隧道工程中監(jiān)控量測(cè)技術(shù)及應(yīng)用分析

張 曉 強(qiáng)

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 030600)

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隧道工程中監(jiān)控量測(cè)技術(shù)及應(yīng)用分析

張 曉 強(qiáng)

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 030600)

闡述了利用監(jiān)控量測(cè)技術(shù)開(kāi)展隧道施工的目的，結(jié)合具體案例，介紹了隧道工程中監(jiān)控量測(cè)的內(nèi)容，并從地表沉降觀測(cè)、噴射混凝土層及鋼拱架應(yīng)力量測(cè)等方面，說(shuō)明了監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在隧道工程項(xiàng)目中的具體應(yīng)用，為隧道工程的順利施工提供了保障。

監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，隧道，混凝土層，鋼拱架

由于隧道工程項(xiàng)目一般會(huì)涉及到隧道開(kāi)挖作業(yè)，這就使得隧道工程的危險(xiǎn)程度較高、技術(shù)復(fù)雜性較強(qiáng)，容易受到諸多不良因素的影響，常常會(huì)導(dǎo)致安全事故發(fā)生。所以為了保證隧道工程項(xiàng)目的施工安全，有必要將監(jiān)控量測(cè)技術(shù)應(yīng)用到隧道施工建設(shè)中，另外通過(guò)科學(xué)應(yīng)用監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，還能夠幫助施工方及時(shí)了解隧道環(huán)境情況以及周?chē)鷰r層變化情況，從而保證隧道工程能夠保質(zhì)保量的完成，并避免隧道周?chē)慕ㄖ锸艿綋p壞。下面就監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在隧道施工中應(yīng)用目的進(jìn)行檢驗(yàn)分析，并結(jié)合具體案例說(shuō)明監(jiān)控量測(cè)技術(shù)手段于隧道工程項(xiàng)目之中的具體應(yīng)用。

1 通過(guò)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)實(shí)施隧道施工的目的

1)掌握隧道內(nèi)部情況，降低隧道施工難度。通過(guò)隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，能夠幫助施工方掌握隧道內(nèi)部情況。這是由于在隧道施工過(guò)程中，隧道內(nèi)部的支護(hù)結(jié)構(gòu)以及地層會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)，所以可通過(guò)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，使施工方了解隧道內(nèi)部所出現(xiàn)的情況，以及隧道的實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而更深層次的判斷、了解圍巖是否穩(wěn)定，襯砌是否可靠以及支護(hù)是否穩(wěn)定等等，并基于此制定相應(yīng)的解決辦法，從而提升隧道施工的安全性以及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外在進(jìn)行隧道施工之前，施工方需要對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，同時(shí)在施工階段通過(guò)合理使用隧道監(jiān)控測(cè)量手段得到大量的數(shù)據(jù)，并基于對(duì)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，修改以及補(bǔ)充先前所得出的理論分析，并基于檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行反饋，從而使得隧道施工建設(shè)獲得更多的指導(dǎo)意見(jiàn)。除此之外，還可以利用通過(guò)隧道監(jiān)控測(cè)量手段得出的數(shù)據(jù)，科學(xué)調(diào)整施工策略，比如說(shuō)通過(guò)對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行調(diào)整或者是對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，可以增強(qiáng)隧道施工建設(shè)的質(zhì)量以及工程進(jìn)度。2)對(duì)隧道內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的合理使用，除了能夠全面監(jiān)測(cè)隧道項(xiàng)目的具體環(huán)境之外，還能夠監(jiān)控隧道項(xiàng)目的周邊環(huán)境，這樣就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定因素，從而降低周?chē)h(huán)境以及具體環(huán)境對(duì)隧道項(xiàng)目的不良影響，保證隧道工程項(xiàng)目的施工建設(shè)質(zhì)量。另外還可以利用監(jiān)控量測(cè)技術(shù)科學(xué)分析隧道內(nèi)部施工環(huán)境，從而得到具體的數(shù)據(jù)以及可靠的觀測(cè)結(jié)果，隧道施工方可利用這些數(shù)據(jù)以及結(jié)果及時(shí)地掌握隧道項(xiàng)目的施工特點(diǎn)以及規(guī)律，從而使得隧道施工建設(shè)獲取更多的良好意見(jiàn)，減少施工意外的發(fā)生。

