隧洞工程施工監控量測管理體系研究

菊爽飛

（中鐵貴州工程有限公司，貴陽 550003）

1 工程概況

馱英水庫灌區客蘭東干渠竹琴2#隧洞長1 658.66 m。埋深9～20 m 之間、圍巖類型為Ⅴ類。洞頂地勢相對平坦，有住房、魚塘；山體基巖出露，巖體垂直裂隙較發育，圍巖情況差。軸線左側發育一較大天坑，天坑最大直徑約225 m，相對最大深度179 m：坑底高程131.3 m，渠底高程115.0 m左右，低于天坑底部約16 m，根據區域地質資料，該地區為巖溶較發育區，因此該段存在發生巖溶突水、突泥的可能。

2 監控量測的目的、意義

施工中的監控量測是施工安全的保障，在施工過程中必須按要求進行。根據隧洞的基本原理，在隧道施工中對圍巖實時監控量測其目的在于掌握圍巖的動態，對圍巖穩定性作出評價，為確定支護的型式、支護參數和支護時間提供依據。評價支護結構的合理性和安全性，為施工提供指導，以確保施工運營的安全并防止地表下沉。具有如下重要意義：

（1）在施工過程中對開挖工作面附近圍巖的巖石性質、狀態進行目測，掌握圍巖動態，以及圍巖的施工力學性能，了解支護結構在不同情況時的受力狀態和應力分布，及時改進支護，對圍巖穩定性、安全性作出評價來指導現場施工。

（2）驗證支護結構型式、支護參數的合理性，對支護結構施工方法的合理性及其安全性作出評價及建議，為確定二次支護時間提供依據。

（3）有效地避免塌方等工程事故。

3 監控量測項目選擇

（1）主要監控量測項目見表1。

（2）選測項目：圍巖壓力量測、鋼支撐內及外力測量、圍巖內部位移測量、錨桿軸力、滲水壓力、兩層支護間壓力量測、支護襯砌內應力。

項目地表沉降拱頂下沉凈空收斂錨桿抗拉拔力儀器設備高精度全站儀高精度全站儀高精度全站儀錨桿拉拔器目的了解施工過程中地表下沉情況了解施工過程中結構變位情況了解施工過程中結構變位情況檢查錨桿錨固效果布設原則洞口淺埋段沿隧洞中線每隔5～10 m布設一個測點沿隧洞拱頂每隔5～10 m布設測點與拱頂下沉點對應于邊墻上布設一對測線錨桿抗拉拔力頻率開挖初期1～2次/d,開挖后期1次/(2～3 d)開挖初期1～2次/d,開挖后期1次/(2～3d)開挖初期1～2次/d,開挖后期1次/(2～3 d)開挖初期1次/(1～2 d),開挖后期1次/(1～2周)備注在開挖前提前及時埋設測點工作面開挖后及時埋設測點工作面開挖后及時埋設測點一次支護后及時測試

3.1 地表下沉量測

淺埋隧洞開挖時必然引起地面沉陷，量測的目的是了解地面下沉范圍和數值、地面下沉隨工作面推進的規律、地面下沉穩定的時間。一般用精密水準儀量測，儀器精度要求為≤±0.1 mm，測點沿縱向（隧洞中線方向）布置：當埋深為深埋時，其間距為20～50 m；當埋深為淺埋時，為5～10 m；當埋深介于深、淺埋之間時，為10～20 m。在隧洞進出口地段及富含地下水段埋設斷面，橫向間距范圍為2～5 m，每斷面至少布置11個測點，隧洞中線附近密些，遠離中線處疏些。測點應在開挖形成下沉之前埋設，一直測到下沉穩定。為了在開始下沉前進行量測，要從工作面前方H+h 處或2D 處開始量測（H 為埋深；h 為上半斷面高度；D 為開挖寬度）。量測頻率按照開挖面距量測斷面前后距離L≤2D時，每日1～2 次；2D＜L≤5D 時，每日一次；L＞5D 時，每周一次予以控制。

