隧道監(jiān)控量測分析應(yīng)用

韋觀長（中電建路橋集團有限公司，福建福州350000）

隧道監(jiān)控量測分析應(yīng)用

韋觀長（中電建路橋集團有限公司，福建福州350000）

在隧道施工中對圍巖與支護狀況進行監(jiān)控量測是新奧法施工的重要環(huán)節(jié)。全面、系統(tǒng)的監(jiān)控量測，實時掌握圍巖和支護結(jié)構(gòu)在開挖過程中的變形及受力狀態(tài)，不僅可以最大程度減少塌方事故，也可以為評價和修改支護參數(shù)以及二次襯砌施作時間提供信息依據(jù)。

隧道施工；監(jiān)控量測；受力狀態(tài)；信息依據(jù)

1 概述

1.1 隧道施工概述

新奧法根據(jù)彈性理論，以巖石力學(xué)為基礎(chǔ)，提出支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，開挖后采用柔性支護，運用各種手段（短進尺、弱爆破、早封閉、勤量測）控制圍巖變形，依靠現(xiàn)場量測來指導(dǎo)隧道的設(shè)計和施工。

快速、準確地進行現(xiàn)場監(jiān)控量測和信息反饋是應(yīng)用新奧法施工的關(guān)鍵。隧道監(jiān)控的作用有以下幾點：

（1）通過施工和環(huán)境監(jiān)測進行信息反饋，優(yōu)化施工組織設(shè)計，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，確保隧道施工的安全與質(zhì)量和工程項目的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

（2）通過對拱頂下沉、淺埋段地表下沉和洞周凈空收斂進行量測，對隧道支護的穩(wěn)定性做出綜合評價，并可確定合理的二次襯砌澆筑時間。

（3）可為評價和修改設(shè)計參數(shù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。同時將量測等到的結(jié)果迅速反饋到設(shè)計施工中去，以提高隧道施工的安全性、經(jīng)濟性。

1.2 檢測目的

為保證公路隧道施工質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)施工中存在的缺陷，盡早進行缺陷處理。了解隧道襯砌的潛在隱患，作為隧道竣工驗收、以及隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和病害整治設(shè)計的重要依據(jù)。

2 監(jiān)控量測方法和手段

根據(jù)大夫嶺隧道的地質(zhì)特點，綜合考慮《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF60-2009）及設(shè)計文件的要求，并結(jié)合山嶺隧道特別是淺埋、大跨、小間距、斷層與侵入巖脈共生等復(fù)雜條件下的施工經(jīng)驗，擬對大夫嶺隧道的監(jiān)控量測工作分為必測項目四項分別為：

（1）洞內(nèi)外觀察；

（2）拱頂下沉量測；

（3）周邊收斂量測；

（4）淺埋段地表下沉量測。

2.1 洞內(nèi)外觀察

通過觀察揭露的隧道掌子面地質(zhì)情況，掌握隧道實際圍巖狀況，分析隧道掌子面的穩(wěn)定狀態(tài)，并提出必要的預(yù)警；通過觀察隧道洞內(nèi)初期支護的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)各種異常現(xiàn)象并進行跟蹤觀察，評價初期支護的穩(wěn)定性。

洞外觀察包括洞口地表沉陷情況、邊仰坡及地表建筑物的穩(wěn)定、地表水滲透的觀察。

2.2 洞周收斂量測

在避免爆破作業(yè)破壞的前提下，各測點盡可能靠近工作面埋設(shè)，一般為0.5～2m，并在下一次爆破循環(huán)前獲得初始讀數(shù)。初讀數(shù)在開始后12h內(nèi)讀取，最遲不超過24h，而且在下一循環(huán)開挖前，完成初期變形值的讀數(shù)。

采用鋼尺收斂計進行數(shù)據(jù)采集，每次讀數(shù)2次，兩次之間差值應(yīng)不大于0.02mm，否則應(yīng)重現(xiàn)進行測讀。

2.3 拱頂下沉量測

在每個量測斷面的拱頂中心及兩側(cè)埋設(shè)收斂預(yù)埋鉤，埋設(shè)方式及斷面位置同周邊收斂量測。采用精密水準儀配合鋼尺收斂計采集數(shù)據(jù)。