2 工程實(shí)例

喬莊隧道屬于濟(jì)邵高速公路的一部分，喬莊隧道上部主要是由黃土狀亞粘土構(gòu)成，局部區(qū)域包括粉砂質(zhì)泥巖以及結(jié)礫巖。喬莊隧道屬于雙車(chē)道隧道，右線全長(zhǎng)經(jīng)測(cè)量為1 920 m，同時(shí)Ⅳ級(jí)圍巖大約為1 540 m，左線全長(zhǎng)長(zhǎng)度總共為1 970 m，Ⅳ級(jí)圍巖大約為1 660 m，本隧道的凈高經(jīng)測(cè)量為5 m，凈寬經(jīng)測(cè)量為10.25 m。

2.1 監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容與其斷面布置形式

相關(guān)規(guī)定中要求對(duì)地表下沉量，拱頂下沉量以及水平收斂量，支護(hù)狀況情況以及地質(zhì)情況進(jìn)行測(cè)量、觀察，為了保證喬莊隧道的施工建設(shè)質(zhì)量，除了要對(duì)上述規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行測(cè)量之外，還選取劃定了兩個(gè)典型斷面，即為ZK42+665以及ZK42+798，并在初期支護(hù)對(duì)該兩處典型斷面實(shí)施了混凝土層應(yīng)力噴射作業(yè)以及鋼拱架應(yīng)力量測(cè)作業(yè)。另外還在隧道洞口淺埋區(qū)域?qū)嵤┝说乇沓两盗繙y(cè)作業(yè)。圖1為各個(gè)測(cè)量點(diǎn)布置情況，與各個(gè)量測(cè)元件的具體布置。

2.2 數(shù)據(jù)的采集以及分析

1)對(duì)地表沉降情況進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)觀測(cè)之后發(fā)現(xiàn)，喬莊隧道入口區(qū)域?qū)儆赩級(jí)圍巖，同時(shí)圍巖的穩(wěn)定性相對(duì)較差，隧道埋設(shè)深度相對(duì)較淺，由此在隧道入口區(qū)域的地下需要埋設(shè)7個(gè)沉降點(diǎn)，同時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)間距進(jìn)行控制，確保其不超過(guò)5 m。之后通過(guò)塔尺以及水平儀設(shè)備觀測(cè)檢查地表下沉情況，本項(xiàng)目通過(guò)65 d的觀測(cè)獲取了大量樣測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)樣測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其最大值為2 mm，再考慮到測(cè)量可能會(huì)存在誤差情況，可以斷定地面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下沉情況，洞室附近建筑物不會(huì)受到地表沉降的不良影響。2)噴射混凝土層以及鋼拱架應(yīng)力量測(cè)作業(yè)。本工程主要是通過(guò)混凝土應(yīng)變計(jì)完成混凝土層的噴射作業(yè)，通過(guò)鋼板應(yīng)變計(jì)完成鋼拱架應(yīng)力測(cè)量作業(yè)。在開(kāi)展初期支護(hù)作業(yè)時(shí)，需要首先于噴射混凝土層結(jié)構(gòu)的左右兩側(cè)安裝使用混凝土應(yīng)變計(jì)，之后需于測(cè)試鋼骨架結(jié)構(gòu)的上下翼緣區(qū)域通過(guò)焊接的方式焊接鋼板應(yīng)變計(jì)。在結(jié)束初期支護(hù)作業(yè)之后，需要通過(guò)振弦頻率檢測(cè)設(shè)備，實(shí)施量測(cè)作業(yè)。然后通過(guò)虎克定律以及所收集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，得出測(cè)量點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力情況，同時(shí)通過(guò)假設(shè)界面應(yīng)力情況根據(jù)線性分布，從而以截面應(yīng)力分布情況得到初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所具有的實(shí)際內(nèi)力。如圖2所示為內(nèi)力換算圖。

為了得到鋼拱架應(yīng)力變化情況以及噴射混凝土層結(jié)構(gòu)的變化情況，本工程在斷面ZK42+665區(qū)域的初期支護(hù)作業(yè)結(jié)束之后，對(duì)其施以50 d的應(yīng)力側(cè)壓，從而獲取了鋼拱架應(yīng)力以及噴射混凝土層結(jié)構(gòu)的變動(dòng)曲線，具體可見(jiàn)圖3，圖4。

