隧道穩定性監測在施工中的實施方法

胡林翼

（湖南省馬安高速公路建設開發有限公司，湖南長沙 410011）

隧道穩定性監測在施工中的實施方法

胡林翼

（湖南省馬安高速公路建設開發有限公司，湖南長沙 410011）

結合隧道施工監控測量經驗，從監測斷面和測點布置，周邊收斂、拱頂下沉、地表沉降等數據采集及數據處理方面分析了監控測量在隧道施工中的實施方法，以及時判斷隧道圍巖的穩定狀況并確定支護方案，確保隧道施工的順利進行和安全。

隧道；監控測量；穩定性

由于地質環境具有很大不確定性，隧道圍巖的變化錯綜復雜，加上開挖方式多樣，可能導致隧道施工過程中出現坍塌、冒頂、突水、涌沙等現象，甚至在隧道建成后出現滲漏及變形等質量問題。因此，在隧道施工過程中進行隧道穩定性監測和分析對隧道安全穩定具有重要意義。

1 隧道施工監控測量的實施

監控測量應貫穿隧道施工全過程，監測內容有必測項目、選測項目兩大類。必測項目是指為確保圍巖穩定、判斷支護結構狀態而必須經常性測量的項目，包括周邊收斂、拱頂下沉、隧道內目測觀察等，對指導設計、施工有巨大作用；選測項目是對一些具有代表性的區段進行補充監測，視具體情況主要包括地表下沉、圍巖壓力、鋼支撐內力等。

1.1監控測量斷面的布置

隧道監控測量的必測項目如周邊收斂、拱頂下沉、凈空變化等的測點原則上需設置在同一斷面，測量斷面間距及測點數量根據實際情況按表1確定。

表1　必測項目監測斷面布置間距和測點數量

同一處拱頂下沉、周邊收斂測量應設在同一斷面，以便于相互印證，斷面布點見圖1。拱頂及地表下沉測量基點應與洞內、外水準基點建立測量體系。

圖1　Ⅴ級圍巖測量斷面布點示意圖

隧道淺埋地段下沉測點布置要求：1）應布置在隧道中心及兩側間距2～5 m處；2）應布置在隧道開挖影響范圍以外，隧道中間附近應適當加密；3）每個斷面設7～11個監測點。地表沉降監控斷面監測點布置見2。

圖2　Ⅴ級圍巖測量斷面布點示意圖（單位：m）

1.2地表沉降的監測

通過水準基點對地表沉降量進行測量，需注意的是同一工程每段都應使用同樣的水準點埋設方法，在不受影響的地方用電錘鉆孔，下設150φ12鋼筋，澆筑水泥，露出2mm鋼筋頭。

在地表下沉量未達到穩定要求、隧道襯砌施作未完成前需一直進行地表沉降量監測，后續監測要根據前幾次監測結果進行，觀測值變化較大時需加強觀測。觀測中應注意地表沉降量與拱頂下沉和凈空變化的關系，盡量保持三者測量頻次相同（見表2）。按照國家二等水準測量要求（必要時采用三等水準測量要求），確定基準高度后用精密水準儀與水準尺配合進行監測。需一站測量，不能轉換觀測站，每個測點測量3次，取平均值作為監測結果。

表2　地表下沉監測頻率

1.3拱頂下沉的監測

采用新奧法施工時需對拱項下沉量進行觀測，以定量衡量拱頂圍巖穩定程度。通常情況下需在拱軸線位置設置拱頂下沉觀測點，跨度較大的隧道需在拱部設置沉降觀測點。測量儀器包括水準儀與鋼掛尺或全站儀配合操作。水準儀放置在拱頂觀測點之下、標準高程點之上。對鋼尺需進行調平，調平后記下鋼尺度數（前視鋼尺度數）H1，再在張拉力相同的情況下記下后視鋼卷尺的度數H2，拱頂測量點高程為H0+H1+H2（H0為標準高程點的高程）。前后兩次測量的拱頂高程差為該時間段的拱頂下降量，即拱頂沉降量。隧道拱頂下沉測量方法見圖3。

圖3　拱頂沉降監控測量方法示意圖

如果隧道的斷面較大，拱頂較高，不能使用水準儀與鋼掛尺，最好使用全站儀進行測量。在拱頂預埋下沉觀測點，布置φ22鋼筋，鋼筋在支護面外露2 cm，鋼筋頭保持平整。沉降觀測站可自由建立，高程測量不計算儀器高度，但觀測站后視讀數應至少有2個高程基準點參照。

拱頂沉降的測量頻率與收斂點相同，如果按表3、表4所示頻次進行觀測時偏差較大或觀測數據出現異常甚至達到報警指標，則應提高觀測頻率，穩定后方可降低頻率；若觀測時遇到膨脹性與擠壓性圍巖，則應定期觀測位移量，如其位移沒有消減趨勢，還應適當延長監測周期。

