監(jiān)控量測技術(shù)在軟巖隧道施工中的應(yīng)用

程巧建

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

近年來，國內(nèi)隧道工程廣泛采用新奧法設(shè)計(jì)與施工，現(xiàn)場監(jiān)控量測已成為隧道施工中不可缺少的重要組成部分[1-3]。勤測量和動(dòng)態(tài)監(jiān)控是隧道工程的施工原則之一，以量測數(shù)據(jù)反饋?zhàn)冃魏褪芰π畔?，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工，是保證安全優(yōu)質(zhì)高效的基礎(chǔ)。科學(xué)合理的監(jiān)控量測及在此基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)分析，能直觀地判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性，更好地服務(wù)隧道施工[1]。

軟巖隧道工程圍巖穩(wěn)定性差，工程建設(shè)過程中需要引起足夠的重視。隧道圍巖不穩(wěn)定將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人員傷亡。當(dāng)隧道的初期支護(hù)措施不足以抵抗圍巖荷載時(shí)，在圍巖荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的變形，當(dāng)變形量超出預(yù)留變形量時(shí)會(huì)造成初支侵限，需要采取換拱等措施處理；當(dāng)變形量超過初期支護(hù)的變形限度時(shí)會(huì)引起隧道塌方[4-5]。

由于初支的變形量與支護(hù)措施呈負(fù)相關(guān)，因此在隧道施工過程中應(yīng)根據(jù)初支的變形量來及時(shí)調(diào)整支護(hù)措施，以達(dá)到控制初支的變形、確保隧道安全的目的，初支的變形量可通過有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)合監(jiān)控量測方法獲取。本文基于云桂鐵路那莫1 號(hào)隧道出口的施工實(shí)踐，通過介紹初支變形的監(jiān)測方法和分析變形數(shù)據(jù)，探討監(jiān)控量測在現(xiàn)場施工中的應(yīng)用。

1 監(jiān)測內(nèi)容和方法

1.1 監(jiān)控量測的內(nèi)容

隧道監(jiān)控量測的內(nèi)容包括淺埋隧道的地表沉降、洞內(nèi)的拱頂下沉、拱腳收斂和斷面變形，圍巖壓力和鋼架內(nèi)力等。本文主要針對洞內(nèi)拱頂下沉變形、拱腳收斂情況和斷面變形3 個(gè)方面，探討監(jiān)控量測在現(xiàn)場施工中的應(yīng)用。

1.2 監(jiān)控量測的方法

拱頂下沉和拱腳變形的監(jiān)控測量須預(yù)先在圍巖上埋設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，然后在監(jiān)控量測點(diǎn)上貼反光膜，最后用全站儀對反光膜中心進(jìn)行觀測來采集數(shù)據(jù)。拱頂沉降是采用全站儀測量拱頂觀測點(diǎn)的高程，通過高程計(jì)算出沉降量和累計(jì)沉降量；拱腳收斂情況的判斷是采用全站儀測量同一斷面同一臺(tái)階兩側(cè)拱腳觀測點(diǎn)標(biāo)靶中心之間的距離，通過距離的變化計(jì)算出收斂值和累計(jì)收斂值。

斷面變形測量是使用全站儀測量任意斷面初支表面任意點(diǎn)的空間坐標(biāo)，將同一斷面若干測點(diǎn)用曲線連接起來得到初支斷面圖，通過初支斷面圖與設(shè)計(jì)斷面圖比較判斷初支斷面是否侵限，不同時(shí)間的初支斷面圖疊加和比較能夠形象掌握初支的變形情況。

測點(diǎn)一般布置在拱頂和每個(gè)臺(tái)階的拱腳處，Ⅴ級圍巖每5 m 設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測斷面，Ⅳ級圍巖每10 m 設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測斷面，Ⅲ級圍巖每30 m 設(shè)置1個(gè)監(jiān)測斷面，同一監(jiān)測斷面的各測點(diǎn)應(yīng)基本對齊。云桂鐵路那莫1 號(hào)隧道圍巖等級為Ⅴ級，測點(diǎn)在斷面上的布置見圖1。

圖1 測點(diǎn)斷面布置圖Fig.1 Section layout of measuring points

在隧道開挖至監(jiān)測埋設(shè)斷面后，在斷面上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，其布設(shè)要點(diǎn)為：1）在圍巖上鉆孔；2）在孔內(nèi)埋入直徑20 mm 的螺紋鋼，外露長度為100 mm；3）用快凝水泥或錨固劑將螺紋鋼錨固在圍巖上，其埋入圍巖深度不小于20 cm；4）初支的噴射混凝土完成后，在外露的螺紋鋼上焊接1 塊邊長50 mm 的正三角形鋼板；5）在鋼板上貼1 塊帶有測點(diǎn)標(biāo)靶的反光膜。需要注意的是監(jiān)控量測點(diǎn)必須埋在圍巖里，不能直接焊在初支鋼架上，否則當(dāng)初支背后有脫空時(shí)，鋼架和圍巖的變形不一致，將導(dǎo)致監(jiān)控量測不能及時(shí)測出圍巖的變形。

