大斷面淺埋黃土隧道監控量測對支護各階段穩定性分析

馬曉輝

摘 要：黃土隧道的施工相較于其他類型的隧道施工，難度大，其中大斷面淺埋黃土隧道由于拱頂沉降幅度大，在施工中，一般采用三臺階七步開挖法施工。此外由于黃土隧道埋深淺，這就導致周圍環境對隧道影響大，易造成變形，尤其是降水，風化現象。為了減少周圍環境對黃土隧道的影響，在施工當中保證安全，相關部門要對可能發生的施工災害最好預防工作，做好施工過程中各階段的監控量測工作，分析好數據信息以保證能夠對施工災害做到基本的預測。本文以寧夏黑海高速公路趙家山隧道為工程背景，探討新奧法監控量測在隧道施工過程中的應用，為今后相關工程提供參考。

關鍵詞：大斷面淺埋黃土隧道；隧道監控量測；支護各階段穩定性

1 引言

在實際施工中，相關人員了解黃土隧道的各項數據的主要途徑是監控量測，根據數據的結果進行分析，就可以判斷隧道設計方案是否符合甲乙雙方的需求、選擇什么樣的施工方法才能達到施工的合理化。監控測量的結果能夠幫助相關人員篩選施工方法和工藝。在施工當中的監控量測做得好，就能夠實現對隧道的隨時監控，形成完善的信息庫，對于施工當中不合理的環節能夠及時發現，減少損失。與傳統大斷面隧道相比，大斷面淺埋黃土隧道本身由于埋深淺，在施工過程中對地表土層擾動較大，且山體對隧道易產生偏壓，造成支護結構各部位應變不均勻，局部應力明顯增大；同時由于黃土隧道具有孔隙率大導致透水性好易塌陷等缺點，導致大斷面淺埋黃土隧道在施工過程中易產生圍巖變形大、支護結構整體下沉、開挖面滑塌，造成人員傷亡和經濟損失等事故。所以，在實際施工的過程中，相關的工作人員應該要做好監控測量工作，對支護和圍巖的變形情況能實時掌握，分析其中規律，為隧道工程安全穩定施工提供可靠的保障，同時HIA可以降低施工成本。接下來，本文以實力進行分析，結合寧夏黑海高速公路趙家山隧道的施工監測及大變形處治，探討了在大斷面淺埋黃土隧道施工中新奧法監控量測的具體應用情況。

2 工程概況

寧夏黑海公路趙家山隧道為大斷面黃土隧道，左線隧道長1217m，起止樁號ZK53+555—ZK54+772，右線隧道長1250m，起止樁號YK53+590—YK54+840，隧道最大埋深約80m。

隧道斷面采用三心圓型式，即拱部為單心圓，半徑5.4m，曲墻半徑為8.9m，凈空面積為62.23m2。

隧址區為黃土殘塬地貌，地層主要為第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl），第四系上更新統風積馬蘭組黃土（Q3eol）和中更新統風積離石組黃土（Q2eol）地層。老黃土主要分布在地面13.5～18.5米新黃土以下有80多米的位置，上部馬蘭黃土淺黃色，具粉土質、垂直節理裂隙發育，疏松、無層理，常形成陡壁，據鉆孔揭露，最大厚度達18.5米，多為濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅱ級中等～Ⅲ級自重濕陷，濕陷深度10m～15m。隧址地層結構簡單，地下水缺乏。隧道圍巖總體為ⅴ級，圍巖級別較低。

3 大斷面淺埋黃土隧道監控量測對支護各階段穩定性分析

3.1 量測的意義與目的

相關人員只有對影響地表和圍巖變形的因素進行了解，從原因出發，科學合理的改進施工參數和施工技術；實時監控圍巖的應力狀態，了解位移規律，將松弛部門進行標注，以便及時處理，相關部門還要對圍巖的穩定性做測評；掌握圍巖壓力狀態分布和支護結構的應力狀態，確定支護時間與參數，根據這些情況可以選擇最為合適的支護型式；實時預測隧道圍巖和襯砌應力的狀態，如果發現異常情況，要及時進行處理，防止事故發生。

3.2 觀測系統

這種方法現場需要1臺全站儀和安裝反射膜片的測點和基準點，采用相對坐標，基準點坐標可自行設置于般取為原點而不必測定，測站也不必對中，可以自由設站。

3.3 全站儀

全球儀要具有三同軸光學系統即，并配置紅色可見光激光指示，還要具有目標照明功能，以方便使用。測角精度應達到士1"分辨力達到0.1"，測距精度在100m以內誤差只有一毫米，分辨力達到0.1mm，防塵等級大于或者等于IPS。如果施工工期緊，可以通過提高隧道內監測作業的速度，加強觀測精度等方式提高施工速度，在此種情況下，可以應用帶ATR功能的自動觀測全站儀量機器人。如反射膜片的規格應該是70mm×70mm，不得使用尺寸小于50mm×50mm的膜片。