表3　拱頂下沉測量頻率（按位移速度）

表4　拱頂下沉測量頻率（按與開挖面的距離）

1.4周邊收斂的監測

周邊收斂監測數據能直接反映隧道周圍的變化，為隧道提供更加可靠的地質信息；根據速度變化可判斷圍巖是否穩定，為襯砌提供合理支撐時機。在隧道周邊、拱腰和邊墻部位分別埋設測樁，樁深31 cm，直徑約43 cm，采用JSS30A型數顯式收斂儀采集收斂值。

2 監測數據的處理

施工過程中難免會出現偶然誤差，使監測數據產生離散，需進行數學處理，找出其一般規律和數學表達式，為監控設計和預測、預報提供可靠信息。

2.1實測數據回歸分析

常采用對數函數、指數函數和雙曲線函數對監測數據進行回歸分析。對數函數的表達式為：指數函數的表達式為：

雙曲函數的表達式為：

式中：u為位移值（mm）；t為初讀數后的時間（d）；A、B為回歸常數。

在數據回歸分析中將各種測量數據相互印證，以確定測量結果的可靠性，并根據測量數據隨時間的變化規律，使用較理想的數據進行回歸分析，選擇一組與實測數據系列性擬合較好的回歸函數對最終值或變化速率進行預測、預報。

2.2監測數據的應用

在隧道監測中，數據測量及數據分析、整理、反饋等環節極為重要。每次測量之后，根據所得結果繪制圖像。在繪圖初期，利用圖形進行回歸分析，根據圖像的變化預測應該出現的最值及相關速度變化。若發現圖像出現異常現象，應及時采取加厚噴層、增加密度、加長錨桿等加固措施。

根據實測數據，通過回歸分析得出位移值，對照表5、表6綜合判定隧道的穩定程度，確定變形管理等級，以指導施工。

表5　跨度B≤7 m隧道初期支護極限相對位移

表6　跨度7 m＜B≤12 m隧道初期支護極限相對位移

根據位移時態曲線（見圖4）的形態判別和分析圍巖的穩定情況：當d u2/d2t＜0時，圍巖處于穩定狀態，圍巖位移速率不斷下降；當d u2/d2t=0時，圍巖處于不穩定狀態，圍巖位移速率保持不變，應加強支護；當d u2/d2t＞0時，圍巖進入危險狀態，圍巖位移速率不斷上升，必須立即停止掘進，并加強支護。

圖4　位移u-時間t關系曲線

若每天的凈空變化量一直不低于5.0mm，則表明四周的巖石在不斷加速變形，必須對最初支護系統進行強化。若每天的凈空變化量不高于0.2mm，則表明四周的巖石基本處于穩固狀態。

當四周的巖石及最初的支護系統處于基本穩固狀態并符合以下狀況時，可停止測量：1）隧道四周的收斂速度出現顯著減緩趨勢；2）收斂量不低于總數的4/5；3）每天的收斂量不大于0.15mm或拱頂位置處每天的變動量不大于0.1mm。

在開鑿過程中，若出現以下任何一種狀況，要馬上停止施工，并及時進行修整：1）隧道四周出現開挖塌方、滑坡及破裂；2）測量數據呈逐漸增長的變化狀態；3）支護系統出現較大變化；4）時態曲線穩定不變。

二次襯砌的施作要在出現以下狀況時實施：1）每個測試項目的變化顯著變緩，隧道四周巖石基本處于穩定狀態；2）已出現的所有位移不低于其總量的4/5；3）隧道四周每天的位移量不大于0.1～0.2mm或拱頂每天的下沉量不大于0.07～0.10mm。

3 隧道施工監測的管理

3.1隧道施工監測組織

隧道施工現場的監控測量必須嚴格按照測量計劃科學、有序地進行，同時與其他工序密切配合，確保施工的連續進行。每一工序的預埋測點必須穩固、醒目、保管妥當，不可隨便更換和損壞。為滿足該要求，應有周密可行的有效措施和制度作保證。

3.2測量資料整理

（1）詳細記錄每次測試結果，同時記錄周圍的環境狀況、溫度情況及開鑿程度和施工狀況等，要確保原始記錄的準確性。

（2）將測量數據填入相關表格中，以便掌握測量信息的變化狀態，有利于分析和比較不同測量位置、測量方式的差異。

（3）測量完成2 h內對測量數據進行整理，應用測量處理系統進行科學分析和計算。

4 結語

對隧道施工現場實施監控測量，尤其是對那些具有特殊意義及突出性位置實施監測，有利于掌握四周圍巖的穩定狀況、支護系統的力學動態，根據測量結果進行力學分析和穩定程度評價，為修改初期支護參數和確定二次襯砌施作時間提供依據，優化施工方案，確保隧道施工質量和安全。

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