大跨度變截面隧道施工監測設計與信息反饋

龍秀堂 羅寧寧 申玉生

摘 要：以成蘭鐵路楊家坪隧道施工為例，提出了現場監控量測的實施方案，并對該方案的監測儀器、測點布置、施工監測及量測頻率進行了介紹，并選取典型斷面和典型測點的監測數據進行整理分析，具體分析楊家坪隧道的拱頂下沉、周邊收斂位移、圍巖接觸應力、鋼拱內力和錨桿軸力。結果表明，隧道開挖圍巖穩定性良好，并未發生失穩破壞，為后期隧道建設提供優化方案，為今后大斷面隧道的施工積累了經驗。

關鍵詞：隧道;監控量測;數據分析

中圖分類號：U456.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0093-04

Abstract： Taking Yangjiaping tunnel construction of Chengdu-Lanzhou Railway as an example， the implementation scheme of on-site monitoring and measurement was put forward， and the monitoring instruments， measuring point arrangement， construction monitoring， measuring frequency and data collection and arrangement of the scheme were introduced， and the monitoring data of typical cross section and typical measuring point were selected for sorting and analysis， and the vault subsidence， peripheral convergence displacement of Yangjiaping tunnel were specifically analyzed. The results show that the stability of the surrounding rock is good， and there is no instability damage. It provides the optimization scheme for the later tunnel construction and accumulates the experience for the construction of large section tunnel in the future.

Keywords： tunnel;monitoring measurement;data analysis

1 研究背景

在對隧道進行施工的過程中，監控量測是其中十分關鍵的一個步驟。通過監控量測可實時掌握隧道圍巖的穩定情況及變化。在施工中的監控量測不僅要能及時準確地反映出施工中出現的問題，也要對隧道施工中即將遇到的問題給以必要的信息，以便能為判斷隧道施工過程中圍巖的穩定及支護結構安全提供科學依據，確保隧道施工安全。

谷拴成等[1]以唐家塬隧道為工程背景，通過現場監測拱頂下沉、圍巖收斂、圍巖壓力、初襯與二襯接觸壓力和二襯混凝土應變，對監測數據進行整理分析后得出結論：超大斷面黃土隧道圍巖變形大致經歷了急劇變形、持續增長、緩慢增長3個階段;靳曉光等[2]以二郎山公路隧道施工過程的工程實踐為依據，利用常規圍巖變形監控量測和圍巖變形跟蹤監測系統及二次應力場測試，獲取隧道圍巖動態綜合信息;羅興虎[3]通過對陸域明挖段典型斷面監測資料進行分析，得出了基坑施工對圍護結構及周邊環境的影響形式，監測結果表明，采用信息化施工的監測手段，能夠及時解決發現的險情，確保基坑工程的安全。

但考慮到工程的特殊性和理論計算及數值模擬時一般都采用理想化假定，故實際工程現場監測數據對研究大斷面隧道圍巖壓力的真實分布情況具有重要意義，但近幾年這方面的分析并不多。本文在已有研究成果的基礎上，以成蘭鐵路楊家坪隧道施工現場監控量測為依托，選取典型斷面和典型測點對其量測數據進行分析和信息反饋，以優化設計和施工方案，為今后類似隧道工程的設計、施工和監測等提供參考。

2 工程概況

楊家坪隧道位于龍門山斷裂帶的龍門山主中央斷裂帶與龍門山后山斷裂帶之間，全長12 815 m，開挖斷面達270 m2，隧道最大埋深為735 m，結構周長為57 m，開挖寬度為20.8 m，開挖高度為16.7 m。隧道圍巖巖性以志留系中上統茂縣群絹云母千枚巖、綠泥千枚巖為主，夾炭質千枚巖、泥質灰巖，石質軟弱，隧道開挖后圍巖剝落、掉塊嚴重，整體穩定性差。受龍門山主中央斷裂帶與龍門山后山斷裂帶等區域構造的影響，構造復雜，節理發育，主要發育楊家坪背斜、楊家坪向斜。

3 隧道監控量測內容與方法

為了確保楊家坪隧道施工順利進行，并較為準確地掌握施工過程中圍巖的穩定狀態，檢測各項支護手段的效果，指導施工和變更設計，應按要求進行支護結構應力應變監測工作。隧道監控量測項目和設計方案應根據該工程地質條件和設計要求及施工規范綜合選定。隧道監控量測項目由必測項目和選測項目組成[4]。

