保持不變。監測儀器如圖11，圖12所示，監測數據如表8所示。

圖11 爆破振速量測傳感器

圖12 爆破振速拾振儀

表8 金牛山隧道爆破震動監測數據

圖13～圖15為三個傳感器所測得結果。

圖13 ①號傳感器監測結果

圖14 ②號傳感器監測結果

圖15 ③號傳感器監測結果

通過對測試結果的分析并對照規范可以看出，在當前的爆破條件下是可以滿足要求的。