大塢尖隧道監控量測技術及數據分析

(中南林業科技大學 湖南 長沙 410000)

目前我國在公路的隧道建設過程中，新奧地利隧道施工方法運用的越來越多。新奧法的核心思想是通過對現場的監控量測對工程實際檢驗、確認和修正，形成一個動態的施工，充分發揮圍巖的自承能力，允許圍巖產生局部應力松弛，同時允許初支結構有限制的變形[1]。監控量測是指在開挖隧道的過程中，通過各種儀器對隧道洞口地表下沉、初襯應力應變、洞內圍巖變形等進行測量的過程[2]。

一、工程概況

大塢尖隧道是S407海口至李宅線德興李宅至港首段公路改建工程的一處在建隧道，位于上饒市德興市李宅鄉，隧道全長1545m，進口樁號為K23+230，出口樁號為K24+775，屬于公路長隧道，為單洞雙線、-0.343%縱坡和雙向2%橫坡。該隧道位于構造剝蝕低山丘陵地貌區，相對高差最大270m，地形起伏較大。隧道區地層主要為奧陶系印渚埠組板巖、含鈣質結核泥板巖。K23+230～K23+280、K23+440～K23+490、K24+260～K24+300、K24+540～K24+580、K24+710～K24+775段為Ⅴ級圍巖，K23+280～K23+440、K23+490～K23+570、K23+820～K23+920、K24+180～K24+260、K24+300～K24+370、K24+480～K24+540、K24+580～K24+710段為Ⅳ級圍巖，K23+570～K23+820、K23+920～K24+180、K24+370～K24+480段為Ⅲ級圍巖，隧道洞身段強、中風化層較厚，隧道內拱頂、側壁易坍塌；隧道進出口地段地質條件差，為Ⅴ級圍巖，拱頂易坍塌，設計和施工時應采取加強措施。開挖方法為上下臺階法。

二、監控量測方案

監控量測的目的開展公路隧道工程施工監控量測，通過對洞內圍巖及隧道整體結構的受力、變形狀況的全面分析，相對準確的評定隧道施工工藝、初期及二次支護襯砌結構參數的安全性和經濟性，為后期施工優化提供指導，最終達到安全、經濟、優質的目的[3]。

三、監控量測的內容和方法

隧道監控量測分為必測項目與選測項目[4]。具體工程應根據對應隧道圍巖情況、工程大小、初期及二次支護類型和相應施工方法等進行選擇，著重加強隧道洞內圍巖位移、圍巖壓力、初期及二次支護結構內力的量測[5,6]。

1.地質和支護狀況觀察在隧道開挖工作面爆破及初期支護后立即進行，對開挖后沒有支護的圍巖、開挖后已支護段、洞外進行目測觀察。利用手繪地質素描、數碼相機將觀測到的洞內外情況和現象進行詳細記錄，過程中，如發現異常現象，要詳細記錄相關的時間、距開掌子面的距離以及掌子面相近測點的各項量測數據。

2.周邊位移及拱頂下沉周邊位移是利用精密全站儀量測圍巖表面兩點在連線方向上的相對位移變化，即收斂值。拱頂下沉是利用精密水準儀進行監測。根據圍巖的條件沿隧道斷面設置的間距為5～50m，每個斷面設周邊位移測量點和拱頂下沉測量點，觀測點布置見圖1。

隧道開挖后，凈空收斂測點布置應遵循如下原則：設計單位有指導意見的，按設計單位的指導意見考慮布置。量測間距埋設測點應根據對應隧道的圍巖條件確定，并按照相關規定量測頻率進行量測。

拱頂下沉量測的目的是了解斷面變化情況，判斷拱頂的穩定性，防止塌方。量測方法為首先在隧道的仰拱埋設水準點，按照《二等水準測量規范》聯測水準點的絕對高程。儀器架設在水準點和反光片中間適當的位置，采用自由設站高程傳遞然后使用全站儀測量水準點到測點的高差，正、倒鏡測量3個測回，每測回高差值比較不超過0.5mm，拱頂下沉量測數據結果取平均值。

