監控量測技術在瑯口隧道中的應用

吳圣增

(沙縣農村公路管理站，三明 365050)

1 隧道監控量測技術概述

1.1 監控量測技術內涵

為滿足國民經濟的全面發展，同時兼顧我國地形地貌復雜多變的基本情況，在公路鐵路修建中大量采用隧道結構已逐漸趨于常態。不同于其他常規工程建(構)筑物，埋深于隱蔽巖土層中的隧道施工， 往往面臨著諸多未知的風險[1-2]。 為此，利用現場監控量測技術獲得實時地層及支護結構數據以反饋現場施工的新奧法已成為隧道工程施工中的核心方法[3]。 國內外有關于隧道監控量測技術的研究一直伴隨著新奧法理念而發展，其中以壓力盒、位移計及應變片等布置在隧道結構用于監控量測的接觸式方法最早[4]；隨后發展了以激光測距為代表的非接觸式監測技術，國外學者R Lindenbergh 和G Walton 等利用激光掃描技術開展隧道斷面變形的量測工作[5-6]；隨著監控量測技術發展至今，逐漸形成了一套綜合多種已有量測設備的監控系統，用于開展隧道施工現場的監控量測工作，朱合華等[7]石碧波[8]研發了用于隧道施工全過程跟蹤的量測系統。

1.2 監控量測目的

鑒于隧道工程因其特殊的隱蔽性給工程掘進帶來的諸多挑戰， 因此， 要求隧道掘進過程中遇到包括斷層、涌水等在內的不良地質及通道交叉、斷面變化等特殊結構設置地段等情況時， 在相應區域內設置系統全面的監測斷面，以達到準確預判隱患事件，保障人員和結構的安全性；動態調整施工方案，保障施工的順利進行；對原設計方案進行科學研判，為今后同類似項目提供借鑒和參考等3 方面的目的。

1.3 項目內容

隧道現場監控量測方案往往需要根據隧道圍巖條件、開挖方法以及襯砌形式等方面進行確定，主要有以下內容。

(1)視覺觀察

監測人員通過肉眼對施工影響區域范圍進行初步監控量測，隧道內的掌子面和初期支護為重點區域，隧道每進尺后都需對掌子面變化情況進行觀測， 并通過地質素描和文字表述相結合的方法進行記錄。

(2)洞身水平收斂和拱頂沉降量測

水平收斂和拱頂沉降的現場量測應緊跟施工工序進行，隧道掘進后24 h 內最佳。 全斷面掘進時，應保持至少一條水平收斂測線和兩條拱頂沉降測線；臺階法掘進時，保證每個臺階進尺結束后至少布置有一條水平收斂測線和兩條拱頂沉降測線。

(3)地表沉降量測

相較于洞身水平收斂和拱頂沉降的量測的滯后性，地表沉降量測能體現隧道掘進過程的實時性， 即地表變形隨掌子面推進的變化情況。因此，要求地表沉降量測斷面與水平收斂、拱頂沉降量測斷面保持一致，且量測范圍應覆蓋兩側拱腳45°線范圍。

(4)支護結構內力量測

支護結構內力量測主要在于圍巖壓力和初期支護結構兩部分， 其中圍巖壓力通過在初期支護外表面布置壓力盒進行量測， 鋼拱應力通過焊接在內翼緣的鋼筋計測得，混凝土應力采用埋入應變計進行量測。

1.4 監控量測數據處理與分析

(1) 誤差處理

由于隧道工程現場環境復雜、 施工人員水平差異及監測設備精度不一等問題， 致使量測數據出現難以預料的誤差， 而將統計學相關理論方法運用到原始數據的篩查、處理和分析，可以及時準確對隧道結構穩定性進行判斷，從而保證施工安全，為評價和修改隧道支護參數，確定施工工序等提供依據。

(2)回歸分析

受上述各類數據誤差分析，受儀器系統誤差、儀器隨機誤差以及人員測量誤差等因素的影響， 致使量測所得數據出現一定程度的離散特征。而在隧道監控量測中，各項監測數值均與作業時間緊密相關， 若直接使用未經處理的離散型原始數據， 極容易導致各項監測數據失去規律性，不便于反映對應監測項目隨時間的變化規律，難以指導現場施工。

