大跨度長隧道監控量測及應用

張昊 中交二航局市政建設有限公司

1.工程概況

陽坡里隧道設計形式為雙洞分離式，其為大跨度長隧道，左右測設線間距為19.1～53.6m。隧道入口處地形較為陡峭，坡度約為45°，該區域基巖基本處于裸露狀態；而隧道出口處地形則相對平緩，坡度約為20°。地面絕對高程1087.48～1190.91m，相對高差35～105m，最大埋深為140m。隧道進、出口均處于一斜坡上，隧道軸線與巖層坡面斜交，邊坡切面與洞口非對稱，屬斜面斜交型，存在偏壓影響。通過對巖體基本質量指標進行修正，綜合評定隧道圍巖基本質量級別為V級和IV級。

2.監控量測的內容及目的

監控量測即指隧道施工過程中，使用各類儀表和儀器，對襯砌、支護和圍巖和受力變形以及相互間的力學關系、應力影響，進行觀察和評估，使施工方在掌子面開挖后正確了解圍巖的動態變化，從而保證隧道結構安全和施工安全，通過分析處理可及時調整爆破、初支和二次襯砌相關參數，掌握臨時支護的安拆時間及二次襯砌合理施作，從而進一步優化設計和施工方案，達到可靠、經濟、高效的目標。

3.監控量測方法

3.1 斷面及測點布置原則

（1）為了能夠及時了解隧道在開挖過程中的穩定性，通過監測不穩定的圍巖塊體，在有代表性的地段設置觀測斷面，在特殊的工程部位設置觀測斷面進行量測。

（2）拱頂下沉、隧道水平收斂、地表沉降觀測點應該盡量布設在同一斷面上，以使量測結果互相對照，互相檢驗。

（3）針對隧道進、出口淺埋段需進行量測，進行方案優化，及時反饋相關消息，指導設計施工。

3.2 量測項目選定

根據本項目隧道圍巖等級，可選擇地表沉降、周邊收斂位移和拱頂下沉為三個必測項目。根據隧道地質條件及埋深情況，本條隧道施工過程中存在偏壓影響，故增設圍巖體內位移監測。

3.3 洞口地表沉降

（1）在進行洞口地表下沉監測過程中，監控量測工作范圍橫向應擴大到隧道中線兩側（1～2）（b/2+h+h0），縱向應在掌子面前后（1～2）（h+h0），（b為隧道開挖寬度，h為隧道開挖高度，h0為隧道埋深）。每個監控量測斷面之間的距離以2～5m為宜，具體情況根據現場、周邊的施工條件和地質狀況進行適當的調整。

（2）洞口地表下沉應根據隧道的實際施工進度進行監測，應以開挖面為起點，至隧道二次襯砌全部施工完畢為終點。

當隧道地形高差變化較大時，應采用精密電子水準儀測量，其測量的最小精度應控制在±1mm，此時也可采用高精度全站儀近距量測。在地形平坦地區，其量測精度為±0.1mm。

由于本項目隧道地表高程變化較大（h≤40m），根據設計圖紙要求，應在相應位置布設地表下沉工作點并滿足水準測量的要求；其次，在可能出現破裂面以外4倍洞徑位置處埋設基準高程點，通過后續量測的結果，從而得到各觀測點的下沉量。

3.4 周邊收斂量測

對于隧道周邊位移采用收斂計觀察的方法，通過兩次測量的結果，計算其收斂差值就可以得到隧道周邊在兩次量測期間所產生的收斂值，量測時讀數精度為±0.01mm。

在現場量測過程中，采用彈簧秤、鋼絲繩、滑管在鋼尺一端施加固定的水平張力，同時通過百分表讀取本次量測的初始值；由于初始值應具有可比性的特點，其量測結果應多次測讀；當連續三次量測結果計算的誤差R≤0.18mm（R值根據收斂計不同而異）時方可進行下步施工作業。同時可以運用相同的方法量測出間隔時間t后的t時刻的值，則t時刻量測的周邊收斂值即為百分表兩次量測的讀數差。