確定監(jiān)測斷面和布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)后，按照表1 所示的監(jiān)測頻率開展監(jiān)測工作，其中拱頂沉降和拱腳收斂的觀測頻率根據(jù)觀測點(diǎn)的位移速率來判定。

表1 監(jiān)測頻率Table 1 Monitoring frequency

1.3 監(jiān)控量測相關(guān)工程性質(zhì)判別

圍巖承載力判別：當(dāng)拱腳測點(diǎn)發(fā)生沉降時(shí)，可以判斷拱腳的地基承載力不足，應(yīng)采取措施提高拱腳地基承載力或增加拱腳面積來降低地基的應(yīng)力[6]。

初支鋼架剛度判別：當(dāng)拱頂?shù)某两盗颗c兩側(cè)拱腳沉降量的平均值相等時(shí)，可以判斷初支鋼架沒有變形，初支剛度滿足要求。當(dāng)拱頂?shù)某两盗看笥趦蓚?cè)拱腳沉降量的平均值時(shí)，可以判斷初支剛度不滿足要求，此時(shí)應(yīng)采取措施加大初支鋼架的剛度[7-9]。

初支穩(wěn)定性判別：根據(jù)監(jiān)控量測的時(shí)態(tài)曲線判斷初支是否穩(wěn)定，當(dāng)曲線趨于水平時(shí)說明初支變形趨于穩(wěn)定隧道安全；當(dāng)曲線一直向上時(shí)說明初支變形持續(xù)增加需要采取措施使初支穩(wěn)定；當(dāng)曲線急劇向上時(shí)說明初支變形急劇增加，隧道即將發(fā)生坍塌，需要立即采取應(yīng)急措施。

2 那莫1 號(hào)隧道初支變形分析

對那莫1 號(hào)隧道進(jìn)行了FLAC3D 有限元模擬計(jì)算和隧道初支變形監(jiān)控量測，對模擬計(jì)算數(shù)值和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，確定隧道的變形規(guī)律和最大變形值，進(jìn)而確定進(jìn)行下一工序的施工時(shí)間。

2.1 隧道變形模擬計(jì)算分析

本次隧道開挖三維模擬計(jì)算巖土體本構(gòu)模型采用彈塑性模型，初襯、二襯和臨時(shí)支撐采用彈性模型；設(shè)置邊界條件時(shí)需要注意進(jìn)出洞口局部邊界不能忽略，因此邊界條件為：在整體模型左右前后邊界約束水平位移，底部約束三向位移；在洞口左右邊界和前邊界上約束水平位移。

以地面到隧道底部平均高度為依據(jù)，模型左右邊界各擴(kuò)展其高度的2 倍、前后邊界擴(kuò)展其平均高度的3 倍，以消除邊界影響。

由于現(xiàn)場條件和試驗(yàn)方法的限制，無法開展現(xiàn)場試驗(yàn)，只能參考室內(nèi)土工試驗(yàn)來評定參數(shù)，本次計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值Table 2 Recommended values of physical and mechanical indexes of each rock layer

那莫1 號(hào)隧道初值數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示，最大變形量可達(dá)到200 mm，出現(xiàn)在里程DK435+300 附近。

圖2 隧道襯砌變形云圖Fig.2 Cloud image of tunnel lining deformation

2.2 隧道變形監(jiān)控分析

基于拱頂沉降和拱腳收斂的測量結(jié)果，可以判斷初支是否穩(wěn)定；但當(dāng)拱頂沉降量較大時(shí)，則無法判斷拱頂?shù)某两凳怯捎诔踔дw下沉造成的還是初支變形造成的，無法直觀判斷支護(hù)是否合理。因此當(dāng)隧道的變形量較大時(shí)，應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果和對各臺(tái)階拱腳的測點(diǎn)增加沉降觀測的內(nèi)容，進(jìn)而通過計(jì)算結(jié)果、拱頂和拱腳沉降量的比較判斷支護(hù)合理與否。