3.2 拱頂下沉量測

量測目的為監視隧洞拱頂的絕對下沉量，掌握斷面的變形動態，判斷支護結構的穩定性，一般采用全站儀進行量測，精度要求≤±0.1 mm。

3.3 凈空收斂

凈空變形量測，又稱凈空位移量測、收斂量測。用收斂計測量開挖后隧道周邊輪廓向內側發生的相對位移。收斂量測已成為研究隧道施工的安全性、支護效果、支護施工時機、支護方法等的簡便而有效的基本施工管理量測方法，是圍巖監控量測的必測項目之一。測線的布置與被測斷面的形狀和尺寸、圍巖條件及開挖方式有關。當斷面較大且圍巖軟弱時，測線布置略多。

3.4 錨桿抗拔力

錨桿拉拔試驗主要以錨桿的抗拉拔力檢查錨固力，施作錨桿地段每10～30 m 或100～150 根檢查1組，每組至少做3 根錨桿拉拔試驗，采用錨桿抗拔器進行檢測。

3.5 選測項目

選測項目是對一些有特殊意義和具有代表性的區段進行補充測試，因此，每個隧道要根據其具體情況選擇合適的選測項目，一般在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖段及不良地質段設置，其主要目的：①及時掌握圍巖的力學強度，對圍巖的穩定、安全性作出評價；②了解和掌握隧道支護結構的受力狀態，驗證支護結構型式、支護參數的合理性，確定二次支護的時間；③對支護結構、施工方法的安全性作出評價及建議，以指導現場施工；④為變更設計、調整施工方法提供科學依據；⑤有效避免塌方等工程事故。

4 監控量測管理體系建立

針對隧洞工程監測的特點建立專業小組，由項目工程部派駐現場2～4 人建立監測小組，由具有豐富隧道施工經驗、監測經驗及有結構受力計算、分析能力的技術人員擔任組長，其余人員在組長指導下負責地面、地下的日常監測及資料整理[1]。

產房、保育及育肥前期是最需要保暖的地方，特別要注意豬舍溫度的穩定，不能溫差過大 （不超過5℃），造成仔豬應激，引起疾病。保育和產房要儲備一定量的電熱板和取暖燈，以防有損壞并能及時的補充上。育肥前期的豬只可鋪墊草或墊板取暖。同時，應準備額外的例如燃油暖風機等臨時加溫機器，以備臨時升溫用。

為保證量測數據的真實可靠及連續性，應制定以下各項措施：

（1）監測組與監理工程師密切配合工作，及時向監理工程師報告情況和問題，并提供切實可靠的數據記錄。

（2）制定切實可行的監測實施方案和相應的測點埋設保護措施，并將其納入工程的施工進度控制計劃中。

（3）量測項目人員要相對固定，以便保證數據資料的連續性。

（4）量測儀器采用專人使用、專人保養、專人檢校的管理方式，使用前經檢校合格后方可使用。

（5）各監測項目在監測過程中必須嚴格遵守相應的實施細則。

（6）量測數據均要經現場檢查，室內兩級復核后方可上報。

（7）量測數據的存儲、計算、管理均采用計算機系統進行。

5 監測數據分析

取得監測數據后，要及時進行整理分析，繪制位移隨時間或空間的變化曲線圖。在取得足夠數據后，還應根據散點圖的數據分布情況，選擇合適的函數，對監測結果進行回歸，以預測該測點可能出現的最終位移值及結構的安全性，評價施工方法，確定工程措施。為確保監測結果質量，加快信息反饋速度，全部監測數據均由計算機管理，并繪制測點位移時間變化曲線圖（如圖1）。

位移時間曲線的曲率趨于平緩時，應對數據進行回歸分析或其它數學方法分析，尋找一種能夠較好反映監測數據變化規律和趨勢的函數關系式，對下一階段的監測物理量進行預測，防患于未然，預測最終位移值及結構物的安全性，并據此確定工程技術措施等。因此，對每一測點的監測結果要根據管理基準和位移變化速率等綜合判斷施工和支護襯砌結構的安全狀況。根據監測數據繪制拱頂下沉、水平位移等隨時間及工作面距離變化的時態曲線，了解其變化趨勢，并對初期的時態曲線進行回歸分析，預測可能出現的最大值和變化速率。

