隧道工程中監控量測技術及應用

劉軍 劉柏平

摘 要：在地形、地貌及地質條件復雜的鄂西地區修建鐵路、公路、水電等長大隧道工程將會遇到較多的巖溶、突水涌泥、塌方等不良地質災害。在建的湖北省宜昌至巴東（鄂渝界）公路位于湖北省的西端，地處長江中、上游結合部，區內存在數量眾多的高邊坡、特大橋及隧道進出口危崖、順層不穩定斜坡及軟質巖邊坡。受自然環境條件（降雨及地下水作用、風化作用等）以及工程活動（人工開挖卸荷、爆破等）的影響，導致原本處于穩定或半穩定狀態的圍巖發生變形甚至破壞，對隧道安全運營造成巨大威脅，因此對隧道工程中特殊位置進行監控量測勢在必行，它也是保證隧道工程設計合理性和保證施工質量安全的重要手段。該文介紹了隧道監控量測的監測流程、監測內容及相應的監測方法，將監控量測應用于宜巴高速公路馬家坡隧道和段家屋隧道，及時有效地控制了該隧道災害的發生，并針對隧道的情況及時預警，采取相應的治理措施，保證隧道施工順利進行。

關鍵詞：隧道工程 監控量測 底板隆起 施工建議

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0055-05

1 現場監測技術簡介

隧道施工過程中使用各種類型的儀表和工具，對圍巖和支護、襯砌的力學行為以及它們之間的力學關系進行量測和觀察，并對其穩定性進行評價，統稱為監控量測[1～3]?，F場監控量測目的[4-5]如下：掌握隧道施工不同工況下圍巖動態，并及時對圍巖穩定性做出評價，避免塌方等工程事故；通過對圍巖和支護的變位、應力測量，及時調整和修改支護系統設計，實現信息化施工；積累資料，為以后類似工程的設計、施工提供經驗。監測內容：⑴對巖土所受到的施工作用、各類荷載的大小以及在這些荷載作用下巖土反應性狀的監測。⑵對建設中或運營中的結構物的監測。⑶監測巖土工程在施工及運營過程中對周圍環境的影響。

監測流程如下：

1.1 隧道必測項目

（1）洞內外地質觀察。

洞內掌子面觀察（開挖及初期支護后進行）

巖性特征：巖石的顏色、成分、結構及構造；節理性質、組數、間距、發育程度和走向，斷面狀態特征及充填物的類型；斷層的性狀、破碎帶寬度及特征；地下水類型，涌水量大小、位置、涌水壓力及水的化學成分；掌子面穩定情況，頂板有無剝落現象。

1.2 洞內已開挖段觀察

錨桿的錨固效果、噴層的光潔度、噴層有無裂縫，裂縫的長度、寬度，噴層是否把鋼支撐全部覆蓋。

1.3 洞外地質觀察

重點在洞口段和洞身淺埋段，記錄地表開裂、地表變形、邊坡及仰坡穩定狀態、地表水滲漏情況等，同時還應對地面建筑物進行觀察。

（1）周邊位移。

隧道圍巖周邊各點趨向隧道中心的變形稱為收斂。所謂周邊位移量測主要是隧道內壁面兩點連線方向的距離的變形量的量測。收斂值為兩次兩側的距離之差。量測目的：判斷隧道空間的穩定性；據變位速度確定圍巖穩定性和支護時機。目前隧道施工中常用的收斂計為機械式的收斂計和數顯式收斂計。例：QJ-85型坑道周邊收斂計；JSS30A型數顯收斂計；SWJ-IV型隧道收斂計。

（2）拱頂沉降。

埋深較淺、固結程度低的地層，水平成層的情況，這項量測比收斂量測更為重要。量測目的：量測數據是確認圍巖的穩定性，判斷支護效果，指導施工工序，預防拱頂崩塌，保證施工質量和安全的最基本的資料。量測儀器：精密水準儀