按照規(guī)范監(jiān)測頻率對拱頂沉降和拱腳收斂進(jìn)行監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，對監(jiān)測頻率調(diào)整進(jìn)而指導(dǎo)施工。首先，記錄并處理數(shù)據(jù)得到單次測量位移量和累計(jì)位移量，以5 d 的短期測量記錄結(jié)果為例，如表3 所示：監(jiān)測里程DK435+310 監(jiān)測點(diǎn)78 號(hào)，監(jiān)測內(nèi)容為拱頂沉降，其中有2 d 的拱頂沉降速率大于5 mm/d，當(dāng)天監(jiān)測2 次進(jìn)行數(shù)據(jù)核對，分析拱頂沉降較大的原因并采取工程措施。

表3 拱頂下沉量測分析Table 3 Measurement and analysis of vault settlement

其次，對每次測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并繪制累計(jì)位移量和對應(yīng)位移速率的時(shí)態(tài)曲線，圖3為那莫1 號(hào)隧道DK435+310 斷面拱頂沉降變化曲線，該斷面2013 年5 月16 日埋設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)并觀測初始值，截止到6 月1 日最大沉降速率7 mm/d，累計(jì)沉降量44 mm，沉降量時(shí)態(tài)曲線平緩。從6 月2 日開始，沉降速率加大，沉降量時(shí)態(tài)曲線持續(xù)上揚(yáng)，初支拱頂沉降加速加大，并且沒有收斂的趨勢，最大沉降量超過110 mm，并且還在持續(xù)增加，這與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖3 DK435+310 拱頂沉降和累計(jì)沉降變化曲線Fig.3 Curves of DK435+310 vault settlement and cumulative settlement

最后，進(jìn)行初支斷面測量并及時(shí)繪制斷面圖以便對比使用，根據(jù)初支斷面圖判斷初支是否侵限。那莫1 號(hào)隧道DK435+297 初支斷面圖如圖4所示，實(shí)測斷面與設(shè)計(jì)斷面比較，該斷面所有測點(diǎn)都沒有侵限，最大預(yù)留變形量還有410 mm 位于左側(cè)拱腳處，最小預(yù)留變形量剩下3 mm 位于拱頂左側(cè)，該處即將侵限需要盡快施作二襯，否則初支繼續(xù)變形會(huì)造成侵限。

圖4 DK435+297 測量斷面圖Fig.4 Measurement section of DK435+297

從斷面圖中可以看出拱頂左側(cè)初支變形量比其他部位大，該處為初支的薄弱部位，后續(xù)施工時(shí)應(yīng)對該處加強(qiáng)措施控制初支變形。

由于鐵路對建筑限界的要求非常嚴(yán)格，任何建筑物侵入建筑限界將會(huì)影響列車運(yùn)營安全，也無法通過動(dòng)態(tài)驗(yàn)收，因此二襯施工后必須使用相同的方法測量二襯斷面，檢驗(yàn)二襯是否侵限。

2.3 預(yù)留變形量的判斷

初支的變形是不可避免的，開挖時(shí)必須擴(kuò)挖出初支的預(yù)估變形量，使初支變形穩(wěn)定后不侵入二襯。初支的預(yù)估變形量可根據(jù)數(shù)值模擬技術(shù)和相鄰已經(jīng)穩(wěn)定的初支的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)確定。

初支的累積變形量可以作為預(yù)留變形量的依據(jù)，但監(jiān)控量測點(diǎn)埋設(shè)后，由于太靠近掌子面經(jīng)常被施工機(jī)械破壞，因此一般埋點(diǎn)3 d 以后進(jìn)行首次觀測，而初支的變形量通常在施作后的前幾天比較大，因此實(shí)際變形量通常比監(jiān)控量測測得的累計(jì)變形量大得多。為了準(zhǔn)確測量初支的實(shí)際變形量，可采用斷面測量和沉降測量相結(jié)合的方法，即在初支完成后及時(shí)測出初支的斷面，首次沉降測量的同時(shí)再次測量初支斷面，通過兩次斷面圖的疊加比較可以測出首次沉降測量時(shí)初支已經(jīng)產(chǎn)生的沉降量。每次沉降測量測得的累計(jì)沉降量，再加上首次沉降測量時(shí)初支已經(jīng)產(chǎn)生的沉降量就可以得到初支的實(shí)際沉降量。

3 結(jié)語

初支變形的影響因素很多，隧道施工前可以根據(jù)有限元數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)估隧道變形量，結(jié)合施工中的監(jiān)控量測分析影響初支變形的主要原因。然后，基于初支變形的不同原因，采取有針對性的變形控制措施。

控制初支變形對軟巖隧道的施工意義重大。云桂鐵路軟巖隧道較多，施工過程中遭遇了不少挫折，在挫折中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，改進(jìn)監(jiān)控量測方法，加強(qiáng)對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，順利完成了軟巖隧道的施工任務(wù)。