軟巖隧道監控量測技術

李娜

（中鐵十四局集團第四工程有限公司,山東 濟南 250000）

1 工程概況

1.1 設計概況

小寨山隧道位于云南省臨滄市耿馬傣族佤族自治縣境內,左線全長3124m,最大埋深約557m；右線全長3101m,最大埋深約504m。隧道左右洞均為下坡,坡率-2.5%,隧道建筑限界為8m×5m。

隧道區地表高程介于940～1514m 之間,相對高差574m,屬深切割高中山地貌區,地形坡度介于10°～35°之間,地形起伏較大。

為確保隧道施工安全,根據施工實際工況對隧道凈空收斂及拱頂沉降進行持續監測。

1.2 圍巖地質情況

根據地質勘察報告及鉆孔芯樣顯示,隧道區域范圍內主要地質為粉質黏土、角礫巖、糜棱巖,巖性如下：

洞口段以土黃色粉質黏土為主：棕黃色、灰褐色,硬塑狀,略顯濕潤,含砂礫及白色小粒徑碎石。切面比較光滑,韌性較差,干強度一般。

洞身段斷層角礫巖、古生代變質地層片巖為主：

斷層角礫巖：呈灰褐色、灰色,主要以片巖、白云巖角礫在斷層擠壓下破碎后 在膠結而成,巖質軟,巖體較破碎。

古生代變質地層片巖：灰白、灰黑色,強風化～中風化,主要由長石、云母及石英等礦物質組合形成。鱗片狀變晶結構,呈片狀構造,巖質較軟。片理傾角為45°～55°,裂隙結合一般,巖體破碎,節理裂隙較發育,呈碎裂狀散體結構。

洞身巖體自穩能力較差,易產生塑性變形,開挖過程中易發生掉塊,存在裂隙水的情況下極易發生滑坍,施工過程中要加強監測頻率,實時了解圍巖穩定性情況。

2 監測項目

隧道在進行開挖及支護施工完成后,拱頂量測點位的沉降和拱腳的收斂變化是圍巖受力形態最直接、最直觀的反映和體現。

對隧道進行拱頂沉降及凈空收斂監控,根據監控量測結果優化調整初期支護的支護參數、預留沉降量,以保證現場施工質量、安全。若數據變化異常,可以提前預警安全事故,以便及時撤離人員,采取有效加強措施,防范于未然。所以拱頂沉降和凈空收斂作為本隧道的主要監測項目。

3 隧洞監測斷面及點位的布置原則

3.1 監測斷面的布置原則

依據設計及規范規定,Ⅴ級圍巖不宜大于30m；斷層和破碎帶每隔5～10m 設置一個監測斷面,對于軟弱地層或地質較差的段落,監測斷面應適當加密。小寨山隧道洞身段屬于Ⅴ類軟巖,圍巖穩定性差,現場按整數里程間隔5m 布設一個監測斷面,每個斷面埋設5 個監測點（1 個拱頂沉降觀測點,4 個凈空收斂監測點）。

3.2 監測點位的布置原則

根據Ⅴ類軟巖的特性及斷面結構尺寸來選擇合適的監測點位布置位置,凈空收斂采用錨固環形式,拱頂沉降采用反射片形式布置在拱頂位置,點位布置如圖1 所示。

圖1 監測點位布置圖

3.3 監測點位的安裝

錨固環采用φ8 圓鋼制作,直徑5cm,將錨固環螺栓焊接在Φ16 螺紋鋼筋的一側,再將鋼筋用錨固劑或水泥砂漿固定于各測點的鉆孔中,確保鋼筋與圍巖聯系牢固,能直接反應圍巖的穩定性,反射片形式是貼在焊好的鋼板（帶40～50cm 鋼筋）上,再用上述方法固定在各測點的鉆孔中。兩種點位安裝型式如圖2 所示。

圖2 監測點位布置圖

4 監測儀器及技術指標

萊卡全站儀（1"級）1 臺,精度可到0.1mm,要求無棱鏡測距、自動測量功能；收斂尺2 套,精度±0.01mm,鋼卷尺范圍20m,鋼尺張力10Kgf。

5 監測方法及頻率

5.1 監測方法

5.1.1 拱頂沉降全站儀觀測法

利用全站儀對拱頂下沉進行量測。測量時讀取反射片十字中心高程,通過現有高程點高程計算出反射片高程。觀測點前后兩次的高程差即測點的變化值。若第一次高程為G1,第二次高程為G2。