由于噴射混凝土層結(jié)構(gòu)主要受到的應(yīng)力為壓應(yīng)力，再加上噴射混凝土層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在前期階段增長(zhǎng)速度相對(duì)較快，所以該結(jié)構(gòu)在7 d之內(nèi)即已經(jīng)達(dá)到7.36 MPa，在達(dá)到該應(yīng)力之后，噴射混凝土層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力增長(zhǎng)速度逐漸放緩，大約15 d之后，其應(yīng)力大小達(dá)到了基本穩(wěn)定。在噴射混凝土層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到基本穩(wěn)定之后，需要對(duì)該結(jié)構(gòu)的左側(cè)拱腰區(qū)域的應(yīng)力、右側(cè)拱腳區(qū)域的應(yīng)力以及拱頂區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)量之后上述各區(qū)域的應(yīng)力值分別是7.77 MPa,7.39 MPa以及5.97 MPa。由此可以得知噴射混凝土技術(shù)能夠有效地加固圍巖，從而保證圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性。

鋼拱架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力同樣在前期增長(zhǎng)速度相對(duì)較快，并于7 d之內(nèi)即達(dá)到了112.86 MPa，所以可以得知鋼拱架結(jié)構(gòu)于初期支護(hù)時(shí)期所承受了大部分的圍巖區(qū)域所釋放初始?jí)毫?。因此鋼拱架結(jié)構(gòu)在整個(gè)初期支護(hù)時(shí)期具有非常重要的作用。本工程于30 d作業(yè)鋼骨架結(jié)構(gòu)式的應(yīng)力情況逐步穩(wěn)定下來(lái)之后，對(duì)其拱腰區(qū)域的受力情況、拱腳區(qū)域的受力情況以及頂部結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行量測(cè)之后發(fā)現(xiàn)，前兩者的受力情況相對(duì)較大，后者的受力情況相對(duì)較小。所以為了使得鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)得到優(yōu)化，需要在鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)中加裝使用鎖腳錨桿。另外鋼拱架所承受到的壓力主要來(lái)自于軸向壓力，同時(shí)其所受到的彎矩量值相對(duì)較小，由此可以判定鋼拱架結(jié)構(gòu)為隧道的承壓構(gòu)件。

2.3 工程結(jié)論

在進(jìn)行喬莊隧道作業(yè)過(guò)程時(shí)，由于隧道洞口區(qū)域布設(shè)有多個(gè)地表沉降點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)這些沉降點(diǎn)之后發(fā)現(xiàn)，沉降點(diǎn)基本沒(méi)有出現(xiàn)沉降情況，這說(shuō)明通過(guò)管棚注漿手段對(duì)隧道洞口區(qū)域的淺埋段進(jìn)行處理作業(yè)是較為合適的，這可以保證淺埋段區(qū)域的軟弱巖石結(jié)構(gòu)得到有效加固，確保隧道施工得以順利完成。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可以得知，在結(jié)束隧道開(kāi)挖作業(yè)與初期支護(hù)作業(yè)之后的30 d內(nèi)，隧道的圍巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到了基本穩(wěn)定狀態(tài)，可以開(kāi)始二次襯砌作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，隧道工程數(shù)量正在不斷攀升。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)手段能夠準(zhǔn)確量測(cè)地表沉降情況，圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況等等，為隧道施工提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1] 張長(zhǎng)亮.基于監(jiān)控量測(cè)與數(shù)值分析的隧道圍巖穩(wěn)定性判定方法研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2008.

[2] 譚龍金.監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在圖云關(guān)隧道施工中的應(yīng)用[D].貴陽(yáng)：貴州大學(xué),2009.

[3] 劉 靖.高速公路隧道施工全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)分析與反饋設(shè)計(jì)方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2013.

[4] 胡元鑫,劉新榮,李曉紅,等.基于監(jiān)控量測(cè)的山嶺隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010(7):1135-1141.

[5] 王生濤,李傳富,蒲小平,等.SAA技術(shù)在成蘭鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2015(6):584-588.

On monitoring and measurement techniques and their application in tunnel projects

Zhang Xiaoqiang

(JinzhongRoadandBridgeConstructionGroupCo.,LtdinShanxi,Jinzhong030600,China)

The paper illustrates the aims for the monitoring and measuring techniques in tunnel projects, introduces the monitoring and measuring content in the project by combining with cases, and indicates the application of the monitoring and measuring techniques in the tunnel projects from the surface settlement observation, sprayed concrete layer, and stress measurement of steel arch, so as to provide some guarantee for the smooth construction of the tunnel projects.

monitoring and measuring technique, tunnel, concrete stratum, steel arch

1009-6825(2016)05-0186-02

2015-12-01

張曉強(qiáng)(1977- )，男，工程師

U456.3

A