沈家壩2號隧道監控量測方案設計及數據分析

陳錦生 韓 峰

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070)

監控量測是指在隧道開挖過程中，運用各種儀器儀表對地表下沉、圍巖變形、應力應變等進行量測的過程[1]。隧道監控量測旨在收集和反映施工過程中圍巖的動態信息，用以判斷隧道圍巖的穩定狀態，以及支護結構參數和施工的合理性。量測項目包括必測項目和選測項目兩大類[2]。必測項目有周邊收斂量測、拱頂下沉量測、錨桿內力量測等。選測項目有地表下沉量測、圍巖內部位移量測、圍巖與噴射混凝土間接觸壓力量測、噴射混凝土與二次襯砌間接觸壓力量測、噴射混凝土內應力量測、二次襯砌內應力量測、鋼支撐內力量測等[3]。具體測量項目應該根據隧道圍巖等級和施工實際合理選擇，做到經濟上合理，技術上可行。

1 工程概況

沈家壩2號隧道是成昆鐵路峨米段擴能改造工程的一處在建隧道，位于涼山州冕寧-月華西區間，隧道進口里程為DK389+678，出口里程為DK390+220，全長542 m，該隧道設計為單洞雙線、8‰的單面下坡。沈家壩2號隧道所在地區屬于中山河谷地貌，地形起伏較大，溝谷下切較深，相對高差60～100 m。隧道區地層主要為第四系全新統坡殘積層粉質黏土，中、上更新統粉質黏土，角礫土及碎石土，下伏基巖為第三系上新統昔格達組泥巖夾砂巖、頁巖，三疊系花崗巖和石英閃長巖。DK389+678～DK389+900段為Ⅴ級圍巖，DK389+900～DK390+000段為Ⅳ級圍巖，DK390+000～DK390+220段為Ⅴ級圍巖，隧道洞身段全、強風化層較厚，拱頂、側壁易坍塌；隧道出口位于中上更新統土層中，拱頂易坍塌，設計和施工時應采取加強措施。

2 隧道監控量測方案設計

2.1 測點布置

該隧道洞口位置圍巖較差，洞身段位于Ⅳ、Ⅴ級圍巖交界處，拱頂側壁易坍塌。監控量測項目主要包括拱頂下沉量測和水平收斂量測，出口段應增加地表下沉量測。本隧道拱頂位置為薄弱環節，以下主要討論隧道洞內監控量測，洞內監控量測可分為拱頂下沉和水平收斂測量兩項[4]。

(1)埋設時間

拱頂下沉及水平收斂觀測標應在隧道開挖后12 h內布設，并及時讀取數據。

(2)斷面布置

頂拱下沉測點和凈空變化測點應布置在同一斷面上。拱頂下沉測點應布置在隧道軸線上，偏差不大于3 cm；拱頂下沉及水平收斂測點斷面按表1布置。根據《鐵路隧道監控量測技術規程》(TB10121—2007)，隧道Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖，V級圍巖采用三臺階加臨時仰拱法開挖，頂拱下沉測點及水平收斂測點埋設形式見圖1和圖2[5]。

表1 圍巖等級與斷面間距

圖1 臺階法量測斷面測點布置

圖2 三臺階法量測斷面測點置

(3)觀測標埋設

洞內觀測標埋設必須深入基巖不小于20 cm，使用鉆機鉆孔后插入觀測標并固定，禁止觀測標與鋼拱架及鋼筋網片焊接固定。初支混凝土噴射完成后，應及時將反射片粘貼到觀測標志鋼板上并確保粘貼牢固可靠。洞內觀測標反射片均面向洞口，以便采集測量數據(如圖3)。

圖3 觀測標埋設示意(單位：cm)

(4)觀測標志保護

監控量測標志必須嚴格按照要求進行埋設，以確保埋設穩固可靠；其上禁止懸掛電線等其它物品，以防止觀測標被破壞；初支混凝土噴射施工前，及時使用塑料袋對觀測標進行包裹保護，防止觀測標遭施工破壞。觀測標反射片被混凝土或灰塵遮擋后，應及時進行清理恢復。監控量測觀測標應由專人負責保護和維護，并隨時提醒洞內施工作業人員及機械操作人員注意保護。