圖1 位移～時間關系曲線

位移～時間關系曲線若如圖1（a）中出現反常，表明圍巖和支護已呈不穩定狀態，應加強支護，必要時暫停開挖并進行施工處理；若如圖1（b）中所示趨于平緩時，進行數據處理或回歸分析，從而推算最終位移值和掌握位移變化規律。回歸分析函數在下列函數中選擇：對數函數：U=a+b/lg（1+t）或U=a×lg（1+t）；指數函數：U=a×e-b/t或U=a×（1-e-b/t）；雙曲函數：U=t/a+b×t或U=a×［1-1/（1+b×t）2］。

式中：a、b 為回歸常數；t 為初讀數后的時間，d；U 為位移值，mm。

6 信息反饋及運用

6.1 信息反饋

信息反饋與修正設計是指在隧洞開挖后，根據施工信息，對施工前預設計所確定的結構型式、支護參數、預留變形量、施工工藝、施工方法以及各工序施作時間等的檢驗和修正。信息反饋與修正設計的基本要求為隧洞施工時，設計及施工必須緊密配合，共同研究，綜合分析各項施工信息，及時進行信息反饋，最終確定和修改設計方案。也是對各種信息進行綜合分析、互相印證，對設計參數修正和施工方法的改進是不可缺少的部分。監控量測信息反饋流程見圖2。

6.2 信息的運用

監控量測信息運用主要包括以下方面：

圖2 監控信息反饋流程

（1）根據一個量測斷面的施工信息綜合分析處理結果進行設計參數修正，只適用于該斷面前后不大于5 m 的同類圍巖地段。

（2）隧洞較長地段同類圍巖設計參數的修正，特別是降低設計參數，必須以不少于3 個斷面的施工信息綜合分析為依據。按修正后的設計參數進行開挖的地段，其設計參數的正確性和合理性應根據施工信息綜合分析予以驗證。

（3）信息反饋與修正設計的內容包括施工方法變更的建議；施工工序的更改；預留變形量的修改或確認；設計參數的修改或確認；采用輔助施工措施的建議等。

（4）遇到隧洞開挖后，工程地質和水文地質、圍巖類別比預計的要差；噴射混凝土層裂縫多、裂縫大或不斷發展；實測位移值超過規定的允許值或類似條件下的隧洞位移值；位移速率無明顯下降，實測位移值已接近規定的允許值，位移量可能超過預留變形量，同時一次支護混凝土表面已出現明顯裂縫；或者實測位移速度出現急劇增長時，穩定性特征出現異常狀態等情況之一時，應立即采取補強措施，改變施工方法、程序或設計參數，需要增強一次支護技術措施，必要時應立即停止開挖，進行施工處理。

（5）遇到確認圍巖類別、工程地質及水文地質條件比預計有明顯好轉或有具體工程類比；一次支護未全部完成，位移已收斂，達到施作二次襯砌的指標；經現場地質觀察評定，認為在較大范圍內圍巖穩定性較好；一次支護全部施作完畢，位移量遠小于規定允許位移值且穩定速度快等情況之一時，應改變設計參數，降低一次支護強度或技術措施。

（6）采用一次支護和二次襯砌復合式支護襯砌的隧洞工程，二次襯砌的施作應在同時達到隧洞周邊水平收斂速度小于0.2 mm/d；拱頂或底板垂直位移速度小于0.1 mm/d；隧洞周邊水平收斂速度以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降；隧洞位移相對值已達到總相對位移量的90%以上等3 項標準時進行。

（7）監測數據要及時以報表的形式上報技術、安全、施工、設計、監理及業主等部門，并編寫周、月匯總報表，及時反饋指導施工，調整施工參數，達到安全、高效施工之目的。

7 結語

隧洞工程施工監控量測是確保安全、科學施工的重要手段。隧洞工程施工主要監測項目為地表與拱頂下沉、凈空收斂、錨桿抗拉拔力等；選測項目為圍巖壓力量測、鋼支撐內及外力測量、圍巖內部位移測量、錨桿軸力、滲水壓力、兩層支護間壓力量測、支護襯砌內應力。按照圍巖等級和位移速度建立施工監控量測管理體系，為施工安全提供指導。