隧道施工中監控量測技術的應用研究

藍志杰，張成良

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

隧道施工中監控量測技術的應用研究

藍志杰，張成良

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

在隧道施工中進行監控量測，通過對監控數據的分析可對隧道整體安全狀態進行評估，對隧道施工組織和安排起到非常重要的作用，能有效避免安全事故的發生。文中通過對宣威至功南高速公路胡家地隧道圍巖進行動態檢測，及時了解初期支護和二次襯砌的受力情況，對支護體系的穩定性進行了綜合評估。

隧道；監控量測；圍巖；支護體系

高速公路隧道施工過程中首要考慮的因素是施工過程中的安全性和穩定性。監控量測作為新奧法施工的關鍵要素，是保證隧道現場施工安全和信息化設計的基礎，能及時掌握隧道圍巖動態和支護結構的使用情況，對施工進度、工程質量及經濟投入都有非常重要的影響。該文結合宣威至功南高速公路胡家地隧道，探討監控量測技術在隧道工程施工中的應用。

1　工程概況

1.1地質狀況

胡家地隧道進口開挖掌子面圍巖為淺黃色砂巖夾泥巖，強～中風化，巖質較軟，節理裂隙發育，巖體破碎，呈碎石狀，遇水易軟化，掌子面潮濕，圍巖完整性差，自穩能力差。所處地段為瓦房村斷層與宣威斷層夾持帶，與兩斷層近同向的居舍河背斜構造的近西傾伏端，臨近于儲水段南東的局部補給、徑流段。整個隧道巖體破碎～極破碎，巖性復雜，對隧道施工不利。地質狀況見圖1。隧道整體溶潛水富水性較強，地下水補給以大氣降水為主，雨季時受地表水補給充分而使地下水賦存相對較豐富。

圖1　胡家地隧道所在地的地質狀況

1.2支護狀況

該隧道埋深小，地表覆蓋層較薄，巖體破碎，風化程度高，巖體完整性差，自穩能力弱，地表應做好防排水處理并保證雨季來臨前洞外的支護及防水措施到位，確保隧道的安全。隧道地表多處被開挖、擾動，破壞了隧道地表邊坡的原始形態和穩定性，在隧道開挖過程中應嚴格控制開挖進尺，減少超挖、控制欠挖，以利于巖體的穩定。進口處拱頂下沉位移過大，初期支護鋼支撐環向裂縫貫通，砼局部掉塊，裂縫有擴展趨勢。支護狀況見圖2。

圖2　胡家地隧道支護狀況

2　施工監控量測方案

周邊收斂、拱頂下沉和地表沉降是隧道圍巖應力狀態變化的最直觀反映，通過監測獲得的可靠信息有助于判斷隧道空間的穩定性，確保隧道施工安全。主要監測儀器設備和監控量測頻率見表1、表2。

2.1地質及支護狀態觀察

使用數碼相機、羅盤、放大鏡、鋼卷尺等設備對開挖后掌子面及支護和襯砌的外觀進行觀察和記錄，并用錘擊法進行圍巖彈性波測試。

表1　胡家地隧道主要監測儀器和設備

2.2拱頂下沉與周邊收斂量測

2.2.1測點埋設

拱頂下沉與周邊收斂測點布置在同一斷面，分別布置在拱頂及兩側，埋設位置見圖3。在避免爆破作業破壞測點的前提下，各測點盡可能靠近工作面埋設，距離一般為0.5～2.0m，并在下一次爆破循環前獲得初始讀數。初讀數在開挖后12h內讀取，最遲不超過24h，且在下一循環開挖前完成初期變形值讀取。

表2　胡家地隧道監控量測頻率

圖3　胡家地隧道周邊收斂與拱頂下沉測點布置

采用收斂計方法測量拱頂下沉時，凈空收斂與拱頂下沉一般布設在同一個斷面。用水平邊BC值的變化實現對凈空水平收斂的量測，用h值的變化實現對拱頂下沉的量測。如圖4所示，令BC=L、AB=m、AC=n、BD=Xa、CD=Xb、AD=h，由勾股定理可得：

解式（1）得：

2.2.2拱頂下沉、凈空收斂數據處理

回歸分析時，一般采用3種函數，通過對比，推算最終位移時采用3種函數中回歸精度（擬合程度）較高的函數，不同測點的回歸函數可能不同。最后繪制拱頂下沉及周邊收斂的位移與時間（U-t）曲線和位移速率與時間（v-t）曲線。

圖4　凈空收斂與拱頂下沉的計算示意圖

2.3淺埋段地表下沉量測

如圖5所示，以隧道開挖輪廓的兩拱角為基點，以45°向地表延伸，該區域內為隧道施工影響區域，也是地表下沉觀測的范圍。地表沉降測點主要根據隧道施工進度及隧道所處山體情況和環境變化布置，從隧道開工到結束，根據實際情況及施工需要在隧道進口淺埋段布置監測點。每個橫斷面上布置7個以上測點，分別布置在隧道軸線及軸線兩側，隧道中線附近測點較密，遠離隧道中線處測點較稀。

圖5　胡家地隧道地表沉降測點布置示意圖

2.4錨桿拉拔試驗

錨桿拉拔力是錨桿材料、加工和施工安裝質量的綜合反映，根據錨桿拉拔試驗直接讀取。現場進行錨桿拉拔試驗，按照300根至少抽取1組（3根）的要求，用錨桿拉拔儀測試所抽取錨桿的拉拔力。設計拉拔力為70kN，要求28d拉拔力平均值≥設計值，最小拉拔力≥0.9設計值。按照上述標準，所監測的2組錨桿拉拔力全部合格。