（3）地表下沉。

淺埋隧道通常位于軟弱、破碎、自穩時間短的圍巖中，施工方法不妥極易發生塌方或者地表有害下沉，當地表有建筑物時會危及其安全。量測目的：地表下沉的范圍及下沉量的大??；地表下沉量隨工作面推進的變化規律；地表下沉穩定的時間。量測儀器：用高精度水準儀和塔尺進行量測。

2 工程地質概況

宜（昌）—巴（東）高速公路，東起宜昌市夷陵區，向西途經興山、秭歸、巴東三縣轄區，止于鄂渝交界的火燒庵，全長172.65km。雙向四車道，設計速度80km/h，路基寬度24.5m。宜昌至巴東（鄂渝界）高速公路作為《國家高速公路網規劃》（7918網）中18條東西橫線之一的“上海至成都”高速公路湖北省西段，同時也是湖北省骨架公路網規劃“六縱五橫一環”中“橫三”的西段。項目建成對于我國經濟建設實施由東向西、由南向北、由內陸經濟向外向型經濟發展戰略具有極其重要的作用，對湖北省骨架公路網的早日形成，盡快發揮網絡效應具有切實的促進作用。宜昌至巴東（鄂渝界）高速公路建成將使武漢至巴東為全程高速公路，從武漢市中心出發，經繞城、武荊、荊宜，5小時內可到巴東，節省5個多小時，這不僅對神農架的旅游發展起到促進作用，而且對下谷等較為邊遠的鄉鎮發展帶來不小的機遇。

在建的湖北省宜昌至巴東（鄂渝界）公路位于湖北省的西端，地處長江中、上游結合部。沿線地勢總體呈東南低，向西部漸高的趨勢，溝谷多呈U型寬谷或V型窄谷及峽谷。主要斷裂為北西向區域性斷裂，局部發育北北東和北東向斷層，發育有霧渡河斷裂帶、新華斷裂帶、高橋斷裂帶。區內數量眾多的高邊坡、滑坡、特大橋及隧道進出口危崖、順層不穩定斜坡及軟質巖邊坡，同時因自然環境條件（降雨及地下水作用、風化作用等）以及工程活動（人工開挖卸荷、爆破等）的影響，導致原本處于穩定或半穩定狀態的邊坡發生變形甚至破壞，造成了極大的生態環境破壞，給國家和人民的生命財產帶來了巨大的威脅。沿線設置多條長大隧道，在隧道施工和運營階段均存在一定的風險。其中，樊家泉隧道、臥佛山隧道、峽口隧道、七里峽隧道、界嶺隧道、雷家坡隧道、馬家坡隧道、段家屋隧道、天池嶺隧道和楚陽隧道多處存在斷層及破碎帶、巖溶等不良地質，施工期間存在較高巖溶突水涌泥、塌方等風險，對隧道運營造成巨大威脅。

由于三峽庫區高速公路的建設中巖層地質成因復雜，不良地質種類繁多，存在斷裂帶、斷層、滑坡、破碎帶以及溶洞等眾多不良地質現象，地質條件具有突變性，事故具有往往具有突發性，對三峽庫區高速公路的的施工及運營安全構成嚴重威脅。

3 工程應用

3.1 馬家坡隧道

3.1.1掌子面附近圍巖情況

隧道進口段：

隧道右線樁號YK141+323，隧道掌子面主要由中風化微晶灰巖夾泥灰巖組成，節理裂隙發育，巖層結合較差，掌子面及隧道有線狀滲水和股狀涌水，掌子面積水較多，應加強抽水工作。