則測點位置下沉值Δh=G1-G2

計算結果：若Δh＞0,則拱頂處于受壓下沉狀態；若Δh＜0,則拱頂處于兩側擠壓上移狀態。

5.1.2 凈空收斂儀觀測法

測量前先根據兩測點的距離（BC 或DE）,將鋼尺固定在所需長度上,將定位孔固定在定位銷內。測量時將收斂儀一端固定在錨固環（B 或E 位置）上,拉出收斂儀上的鋼卷尺,另一端固定在同高度錨固環（C 或E）上。將螺旋千分尺旋到最大讀數位置（25mm）,并將儀器兩軸孔分別掛于事先埋設好的圓柱測點上,一手托住儀器另一只手緩慢旋進螺旋千分尺,當內導桿上的刻度線與向套上的刻度線重合時,停止旋轉螺旋尺,立即讀數。反復3次,3 組讀數分別填入記錄表格。每條測線分別重復進行。注意對每條測線,每次量測時收斂儀都固定在同一側的測樁上。

5.2 監測頻率

隧洞施工期收斂監測頻次是根據位移速度和距離開挖面距離兩大因素決定,應從附表（表1 和表2）中選擇相對較高的一個監測頻率。根據現場圍巖狀態,拱頂沉降與凈空水平收斂量測采用相同頻率。

表1 施工期凈空收斂監測（位移速度）頻次表

表2 施工期凈空收斂監測（距開挖面距離）頻次表

當出現圍巖極其不穩定,存在局部或者大范圍塌方跡象時,現場應立即啟動應急預案,加密監測斷面并提高監測頻率,在保證安全的情況下做到全程監控,及時反饋圍巖穩定性情況。

6 監測數據的采集、處理及分析

6.1 監測數據采集

按照規定的監測方法及頻率觀測完成后立即對所觀察和量測的結果進行有效性計算、整理,測量人、記錄人、日期簽署齊全,錄入計算機。

凈空收斂：每條測線每次測取三組讀數,讀取間隔2～3 分鐘,計算平均值作為本次的凈空值。

拱頂下沉：根據全站儀測出初始值后按規范要求監測頻率采集高程值,計算每次的高程值與初始值的高差。

6.2 計算變化值

凈空收斂：本次測得的凈空值與上次測得凈空值之差,即凈空收斂值。

拱頂下沉：每次測得的高差值與上次測得高差值的差,得到兩次高差值的變化,即拱頂下沉值。

凈空收斂值、拱頂下沉值按下式計算:

Δd=d(i)-d(i-1)

式中：Δd-變化值；

d(i) -本次測取讀數；

d(i-1) -上次測取讀數。

6.3 監測數據分析

現場觀測完成后盡快進行數據資料整理,分析數據有效性,并得出監測結果。計算過程應用計算機編程完成,并自動生成拱頂沉降曲線和凈空收斂曲線圖。

沉降及收斂曲線如圖3 所示。

圖3 拱頂沉降和凈空收斂曲線變化圖

監控量測數據的搜集整理、計算分析與上報應符合下列規定：

（1）當時間-位移曲線趨于平緩時,可以得出斷面凈空收斂和拱頂沉降速率趨于穩定,推斷出現的位移最大值的時間和沉降、收斂變化速度,掌握圍巖狀態及初期支護的受力變化規律。

（2）當時間-位移曲線出現較大變動時,可以推斷出圍巖和支護處于不穩定狀態,此時需要加強監測頻率,分析是否會出現局部坍塌情況,必要時暫停開挖。并及時對不穩定部位、段落采取加固措施。

7 注意事項和預警機制

7.1 注意事項

7.1.1 監控量測工作應與隧道施工相結合,盡量減少現場施工對隧道監測工作的影響。

7.1.2 監控量測數據的整理和分析應及時有效,并建立檢查制度,以保證起到指導施工的目的。

7.1.3 定期對監測控制點進行復測,確保其可用性和數據準確性。

7.1.4 監控量測點埋設應穩固,并做好標識,以免施工過程中遭到破壞。量測點的布設位置應根據實際情況進行調整。凈空收斂、拱頂下沉觀測點應同時對稱埋設在相同斷面里程且凈空收斂左右兩側錨固環應處于相同高度。

7.1.5 固定專人管理監測儀器,按規定期限進行核核,以確保測量數據的準確性。

7.1.6 監測數據出現異常時,及時匯報項目總工程師和安全總監,必要時加密觀測頻率。

7.1.7 根據圍巖狀態和現場情況,判斷是否需要增設斷面,必要時增加監控量測斷面。

7.1.8 監控量測工作需要圍巖、初期支護外觀觀察與儀器測量相結合,以達到監測工作能夠指導現場施工和為設計單位提供第一手數據的目的。

7.2 預警機制

根據圍巖支護完成后變形量和變化速率雙控指標進行安全預警判斷。

監測結果累計值達到預警狀態時,及時上報項目指揮部、設計院及建設單位,以防止緊急情況的發生。

發現圍巖出現大變形現象,提交預警緊急報告,對異常段落安排專人盯守,并進行加密觀測。

結束語

云南臨清高速公路小寨山隧道的拱頂沉降及凈空收斂進行持續監測,根據監測結果可以確認圍巖的性質,判斷支護參數是否滿足設計及施工要求,為選擇合適的初期支護參數提供依據,有效預防安全事故的發生,確保施工過程中施工安全。