2.4 淺埋段地表沉降量測

用精密水準儀進行測量點觀測，觀測堅持四固定原則，即：施測人員固定，測站位置固定，測量延續(xù)時間固定，施測順序固定，且應(yīng)每隔30d用精密水準測量的方法進行基點與水準點的聯(lián)測，其誤差不得超過（n為測站數(shù)）。

3 監(jiān)測斷面布置及觀測頻率

3.1 地質(zhì)及支護狀況觀察描述

地質(zhì)及支護觀察分掌子面觀察和已施工區(qū)段觀察兩部分。掌子面觀察應(yīng)在每循環(huán)開挖后進行1次。對施工區(qū)段每天至少進行1次觀察，觀察內(nèi)容包括噴射混凝土、錨桿、鋼架的狀況，以及施工質(zhì)量。

3.2 拱頂下沉與周邊收斂量測

拱頂下沉與周邊收斂觀測在同一個斷面內(nèi)進行。結(jié)合大夫嶺隧道的工程特點，按表1所示的監(jiān)測頻率進行監(jiān)測，以確保為動態(tài)反饋設(shè)計及信息化施工提供及時的監(jiān)測信息。不同開挖工法下的測線測點布置圖見圖1。

表1 拱頂下沉與周邊收斂監(jiān)測頻率

圖1 拱頂下沉及洞周收斂測點布置示意圖

3.3 淺埋地表下沉量測

地表下沉量測在隧道淺埋處進行。量測點的布置與拱頂下沉及周邊收斂的測點在同一斷面上。量測線在開挖面前方h+B/2（h為隧道開挖面的埋深，B隧道開挖寬度，針對大夫嶺隧道按5m計）處開始，直至開挖面后方約50m。測點布置示意圖見圖2。

3.4 非接觸量測

3.4.1 概 述

圖2 地表下沉測點布置示意圖

為滿足現(xiàn)代隧道快速、大跨、安全施工需求，現(xiàn)已越來越多地采用非接觸監(jiān)控量測。又叫全站儀三維非接觸量測。可用于隧道拱頂下沉量測、隧道凈空變化量測、隧道斷面檢查、掘進掌子面斷面放樣等。

3.4.2 非接觸量測的工作原理

所謂非接觸監(jiān)控量測就是將全站儀安置在任意測站點，整平后，觀測已知點的方向、距離和高程，通過反算，得出該測站點儀器中心的坐標和標高；然后觀測被測點，根據(jù)測點的方向、距離計算出各測點的三維坐標，從而得出測點的三維位移矢量或測點相對收斂值，準確、快速地為施工提供參考數(shù)據(jù)。3.4.3 非接觸量測的實施

（1）埋設(shè)測點

測點的布置按相關(guān)要求進行，拱頂下沉、凈空變化量測的埋點時間要基本一致。埋點前，應(yīng)先制作反射靶標，用3mm左右厚度的鐵片制作成70mm×70mm大小的方塊，表面上貼上60mm×60mm的測量專用反光片，中間鉆直徑為3mm的小孔；埋點直接用膨脹螺栓將反射靶標錨固在初期支護的表面。

（2）固定基點

為方便、快速進行非接觸量測，應(yīng)在洞外或已成型、穩(wěn)定的二襯砌地段設(shè)一基點，作為量測時全站儀的后視基點。基點應(yīng)有確定的三維坐標，基點應(yīng)經(jīng)常復(fù)核，防止位移而發(fā)生觀測數(shù)據(jù)不準。

（3）自由設(shè)站

以盡量不影響隧道施工為前提，將全站儀自由架設(shè)在隧道內(nèi)任意位置，整平后即可。為了消除膜片傾斜對測距的影響，同一測點在每次量測時測站位置應(yīng)大致相同。

（4）測量數(shù)據(jù)

觀測時以反射靶標中心小孔為照準點，采用雙盤測回結(jié)合三次重復(fù)照準的冗余觀測方法，即每一測站上分別用兩個盤位連續(xù)、重復(fù)照準三次目標點，然后取平均值作為一次設(shè)站觀測的結(jié)果。為提高測量精度，每次監(jiān)測時，應(yīng)在同一位置三次重復(fù)設(shè)站。