3.1 必測項目

必測項目主要內容包括：①隧道洞內、外觀察;②周邊收斂位移;③拱頂下沉的量測[5]。現場施工必測項目及量測方法如表1所示。

3.2 選測項目

選測項目主要內容包括：①圍巖接觸應力;②鋼架內力;③錨桿軸力[6]。現場施工選測項目及量測方法內容如表2所示。

4 隧道監測實施方案

4.1 監測點布置

選取2號橫洞小里程方向DK112+950作為監測斷面。量測斷面測點的布設方式如圖1所示。具體儀器安裝數量如表3所示。

4.2 量測頻率

量測讀數的頻率按照《鐵路隧道工程施工安全技術規程》（TB 10304—2009）的要求進行，確保采集數據的可靠性、準確性和科學性[7]。量測項目的監測頻度如表4所示，按距開挖面距離確定的監控量測頻率如表5所示。

5 監測數據分析

由于施工現場環境復雜，各個監測項目的監測點經常會遭到破壞或遮擋，考慮到監測數據的完整性、連續性和準確性，選取2號橫洞小里程方向DK112+950作為監測斷面。

5.1 必測項目

5.1.1 洞內、外觀察。洞內、外觀察以目測為主，輔以量尺、放大鏡等工具和手機、照相機等設備進行。對現場巡視檢查情況采用專制巡視檢查表記錄，并及時整理，與儀器監測數據進行綜合分析。巡視檢查如發現異常和危險情況，應及時通知相關部門或單位。

5.1.2 拱頂下沉。拱頂沉降位移曲線如圖2所示。從圖2可以看出，在隧道開挖后，拱頂下沉量持續增長，直至下臺階開挖完畢后，拱頂沉降速率有減慢收斂的趨勢，此時累計沉降量已達150 mm。然而，仰拱開挖使應力平衡再次遭到破壞，隧道拱頂出現新一輪的沉降，但隨著初期支護閉合及一系列加固措施實施后，拱頂沉降量基本穩定在170 mm并逐漸收斂。

5.1.3 周邊收斂位移。周邊水平收斂曲線如圖3所示。從圖3可知，周邊位移變化與拱頂下沉變化相似，曲線整體呈“拋物線”形狀，4個監測點的收斂曲線走向基本一致，在隧道開挖期間均以較快的速率向洞內變形，并在隧道仰拱開挖后，收斂速率進一步增長。其中，右邊墻部位中下臺階交接處的S2-1點收斂速率較大，說明該部位圍巖破壞變形較為嚴重。為抑制圍巖進一步向洞內變形，及時采用了加固措施，抑制了圍巖的進一步變形并逐漸收斂，右邊墻點S1-1和點S2-1的最終累計收斂值分別為170 mm和250 mm，左邊墻點S1-2和點S2-2最終累計收斂值分別為150 mm和190 mm，累計變形量均在安全范圍內。此時隧道圍巖變形已經基本趨于穩定，應及時施加二次襯砌[8]。

5.2 選測項目

5.2.1 圍巖接觸應力監測分析。圍巖接觸應力時程曲線如圖4所示。從圖4可以看出，圍巖變形后作用在初期支護上的力持續時間長，右邊墻處圍巖壓力增長最為顯著，最大圍壓壓力達到0.3 MPa;最小圍壓壓力位于左拱肩，其值為0.045 MPa。這說明隧道邊墻產生了較大的變形破壞，這與隧道所處地區水平構造應力大的特征基本相符。同時，該測段為高度發育的節理化軟巖，具有明顯的各向異性，隨著圍巖逐漸被破壞，其應力進行了多次重新分布。

5.2.2 鋼拱內力監測分析。鋼拱架（內側）內力時程曲線和鋼拱架（外側）內力時程曲線如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出，鋼拱架全部承受壓應力，應力分布極不均勻，在前期受力變化很大，說明鋼拱架的存在約束了圍巖的松弛和塑性區的擴大，在后期呈收斂趨勢，說明鋼拱架的設計荷載能滿足要求。鋼拱架內、外側峰值內力均位于右邊墻，分別為-28kN和-41kN。鋼拱架內、外側內力最小值均位于左邊墻，分別為-12kN和-10kN。右側受力相對大些，也符合該隧道右側圍巖較破碎的特點。