圖1 拱頂下沉周邊位移斷面測點布置示意圖

3.地表下沉觀測表下沉觀測是了解大塢尖隧道開挖過程中隧道頂部地表的最大沉降值，為調整大塢尖隧道開挖速度和支護強度參數提供依據，以確保大塢尖隧道支護結構和周邊環境的安全。在隧道開挖前對每一個測點進行初測。初測時，對測點進行二次觀測(二次差值小于±用精準水準)，初始值取平均值。量測過程中讀數時嚴格控制各項限差，每個觀測點讀數誤差不宜超過0.3mm。測點布置如圖2所示。

圖2 地表沉降觀測點布置圖

四、監測數據的整理與分析

1.洞內變形量測周邊收斂和拱頂下沉量測結果如表1所示。表1的結果顯示：周邊收斂最大值小于34mm，允許值為120mm。拱頂下沉量一般情況下最大值小于30mm，允許值為120mm。大塢尖隧道圍巖趨于穩定的時間一般為36天左右，周邊收斂、拱頂沉降日變化速率一般在1.0～2.1mm/天，最大不超過3mm/天，大塢尖隧道圍巖最終均趨于穩定。

表1 大塢尖隧道圍巖周邊收斂及拱頂下沉量測結果

斷面樁號周邊收斂穩定值/mm 最大收斂速率(mm/d)拱頂下沉穩定值/mm 最大沉降速率(mm/d)趨于穩定時間/d

K23+340-25.4-2.4-24.6-2.3 33

K23+350-31.2-2.4-28.2-2.6 33

K23+360-29.6-2.6-29.3-2.9 35

K24+740-30.9-2.8-27.1-2.8 37

K24+750-33.1-2.9-29.1-2.8 37

K24+760-28.2-2.9-26.5-2.9 28

以進出口六個斷面監測結果討論大塢尖隧道圍巖的變形規律，結果如圖3～圖6所示。從圖中可以看出：大塢尖隧道周邊收斂與拱頂下沉基本同步。圍巖變形分為四個階段：第一階段加速變形階段，呈直線增長，周期為9～13d左右，該階段變形達到總量65%左右；第二階段為變形穩定階段，圍巖變形速率基本穩定，說明大塢尖隧道圍巖變形受開挖面開挖的影響顯著減小；第三階段為變形再加速階段，由于下臺階的開挖，圍巖應力釋放，使變形加速，周期為6天左右；第四階段變形再穩定階段，由于仰拱修筑，支護封閉成環，圍巖應力重分步，達到平衡狀態，圍巖達到最終穩定，可以進行二襯施工。

圖3 周邊收斂-時間曲線圖

圖4 周邊收斂速率-時間曲線圖

圖5 拱頂下沉-時間曲線圖

圖6 拱頂下沉-時間曲線圖

2.地表下沉監測在隧道進出口共設置了K23+235、K24+265四個地表下沉監控量測斷面，每個斷面按照圖2所示布置7個測點，采用精密全站儀測量大塢尖隧道進出口地表測點。

監控量測結果顯示，大塢尖隧道開挖后前六周沉降量較大，沉降量達到了總沉降的95%，第7周的大塢尖隧道地表沉降量很少，處于基本穩定狀態。每個斷面隧道中心線對應的觀測點沉降量最大，分別為16.1mm、16.2mm。K23+235、K24+265量測數據如圖7—8所示。

圖7 K23+235地表沉降曲線圖

圖8 K24+265地表沉降曲線圖

五、結論

1.監測結果表明大塢尖隧道在開挖期間圍巖進出洞口地表下沉、拱頂沉降、周邊收斂均在規范要求的范圍內，而且大塢尖隧道圍巖的變形最終都趨于穩定，說明大塢尖隧道初期支護合理，可安全進行二襯施工。

2.大塢尖隧道圍巖主要為強、中風化板巖，巖質較硬，隧道洞內圍巖變形較為緩慢，隧道洞內圍巖穩定時間在38天左右。

3.大塢尖隧道進出口地表前六周沉降速率較大，但隨著時間的推移逐漸減小，第七周地表各個觀測點沉降基本穩定，說明大塢尖隧道洞口山體穩定，可進行洞門施工。

4.大塢尖隧道同一監測斷面拱頂下沉、周邊收斂、洞內圍巖形變等監測指標隨時間的變化規律大致相同，各個指標普遍經歷了加速、穩定、再加速、再穩定等四個變化階段。