2.5選測項目

選測項目是對一些有特殊意義和具有代表性的區段及試驗區段進行補充測試，應盡可能選在特殊地段，如圍巖差的地方、加寬帶、進出口的淺埋段等，主要監測圍巖內部移動與二次襯砌砼受力情況。監測儀器有壓力盒、鋼筋計、位移計、錨桿軸力計、砼應變計。其中：壓力盒主要埋設在初期支護與圍巖間（見圖6），主要監測圍巖與初期支護間接觸壓力；砼應變計主要埋設在二次襯砌砼內，用于量測二次襯砌砼的內力變化。

圖6　胡家地隧道壓力盒測點布置示意圖

3　監測結果

3.1地質及支護狀態觀察

胡家地隧道地質及支護狀態觀察結果如下：隧道上方有一采石場，經過長時間的采石作業及地表破壞，其上方已形成較大采空區，雖然已經過回填，但其滲水保護層已被破壞，易造成地表水下滲，對隧道施工不利，特別是容易造成塌方甚至冒頂，應引起特別注意并加強支護。隧道中部圍巖為強風化白云巖夾玄武巖，巖石節理裂隙很發育，巖體破碎～極破碎，層間結合力差。開挖后圍巖無自穩能力，易產生坍塌甚至冒頂，下雨時隧道淺埋段可能出現較大涌水。

3.2拱頂下沉和周邊收斂

在胡家地隧道布置拱頂下沉監測斷面，共布置202個監測點，從監測結果來看，各斷面在隧道二次襯砌澆灌前拱頂累計下沉量和隧道周邊收斂都小于最大預留變形量的1/3，即50mm，位移速率小于4.15mm/d。圖7為K12+843斷面周邊收斂曲線，從中可見位移速率和位移累計都符合要求。

圖7　胡家地隧道K12+843斷面周邊收斂曲線

3.3地表下沉

表3為部分測點地表下沉檢測結果，從中可見地表沉降已趨于穩定。

3.4監測結果分析和建議

根據監測結果，該隧道拱頂下沉、周邊收斂值較小，其中K12+843拱頂下沉平均位移速率為1.09 mm/d，累計下沉量為45mm。隧道開挖擾動過大時仍會加快隧道拱頂下沉和周邊收斂，甚至引起塌方，需控制隧道開挖強度、開挖進尺和臺階高度，錯臺施工，根據隧道監測結果及時調整施工工藝并加強支護，保證隧道的穩定。地表累計最大位移為135mm，日沉降最大變化速率為6.14mm，未超過規范允許值。

表3　胡家地隧道部分地表下沉檢測結果

從拱頂下沉、周邊收斂監測數據來看，洞內整體變形相對較小，圍巖趨于穩定，表明采用的支護參數可確保安全。通過對隧道出口地表的監測，去除測量誤差影響后，總體上各監測斷面各測點累計下沉量較小。但在隧道下斷面開挖處，受施工影響，各監測點的位移還會有一定波動，未加蓋二次襯砌時還需要繼續觀測。開挖時應及時支護，防止滲水導致圍巖粘性不足而發生掉塊甚至塌方，并加強排水，以免出現滲水現象影響正常施工。施工中應結合監測成果，在隧道圍巖變形穩定后再進行二次襯砌施工，將掌子面與二次襯砌工作面之間的距離控制在規定范圍內。

4　結語

根據監測結果，胡家地隧道的圍巖和支護體系皆滿足公路隧道相關規范的要求，可保證施工的順利進行。由于在隧道開挖過程中會對圍巖產生多次擾動，對隧道的穩定性不利，應采用“多臺階、短進尺、弱擾動、及支護、早成環”的方式進行施工。施工中加強監控量測，并注意保護監控測點，以免因測點被破壞或復噴覆蓋而造成監測數據缺失。

圍巖穩定性判斷是一項復雜且非常重要的工作，必須結合具體工程情況，根據所測得的位移量或回歸分析所得的位移量、位移速度及變化趨勢、隧道埋深、開挖斷面大小、圍巖等級、支護所受壓力、應力應變等進行綜合分析判斷。隧道施工中必須加強山體變化及初期支護和二次襯砌的受力情況監控，及時掌握隧道整體穩定情況，并實時作出調整，避免不安全事故的發生。

［1］ 冉小兵.談監控量測在隧道信息化施工中的應用［J］.資源環境與工程，2015，25（3）.

［2］ 何洪濤.談高速公路隧道施工監控量測技術［J］.四川水泥，2015（5）.

［3］ 李智榮.監控量測在高速公路隧道施工中的應用［J］.科學之友，2012（14）.

［4］ 李晉全.隧道新奧法施工中監控量測技術的應用探析［J］.科技創新與應用，2015（10）.

［5］ 郭海.淺析監控量測在新奧法構筑隧道中的應用［J］.中國西部科技，2011（16）.

［6］ 姚志飛.季節性寒區大斷面淺埋土質隧道施工期位移特性研究［D］.西安：西安建科技大學，2009.

［7］ 孟巖.新奧法隧道施工中的監控量測技術研究［J］.企業技術開發，2013（14）.

［8］ 喻偉.淺埋偏壓隧道施工圍巖變形與支護結構受力分析［D］.重慶：重慶交通大學，2012.

［9］ 曾星巨，戴劍鋒，蔣振梁，等.監控量測在軟巖隧道信息化施工中的應用研究［J］.中國新技術新產品，2012（21）.

［10］ 王剛.道施工期間的變形監測［J］.交通世界，2011 （5）.

［11］ 王文光.偏壓邊坡下軟弱圍巖連拱隧道穩定性數值模擬［D］.西安：長安大學，20098.

［12］ 劉青.福祿嶺隧道監控量測與分析研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

U456.3

A

1671-2668（2016）04-0268-04

2016-01-21