公路隧道拱頂下沉量測技術探討

劉 劍

(河北省交通規劃設計院試驗檢測室)

隧道是一種特殊的工程結構體系。隧道一經開挖，其中所包圍的原狀力學體系便被打破，四周原有的受力狀態已經改變。隨著開挖斷面增大或者深度的增長，這種改變也將不斷地延續。在支護敷設后的一段時間內，雖然受力狀態已發生改變，但是支護與圍巖體之間力的作用還沒有達到最終平衡。隨著時間的推移，根據得到的信息對支護再作若干變動，這種受力狀態的改變才逐漸停止，支護與圍巖體間力的作用體系逐漸達到最終平衡。

隧道拱頂內壁的絕對下沉量稱為拱頂下沉值，單位時間內拱頂下沉值稱為拱頂下沉速度。拱頂下沉量測屬于位移量測，對于埋深較淺、固結程度低的地層，水平成層的場合，這項量測尤為重要，其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，預防工地崩塌，保證施工質量和安全最基本的資料。

1 量測方法

1.1 精密水準法

精密水準法多采用精密水準儀和銦鋼掛尺，在拱頂掛立標尺進行測讀。圖1 為精密水準法拱頂下沉觀測示意圖。

圖1 精密水準法拱頂下沉觀測示意圖

當拱頂過高時，立標尺就要采用架子，測試工作不安全，也很不方便，還干擾施工。為此，可先在拱頂埋設掛鉤，再用魚竿將鋼尺掛在拱頂的掛鉤上。計算方法是通過前后兩次拱頂測點的高差來求拱頂的變位值。假定第1 次拱頂高程為h1，第2 次拱頂高程為h2，拱頂位移值△h= h1－h2，若△h ＞0，則拱頂下沉，若△h ＜0，則拱頂上移。

1.2 全站儀法

當采用拱部留核心土環形開挖時，測量空間較小，用精密水準法比較困難。這時可以采用由全站儀與反射膜片來監測隧道拱頂下沉。為了保證測量精度，要求全站儀的測角精度在2″以內，測距精度為±2 mm 以內。圖2 為全站儀法拱頂下沉觀測示意圖。

圖2 全站儀法拱頂下沉觀測示意圖

2 量測要求

2.1 監測斷面的設置

監測斷面必須盡量靠近開挖工作面，但太近會造成開挖爆破下的碎石砸壞測樁，太遠又會漏掉該量測斷面開挖后的變位值，因此，測點應距開挖面2 m 的范圍內盡快安設，并保證爆破后24 h 內或下一次爆破前測讀初次讀數?！豆匪淼朗┕ぜ夹g規范》對監控斷面設置的規定比較寬泛，由于公路隧道的斷面普遍比鐵路隧道要大，因此，在公路隧道施工監控的斷面設置時，常參考《鐵路隧道監控量測技術規程》中對監控斷面間距的設置要求，即:Ⅴ～Ⅵ級圍巖斷面間距為5～10 m，Ⅳ級圍巖斷面間距為10～30 m，Ⅲ級圍巖斷面間距為30～50 m，Ⅱ級圍巖視具體情況確定間距。

2.2 檢測頻率

拱頂下沉的監測頻率按表1 和表2 確定，取兩者之間的大值，施工狀況發生變化時(開挖下臺階、仰拱或撤除臨時支護等)，應增加監測頻率。

表1 拱頂下沉的量測頻率(按位移速度)

表2 拱頂下沉的量測頻率(按距開挖面距離)

3 數據處理

由于現場量測所得的原始數據，不可避免地具有一定的離散性，其中包含著測量誤差甚至測量錯誤。不經過整理和數學處理的量測數據難以直接利用。

以時間為橫坐標、位移為縱坐標，標出由量測值確定的各對應的實測點，根據實測點描繪出光滑的試驗曲線。根據所描繪的試驗曲線形狀選擇回歸函數。一般來說，位移時態曲線都是非線性的。在位移隨時間漸趨穩定的情況下，可選擇常用的對數函數、指數函數或雙曲線函數。函數中的待定系數可以按量測數據，通過最小二乘法求得。設有一組實測數據:t1、t2、t3…、ti…、tn，u1、u2、u3…、ui…、un。選擇雙曲線函數公式為u=t/(A +Bt)作為回歸函數，求A、B 值。由于上述函數是非線性的，通常都需先將其線性化。如將式改寫1/u=A/t+B，令y=1/u，x =1/t，則得:y =Ax +B，則各試驗點與它的偏差為di=Axi+B－yi=A/ti+B－1/ui;根據最小二乘法原理，A、B 應滿足下面條件。

4 結 語

拱頂下沉量測屬于隧道現場監控量測的必測項目，其量測數據對于指導施工、保證施工安全具有很重要的意義，因此，要求我們量測人員必須本著嚴謹的精神進行量測，同時，在工作中要不斷的總結，更好的完善這項技術。

［1］公路隧道施工技術規程(JTG F60－2009)［S］.

［2］鐵路隧道監控量測技術規程(TB 10121－2007/J 721－2007)［S］.

［3］李曉紅.隧道新奧法及其量測技術［M］.科學出版社.