2.2 量測儀器選擇

以往隧道監控量測一般采用水準儀、鋼掛尺、收斂計等進行測量，但水準儀、鋼掛尺、收斂計等測量精度不高，受外界影響較大。全站儀的應用和計算機技術的迅速發展，使得隧道監控量測可以有更多選擇[6]。徠卡系列全站儀TS09 plus，擁有比TS09及TS06更高的測距精度，可搭載無線藍牙技術，配備精致的測角系統和測距系統，其無棱鏡測程大于1 000 m，有棱鏡測距精度為0.01 mm，并帶有自動補償功能。本隧道要求量測數據精確到毫米，TS09 plus滿足測量精度要求，故選取其為主要測量儀器。

2.3 量測方法

拱頂下沉速率是指隧道拱頂單位時間內的下沉量，用于監測隧道開挖后拱頂的下沉位移，判斷隧道拱頂的穩定性。拱頂下沉應重復測3次并取平均值，設3次觀測值分別為h1，h2，h3，設T1時的觀測值為H1，T2時的觀測值為H2，則拱頂下沉和下沉速率公式為[7-8]

ΔH=H1-H2

(1)

v(t)=ΔH/Δt(Δt=T2-T1)

(2)

H1=(h1+h2+h3)/3

(3)

(4)

式中，ΔH為下沉量，V(t)為下沉速率。

量測n次后得到的下沉總量為

(5)

水平收斂量測是指隧道開挖后，沿隧道周邊的拱腰(或導洞拱腰)和邊墻部位分別埋設觀測標，通過測量兩側距離變化監測隧道凈空的改變。周邊收斂量測方法與拱頂下沉量測方法類似。

2.4 控制基準

依據《鐵路隧道監控量測技術規程》(TB10121—2007)，應嚴格遵循位移速率和量測頻率的關系實施量測。一般隧道開挖后前幾天的位移變化速率較大，可以根據具體情況增加量測頻率。依據相關規定，本隧道先按最不利情況(位移速率>5 mm/d)確定監控量測頻率為2次/d，連續量測一個月后發現位移速率基本保持在5 mm/d之內，故調整監測頻率為1次/d；當位移變化速率小0.2 mm/d時，表明變形趨于穩定[9]。鐵路隧道圍巖變形總量和變形速率應在正常范圍之內，如果出現異常應及時分析原因，確定安全等級：若為綠色(變形總量<75 mm，變形速率<5 mm/d)，可正常施工；若為黃色(75 mm<變形總量<150 mm，5 mm/d<變形速率<10 mm/d)，需加強監測，必要時采用網噴混凝土等方式補強；若為紅色(變形總量>150 mm，變形速率>10 mm/d)，應暫停施工，增設橫、豎支撐，后續施工應加強防護并調整施工方法[10]。通常來說，水平收斂和拱頂下沉變形不會長時間急劇增大，若出現異常，應采取緊急措施以防變形擴大，當位移時間曲線趨于穩定時，說明圍巖與支護結構又達到了新的平衡。

3 數據處理及計算模型的選擇

3.1 數據采集

新奧法要求在整個施工過程中對圍巖形態進行連續、系統的動態觀測，并根據現場量測數據，對圍巖穩定性及支護結構受力與變形狀態做出分析評估和反饋[11]。依據本隧道圍巖情況，拱頂處于薄弱環節，DK390+000處為Ⅳ、Ⅴ級圍巖分界，圍巖變化前后拱頂下沉數據顯得尤為重要，按照監控量測細則要求，應按時觀測并及時上傳數據[12]。經過系統初步處理，得到DK389+996斷面拱頂下沉數據(如表2)， DK390+001斷面拱頂下沉數據(如表3)。

表2 DK389+996斷面拱頂下沉數據

表3 DK390+001斷面拱頂下沉數據

3.2 數據處理與模型選擇

初期支護中現場量測所得數據，不可避免會具有一定的離散性，其中包含著系統誤差及偶然誤差，不能直接利用，回歸分析是目前處理量測數據比較有效的方法[13]。選用Origin軟件，利用其強大的回歸分析功能，對測點數據進行合理分析。首先對DK390+001斷面測點數據進行線性擬合、指數函數擬合、對數函數擬合、三次多項式擬合(如表4)。其中，指數函數模擬時R-Square與Prob>F同時處于領先水平，因而選擇指數函數模型作為本測點數據的計算模型，表達式為y1=21.788 6-26.738 5e-0.222 3x。