隧道出口段：

隧道右線樁號YK141+720，掌子面圍巖破碎，圍巖自穩能力較差，易發生塌方，做好超前支護措施。

出口段YK141+880～YK141+980段底板隆起嚴重，已建議施工單位采取措施，防止事故發生。

施工單位對隆起段進行了取芯共取芯7組，巖芯情況如下：

對YK141+889，898，905……984，994等12個斷面的裂縫開裂情況與底板隆起進行了監測，選取YK141+889，YK141+937，YK141+970，YK141+994進行了開裂值與隆起值分析。分析結果如圖所示，裂縫寬度最大達到70mm，底板隆起最大達到253mm。

3.1.2施工建議

（1）隧道出口段掌子面圍巖破碎，自穩性差，應超前加固措施下開挖，并加強監測，防止事故發生。因隧道長時間未施工，掌子面后方拱頂出現開裂現象，加強支護措施，二襯及時跟進。

（2）隧道進口段揭露段圍巖較差，且有較多積水，應加強超前預報探測，尤其是對裂隙水的探測，防止突涌水事故發生。

（3）隧道出口段出現底板隆起事故，因隧道埋深較大，圍巖較差，鉆孔后巖芯可看出有一泥質夾層，應采取注漿加固措施，及時更換仰拱，保護二襯，防止事故發生。

（4）因隧道為瓦斯隧道，施工中要注意對瓦斯濃度的監測，施工過程中應保持通風順暢，并密切注意瓦斯檢測數據，避免瓦斯燃燒、爆炸等不良事故的發生。

3.2 段家屋隧道

3.2.1 掌子面附近圍巖情況

隧道出口段：

隧道左線開挖至ZK169+939，掌子面附近圍巖以中風化泥灰巖為主，巖體破碎，圍巖自穩能力差，拱部無支護可塌方，邊墻穩定性差。右線隧道右線開挖至YK170+047，圍巖與左洞基本相同，掌子面左側有積水。

3.2.2 施工建議

（1）段家屋隧道目前主要面臨施工中塌方和初支大變形的工程問題，開挖施工中須加強超前支護，控制開挖進尺、減小爆破震動。進口本月對二襯和仰拱進行施做和更換，與掌子面距離已基本滿足規范規定，可以進行掌子面施工。

（2）出口右洞掌子面樁號YK170+047，距掌子面最近監測斷面為YK170+060與YK170+080。

由圖可知，YK170+060拱頂下沉與水平收斂速率波動較大，基本在2mm/d，下沉與收斂值處在上升階段，從圖分析沒有明顯收斂趨勢，拱頂下沉與水平收斂均未達到最終穩定，需要繼續監測，防止塌方事故發生。

由圖可知，YK170+080拱頂下沉最終值為62mm，速率為0.1mm/d，而水平收斂值67mm，收斂速率為0.1mm/d，斷面沉降和收斂基本穩定，但沉降收斂值過大，應加強支護措施，防止塌方事故發生。

出口左洞掌子面樁號ZK169+939，距掌子面最近監測斷面為ZK169+940與ZK169+960，

ZK169+940斷面剛開始監測，斷面沉降和收斂均未穩定，應繼續觀測。

由圖可知，ZK169+960拱頂下沉與水平收斂速率波動較大，基本在2.5mm/d，下沉與收斂值處在上升階段，從圖分析沒有明顯收斂趨勢，拱頂下沉與水平收斂均未達到最終穩定，需要繼續監測，防止塌方事故發生。

（3）進口7月進行掌子面施工，應根據規范要求及時設立監測點，應嚴格按照規范布設監測斷面，觀測圍巖變化，防止塌方事故發生。

（4）鑒于段家屋隧道地質情況，建議在TSP預報基礎上增加地質雷達（GPR）探測，保證隧道施工安全。

4 結論

（1）該文介紹了隧道監控量測的監測流程、監測內容及相應的監測方法，對各類隧道工程建設都有一定的指導作用；

（2）將監控量測應用于宜巴高速馬家坡隧道和段家屋隧道，及時有效地控制了該隧道災害的發生，并針對隧道的情況及時預警，采取相應的治理措施，保證隧道施工順利進行。

參考文獻

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