3.4 觀測方法

3.4.1 基準點布置

全站儀自由設站坐標系的基準點通常來說是由坐標原點，即定點和于確定橫軸方向的一點，這一點是運動的，這一點的運動方向和豎軸，橫軸方向位移方向有關，在這里需要特別注意的是測點位置，不能阻礙測點的觀測。從隧道觀測的角度出發，基準點布置的位置一般都在仰拱封閉和鋪底的兩側邊墻上，距鋪底高度1m左右，最好對通視不產生影響，在設置這兩點的時候，兩基準點連線與洞軸的關系應該加以保證。對于帶中壁的雙側壁、CRD和CD斷面，要把坐標原點置于邊墻上，橫軸方向點置于內壁或中壁上。雙側壁、CRD和CD斷面拆撐時，應及時將基準點移出。趙家山隧道采用三臺階七步開挖法，不存在此影響。

3.4.2 測點布置

上臺階位移測點宜埋設在距掌子面第2榀鋼架上（第1榀上容易被挖掘機碰掉），之后，這個斷面的各臺階位移測點都應該埋設在該榀鋼架上，要想防止施工人員在實際操作中受傷或者路過的行人受傷，那么，在埋設后，相關人員應該在此處設置醒目的提醒標志。埋設過程中，相關人員應該注意膜片與儀器光軸之間的關系，檢查規板是否對準準測站方向。

3.4.3 反射測點制作

反射測點包括基準點和測點，一般來說是由膜片、規板和埋設桿三部分組成。規板用厚度5mm矩形鋼板制作，鋼板短邊長度=膜片尺寸16mm～20mm，長邊長度=膜片尺寸+20mm。埋設桿采用15mm～20mm鋼筋，長度10cm～30cm，以膜片伸出混凝土表面15cm～20cm為宜。埋設桿焊接在規板短邊中線處。

3.4.5 測站設置

采用自由設站的儀器不需對中，相關的工作人員要注意，不固定測站和固定測站的觀測精度有所不同，固定測臺的精度高，便于測站位置固定。設置測站特別需要注意測站的位置與測點斷面兩者的關系，掌握好兩者的距離，兩者過近就會導致影響回復反射的性能變低。通常情況下，斷面和測站二者之間距離應大于25m，這時光軸與膜片的入射夾角可控制在30°以內。過遠，影響測程發揮最大作用。根據現場測試，合適的站位是：采用70mm×70mm膜片時測程應控制在30m～60m之間，采用50mm×50mm膜片時測程應控制在30m～45m之間。

3.5 位移加速度判據

隧道變形較為穩定時，位移加速度=0；隧道穩定性較差時，位移加速度a=0，但位移速度v>0時，此時應該發出警告，及時采取加強支護措施；隧道處理危險狀態時，位移加速度a>0，此時，隧道將急速失穩，必須要立即停止開挖，進行加固處理。

3.6 觀測頻率

觀測頻率的選擇與位移速率的高低、距開挖面有著密切的聯系，相關人員在選擇觀測頻率時，需要綜合考慮，調查位移速率、距開挖面距離的數據，保證兩者協調，如果兩者存在一定數值的差異，為保證施工安全，需要按照相關行業的規定，實際實行的觀測頻率選用觀測頻率較高的頻率，并且，在各臺階開挖面通過量測斷面前后要增加觀測頻率。

4 結束語

量測監控在新奧法隧道施工中扮演著重要角色。它是利用量測儀器、儀表等量測工具，通過對地表沉陷情況進行調研，整合數據，考察施工地周圍的圍巖與支護結構是否產生變化等收集數據，來判斷隧道開挖產生的影響，這些數據的存在，幫助施工員完善隧道工程設計，幫助管理層經營管理。測量監控在富水黃土隧道中的應用，取得了很大成功，為我國測量監控的發展總結了很多經驗。筆者通過多方數據比較，利用有限元模擬隧道的極限狀態，了解到黃土隧道的安全指數及變形范圍，從而，總結出了一些施工意見，能夠幫助指導施工，為工程安全提供保障。

參考文獻：

[1] 薛詡國，李術才，張慶松.隧道信息化施工地質災害預警預報技術研究[J].山東大學學報（工學）2013（6）：46～48.

[2] JTJ 042-94.公路隧道施工技術規范[S].

[3] 于書翰等.隧道施[M].北京：工人民交通出版社.