隧道周邊收斂測點布置選擇全斷面5點式布置，形成AB測線、AC測線、BC測線、AB’測線、AC’測線、B’C’測線。如圖1所示。

3.5 拱頂下沉量測

拱頂設置測點與周邊收斂在同一斷面上。對于量測拱頂下沉時可以采用精密電子水準儀、標準鋼尺等測量設備，待觀測點埋設完成后，及時進行初始數據記錄。具體方法為，首先量測出各觀測點的初始高程值，其次在間隔時間后量測出對應點位的的當前高程值，則測量的高差△H=H0-Hn即拱頂下沉值。

3.6 圍巖體內位移

隧道軸線與巖層坡面斜交，邊坡切面與洞門非對稱，屬坡面斜交型，存在偏壓影響。同時由于隧道在偏壓淺埋段，圍巖巖體較破碎，巖質松軟，邊坡及仰坡開挖時易造成圍巖松動及偏位。為了分析隧道施工安全，掌握隧道圍巖動態變化信息，本隧道增設圍巖體內位移監控量測，采用全站儀三維坐標法觀測分布在某斷面的周邊收斂和拱頂下沉的反射棱鏡片進行量測工作。其原理為全站儀的自由設站，即通過觀測兩個以上的后視點（已知坐標及高程），反算出設站點的三維坐標，根據設站點的坐標，及觀測點的邊、角值計算觀測點的三維坐標，采用傳統振弦式多點位移計與全站儀三維坐標法分別進行洞內圍巖體內位移進行觀測，采用全站儀三維坐標法進行洞內圍巖體內位移監測方便、快捷，可以做到時時監控更為直觀的反應圍巖條件不好地段的圍巖情況。

4.量測數據分析處理

4.1 量測數據分析處理

量測數據在分析處理時，只有在量測工作全部完成后，通過大量數據進行回歸分析從而得到最終收斂值，這樣就無法滿足現場施工進度的需求。在量測的過程中必須及時收集每次量測的結果，來繪制時間-數據的變化曲線。通過繪制的圖表，可以實時了解各部位的變化趨勢，來判斷施工過程中的安全性，借此來指導現場施工。

4.2 量測數據反饋

一般情況下，圍巖失穩的表現與信息特征：圍巖不收斂或變形有加大的趨勢，噴層開裂有發展趨勢，圍巖穩定信息特征是：周邊收斂＜0.2mm/d，拱頂下沉位移＜0.15mm/d；變化趨勢逐漸平緩；相對位移值達到計算總位移80%。在實際施工中，通過對隧道進行監控量測，特別是對淺埋、偏壓段進行重點監控，收集量測數據，繪制圖表進行數據分析，指導復合襯砌設計以及施工。同時，量測數據為設計提供了準確的數據支撐，使其能夠實時了解圍巖力學形態的變化及其規律，從而判斷圍巖在施工過程中的穩定性。

5.隧道監控量測注意事項

（1）監測過程中，由于受到中隔墻的影響，其水平收斂數據會變小，且拱頂下沉大于水平收斂值。收斂值、位移值受裂隙水的影響較大，在裂隙水較大位置位移值較大，而且穩定時間較緩，在反饋結果時要注意。在淺埋、偏壓段，由于開挖后5d變形較大，因此，施工期間應遵循“短掘進、弱爆破、快支護”的原則，以此減少圍巖擾動。

圖1 全斷面周邊收斂測點布置圖

（2）為確保量測數據的準確性，監測使用的量測設備其精度應符合工程要求，且需經過檢定合格后方可投入使用。此外，還應詳細記錄各項內容，圍巖、支護數據以及天氣情況等應形成圖表，以備查閱，確保量測數據的準確性和及時性。

（3）量測數據的分析要及時、準確，保證數據真實有效，能夠為現場施工提供數據支撐。

（4）量測人員應具有豐富的施工測量經驗，能夠指導現場監控量測工作。

6.結束語

在大跨度長隧道的施工過程中，監控量測是安全施工的重要手段與組成部分，其量測結果是在施工過程中獲取到的定量數據，通過對數據的分析，了解圍巖在施工中的變化情況和對各項監控量測數據的統計分析，有利于判斷符合施工需要的支護參數，通過測量可以預見和及時發現工程中的事故及隱患，做到防患于未然。