要分析兩種不同圍巖等級情況下拱頂的下沉變化，必須選取同一種計算模型才有意義。可利用Origin數據集比對功能(Compare Datasets)，分析DK389+996和DK390+001斷面數據是否適合于同一種計算模型，若F-test分析表中的Prob>F值等于零，說明兩組斷面數據同時適用于指數函數模型且擬合效果顯著。用指數函數模擬DK389+996斷面數據，得到回歸方程y2=16.519 9-21.727 5e-0.259 6x。至此，確定最佳的計算模型為指數函數(如圖4)。

表4 DK390+001斷面拱頂回歸方程

注：(1)Adj-R-Square指修正的相關系數平方，其值越靠近1，說明數據與曲線相關性越好。(2)Prob>F是置信概率，越接近0，說明擬合效果越顯著。

圖4 拱頂下沉曲線與實測散點

3.3 結果分析

當隧道拱頂下沉和水平收斂變形到達穩定時，結合施工實際，需要在初支結構上布設土工布和防水布，為仰拱和二次襯砌的推進做準備，而這些結構物會遮擋監控量測測點，以致于不能及時觀測后續數據。為此，將計算模型進行優化，以對該測點的后續變形做出預測。如當x1=21 d時，y1=21.54 mm；當x2=16 d時，y2=16.17 mm，由預測值可知，累計變形沒有超出極限值75 mm。由圖4可知，在前一周，Ⅳ、Ⅴ級圍巖拱頂下沉量迅速增長，Ⅴ級圍巖拱頂下沉總量約為Ⅳ級圍巖的1.2倍；Ⅳ級圍巖拱頂下沉從第9 d后趨于穩定，15 d后保持穩定狀態，前9 d變形量占總變形量的90%以上；Ⅴ級圍巖拱頂下沉從第12 d后趨于穩定，20 d后保持穩定狀態，前12 d下沉量占總下沉量的90%以上。

4 結論

(1)監控量測工作具有時效性、連續性和長期性等特點，監控量測實施人員必須熟知監控量測實施要點和管理程序。

(2)借助曲線回歸方法對現場監控量測數據進行分析，改進計算模型，得到圍巖變形的初步發展規律和分布特征并能預測后續變形。

(3)隨著隧道施工進入深埋地段，若圍巖巖性出現交替，巖石軟弱、風化嚴重，巖性變化前后圍巖變形有明顯差異，應加強監測并放慢施工進度。

[1] 周慧，孫偉，霍如桃.地鐵隧道施工監控量測技術的應用[J].科學技術與工程，2010，10(12)：3003-3007

[2] 龔彥峰，肖明清.我國高速鐵路隧道技術要點與有關建議[J].鐵道工程學報，2014(12)：67-71

[3] 曹才勇，林勇，趙峰. 雪峰山隧道施工監控量測與圍巖穩定分析[J].中南公路工程，2006，31(1)：138-141

[4] 文建華，盧菁.梅花山隧道新奧法施工圍巖變形監測研究[J].科學技術與工程，2014，14(17)：286-289

[5] 蘇興.監控量測技術在淺埋大跨度雙線鐵路隧道中的應用[J].鐵道建筑，2011(7)：60-62

[6] 武勝林，鄧洪亮，陳凱江，等.隧道監控量測自動預警管理系統及其應用[J].測繪通報，2013(6)：68-70

[7] 梁勇旗.淺埋黃土隧道現場監控量測與數值分析[J].公路，2014(5)：181-185

[8] 李洛川，戴飛.鐵路隧道監控量測技術研究[J].四川水力發電，2017，36(S2)：64-68

[9] 葉樵.隧道工程監控量測工作實施與控制[J].鐵道工程學報，2009(7):89-93

[10] 張民慶，黃鴻健，吳川.鐵路隧道施工圍巖變形安全等級的研究與應用[J].鐵道工程學報，2014(11)：87-93

[11] 馬樹寶，陳沅江，張悅，等.基于新奧法隧道圍巖變形動態監測技術及應用研究[J].工業安全與環保，2010，36(9)：29-34

[12] 張民慶，黃鴻健，盛黎明，等.鐵路隧道圍巖監控量測CFC信息化系統的研究[J].鐵道工程學報，2015(7)：56-61

[13] 張玉良.打括隧道監控量測結果的一元非線性回歸分析[J].廣西科技大學學報，2007，18(2)：54-57