（5）數(shù)據(jù)處理和分析

將每次測量記錄按要求輸入裝有相應(yīng)后處理程序的計算機，計算機將自動分析量測數(shù)據(jù)，并相應(yīng)輸出量測成果，并打印報表。

4 監(jiān)控量測信息的處理與管理

4.1 現(xiàn)場實測資料的錄入與整理

現(xiàn)場按時對監(jiān)測項目進行量測，并對各物理量值按各類儀器的工作特征、埋設(shè)情況進行修正，測量當(dāng)天繪制各量值與時間、空間的關(guān)系曲線。若有異常的觀測數(shù)據(jù)，測量現(xiàn)場直接提交結(jié)果。

4.2 量測數(shù)據(jù)的深入分析與處理

根據(jù)量測數(shù)據(jù)曲線的變化過程，劃分急劇增長段、緩慢增長段及基本穩(wěn)定段，判斷其穩(wěn)定程度及提出對下步施工的意見。

實測資料經(jīng)過分析后，確定各物理量的絕對值，變化速度、變化加速度、坡度等四個指標，作為判斷穩(wěn)定的標準值。經(jīng)過相關(guān)分析，找出各物理量和時間及施工進尺的關(guān)系，推算各變化量隨開挖進尺、時間推移的變化趨勢。

4.3 變形等級管理

監(jiān)控量測的主要目的就是保證施工安全，因此，對監(jiān)控量測實施三級管理。三級管理可通過極限位移值、位移速度、位移速度變化率等綜合考慮，無論哪種方法，一旦達到Ⅰ級管理狀態(tài)，必須立即停止掌子面掘進施工。

4.3.1 通過極限位移值管理

主要根據(jù)測點的累計位移值U、測點距開挖面的距離來判定，如表2所示。

表2 位移管理等級

4.3.2 通過位移速度管理

Ⅲ級：凈空變化速度小于0.2mm/d，拱頂下沉速度小于0.15mm/d，圍巖基本達到穩(wěn)定。可正常施工。

Ⅱ級：凈空變化速度在0.2～5.0mm/d之間，應(yīng)加強監(jiān)控量測頻率。加強支護措施。

Ⅰ級：凈空變速度持續(xù)大于5.0mm/d時，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)加強監(jiān)控量測頻率。應(yīng)加強支護措施。

4.3.3 通過位移速度變化率來管理

Ⅲ級：當(dāng)圍巖位移速速度不斷下降時（du2/d2t＜0），圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)；

Ⅱ級：當(dāng)圍巖位移速度保持不變時（du2/d2t=0），圍巖不穩(wěn)定，應(yīng)加強支護；

Ⅰ級：當(dāng)圍巖位移速度不斷上升時（du2/d2t＞0），圍巖進入危險狀態(tài)，必須立即停止掘進，加強支護。

4.4 預(yù)警指標

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF60-2009）規(guī)定，隧道周邊最大允許相對位移（指實測位移值與兩測點間距離之比，或拱頂位移實測值與隧道寬度之比）見表3。

表3 各級別圍巖下不同覆層厚度的初襯允許相對位移

根據(jù)表3，并結(jié)合實踐經(jīng)驗，特建議對安全狀態(tài)進行分級，采用綠、黃、紅三色作為安全狀態(tài)標志。各級別的分級標準及應(yīng)對措施見表4。

表4 安全狀態(tài)分級標準

4.5 二襯施作時間及量測結(jié)束時間的確定

（1）二襯施作時間

各測試項目顯示位移速度明顯減緩并已基本穩(wěn)定、各項位移已達到預(yù)計位移量的80～90%（預(yù)計位移量可通過回歸分析得到）、位移速度小于0.10～0.2mm/d時，可施作二襯。

（2）監(jiān)控量測結(jié)束時間

只有下列條件同時滿足時，方可結(jié)束某一斷面的監(jiān)控量測：

①測點距開挖面距離小大于5B；

②當(dāng)凈空變化速度小于0.2mm/d、拱頂下沉速度小于0.15mm/d且持續(xù)時間不少于15d；

③位移累計值達到預(yù)計最大位移量的90%以上。

[1]《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）.

[2]《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG042-94）.

[3]《公路隧道工程施工圖設(shè)計資料》.

[4]《新建鐵路測量規(guī)范》（TB10101-99）.

U456.3

A

2095-2066（2016）24-0200-03

2016-8-10