此時， 可采用回歸分析的數學理論對原始數據進行處理， 即選取一與實測數據變化趨勢吻合且數值誤差在允許范圍內的函數曲線，對原始數據進行擬合。

選擇函數方程對原始監測數據進行擬合時，需從曲線變化趨勢和數值準確度兩方面進行考量，因而引入殘差平方和C 的概念用于判斷擬合曲線的匹配程度：

式中，C 為殘差平方和；yi為實測數據；yi′為擬合曲線對應值。

通過對殘差平方和C 求極值， 可獲得保證回歸方程殘差平方和C 最小的系數解：

式中，a，b 分別為擬合函數中的兩個系數。

從中解出系數后，得到擬合后的回歸方程：

引入相關系數R 用于判斷擬合曲線的數值的關聯程度：

式中，R 為相關系數； 為實測數據算術平均值。 當R越接近1，回歸曲線擬合效果越好。

2 施工監控量測技術在隧道施工中的應用

2.1 工程概況

擬建隧道位于福建快速通道改線工程沙縣段， 隧道全長2530 km，最大埋深358.5 m，洞室凈空10.25×5.0 m，全線四車道設計，洞身輪廓采用單心圓，且洞身線型整體為緩和曲線，主洞襯砌結構設計如圖1 所示。

圖1 S5a 型復合襯砌設計圖

2.2 隧道監測數據分析

收集現場監控量測數據后， 利用數理統計方法繪制數據時程散點圖，對數據進行誤差分析處理，并利用上述回歸數學方法對數據進行分析。 得到回歸曲線后，作出位移時程曲線圖， 根據所得曲線變化趨勢可判斷當前施工的安全性，具體來說：

(1)當位移時程曲線出現多處波峰波谷時，說明圍巖變形變化波動大，隧道圍巖和支護結構已趨于失穩狀態，此時應密切關注隧道變形情況，隨時做好應急措施。

(2)當位移時程曲線起伏不大時，說明隧道圍巖變形趨于穩定，可認為此數據為最終累計變形值。

(3)參照相關規范中的有關于隧道變形的限值要求(表1)，若隧道最終累計變形值小于表中各限值，可認為隧道圍巖在此階段已趨于穩定，但需要注意的是，若最終累計變形值不斷趨近表中允許值時，盡管數值小于允許值，現場也應采取臨時補強措施，以防止情況進一步惡化。

表1 隧道周邊允許相對位移值(%)

2.3 隧道監控量測應用

2018 年4 月2 日，瑯口隧道進口右洞YK7+470 段洞口淺埋段的地表出現裂縫，現場如圖2 所示。

圖2 隧道洞口淺埋段地表開裂

針對地表開裂現象，現場立即加強了對YK7+470 段地表的監控量測工作。 具體布置方案為：洞口淺埋段設置10 個監測樁號，采用水平儀及水平尺進行量測，當開挖面距量測斷面＜2B 時，量測頻率1～2 次/d；開挖面距量測斷面＜5B 時，量測頻率1 次/2d；開挖面距量測斷面＞5B 時，量測頻率1 次/周。 監測結果見2。

表2 洞口淺埋段10 個監測點監測結果

從監測結果可知，從2018 年4 月2-5 日，監測段的地表累計沉降量不斷增大，DBZ-1～DBZ-4 4 個地表監測點累計沉降值分別為54 mm、63 mm、56 mm、54 mm，已超過預警值。 同時，全部10 個監測點的沉降變化速率均遠超過1 mm/d，最大為10.34 mm/d，最小為5 mm/d，沉降變化速率均已達到預警值。

考慮到該段地表沉降累計變化值部分已達到預警值，同時初期支護及地表已出現裂縫特征，經分析，判斷是由于施工擾動過大和初支受力調整變形所致， 由于地表為淺埋段土層，內部受力結構、受力方向不可預知，因此圍巖變形過大地段極易發生滑塌、冒頂等事故，建議停止施工，及時對YK7+470 段地表淺埋段的初期支護采取加固措施，防止繼續沉降導致局部滑塌、冒頂等突發的安全事故。 同時，需繼續對本段實施跟蹤監測及現場巡視檢查工作，并及時與相關單位溝通，嚴防事故發生。

3 結語

為充分利用圍巖自身可控變形實現隧道結構的穩定， 作為新奧法施工技術重要實現手段之一的監控量測技術，已成為目前隧道施工過程中必不可少的一環。 通過在地質條件復雜的福建瑯口隧道中應用該技術， 準確定位了施工過程中的風險部位， 以此對施工方案進行相應動態調整，從而及時有效規避施工過程中的風險，保證工程的順利進行，取得了滿意的效果。