5.2.3 錨桿軸力監測分析。錨桿軸力內、外時程曲線如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可以看出，隧道錨桿內、外側鋼筋計均受拉，說明圍巖能將應力傳遞至錨桿達到控制圍巖變形的作用。錨桿軸力時程曲線經過急劇變形、持續增長、緩慢增長三個階段后逐漸趨于收斂。從變化曲線圖中還可以看出，錨桿內側軸力峰值為50 kN，位于拱頂，外側軸力峰值為42 kN，位于右邊墻。分析錨桿軸力數據可知，錨桿軸力遠小于設計值，表明錨桿有較大的安全系數。

6 結語

通過對隧道開挖過程進行監測，并選取典型斷面和典型測點的監測數據進行整理分析，得出隧道開挖過程中拱頂下沉、周邊收斂位移、仰拱隆起、圍巖接觸應力、錨桿軸力和鋼拱內力的變化規律，結論如下。

①從拱頂下沉監測數據分析可知，在下臺階、仰拱開挖期間拱頂下沉量較大，但處于合理變化范圍內[9]。本工程隧道拱頂沉降量基本穩定在170 mm并逐漸收斂。

②右邊墻點S1-1和點S2-1的最終累計收斂值分別為170 mm和250 mm，左邊墻點S1-2和點S2-2最終累計收斂值分別為150 mm和190 mm，累計變形量均在安全范圍內。S2-1點收斂速率較大，說明該部位圍巖破壞變形較為嚴重，應及時施加加固措施。

③圍巖接觸應力最大值達到0.3 MPa，位于右邊墻;最小圍壓壓力位于左拱肩，其值為0.045 MPa。在測試兩個月之后，圍巖接觸壓力值基本收斂，未出現時程曲線發散的情況，圍巖穩定。同時，右拱腰的圍巖接觸壓力值較大，表明該監測斷面存在一定程度的偏壓。

④鋼拱架內、外側峰值內力均位于右邊墻，分別為-28 kN和-41 kN。鋼拱架內、外側峰值內力最小值均位于左邊墻，分別為-12 kN和-10 kN。右側受力相對大些，也比較符合該隧道右側圍巖較破碎的特點。

⑤錨桿內側軸力峰值為50 kN，位于拱頂;外側軸力峰值為42 kN，位于右邊墻。錨桿軸力遠小于設計值，表明錨桿有較大的安全系數。

楊家坪隧道現場監控量測的數據分析表明，該隧道開挖圍巖穩定性良好，并未發生失穩破壞，監控量測資料也從側面反映了施工的實際情況，是施工中不可或缺的部分。監控量測工作是隧道安全施工的必要條件，對隧道的開挖施工、初期支護、二襯的合理步距具有指導性意義。監控量測工作貫穿于整個隧道施工的全過程，直至隧道運營[10]。

參考文獻：

[1]谷拴成，周云鵬.超大斷面黃土公路隧道監控量測與分析[J].施工技術，2014（18）：82-86.

[2]靳曉光，王蘭生，衛宏.公路隧道圍巖變形監測及其應用[J].中國地質災害與防治學報，2000（1）：19-23.

[3]羅興虎.港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道信息化監測分析[J].鐵道建筑，2015（5）：86-88.

[4]張奇.監控量測在崤山長大隧道施工中的應用[J].冶金叢刊，2017（4）：60，69.

[5]黃永清.現場監控量測在公路隧道施工中的應用[J].交通科技與經濟，2010（2）：67-69.

[6]陳忠球.監控量測在石鼓特長隧道施工中的應用[J].公路交通技術，2011（1）：115-117.

[7]中華人民共和國鐵道部.鐵路隧道工程施工安全技術規程：TB 10304—2009[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[8]賀云.公路隧道監控量測及圍巖穩定性分析[J].華東公路，2018（2）：32-35.

[9]王建宇.隧道工程監測和信息化設計原理[M].北京：中國鐵道出版社，1990.

[10]郝哲，趙春艷，胡鐵明，等.公路隧道施工中的測試與監控技術[J].沈陽大學學報（自然科學版），2004（6）：47-51.