軟巖隧道監(jiān)控量測技術(shù)

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(shè)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(nèi),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(qū)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(qū),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(jù)施工實際工況對隧道凈空收斂及拱頂沉降進行持續(xù)監(jiān)測。

1.2 圍巖地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報告及鉆孔芯樣顯示,隧道區(qū)域范圍內(nèi)主要地質(zhì)為粉質(zhì)黏土、角礫巖、糜棱巖,巖性如下：

洞口段以土黃色粉質(zhì)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(zhì)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(jié)而成,巖質(zhì)軟,巖體較破碎。

古生代變質(zhì)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(zhì)組合形成。鱗片狀變晶結(jié)構(gòu),呈片狀構(gòu)造,巖質(zhì)較軟。片理傾角為45°～55°,裂隙結(jié)合一般,巖體破碎,節(jié)理裂隙較發(fā)育,呈碎裂狀散體結(jié)構(gòu)。

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

2 監(jiān)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(tài)最直接、最直觀的反映和體現(xiàn)。

對隧道進行拱頂沉降及凈空收斂監(jiān)控,根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果優(yōu)化調(diào)整初期支護的支護參數(shù)、預(yù)留沉降量,以保證現(xiàn)場施工質(zhì)量、安全。若數(shù)據(jù)變化異常,可以提前預(yù)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(jiān)測項目。

3 隧洞監(jiān)測斷面及點位的布置原則

3.1 監(jiān)測斷面的布置原則

依據(jù)設(shè)計及規(guī)范規(guī)定,Ⅴ級圍巖不宜大于30m；斷層和破碎帶每隔5～10m 設(shè)置一個監(jiān)測斷面,對于軟弱地層或地質(zhì)較差的段落,監(jiān)測斷面應(yīng)適當加密。小寨山隧道洞身段屬于Ⅴ類軟巖,圍巖穩(wěn)定性差,現(xiàn)場按整數(shù)里程間隔5m 布設(shè)一個監(jiān)測斷面,每個斷面埋設(shè)5 個監(jiān)測點（1 個拱頂沉降觀測點,4 個凈空收斂監(jiān)測點）。

3.2 監(jiān)測點位的布置原則

根據(jù)Ⅴ類軟巖的特性及斷面結(jié)構(gòu)尺寸來選擇合適的監(jiān)測點位布置位置,凈空收斂采用錨固環(huán)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(jiān)測點位布置圖

3.3 監(jiān)測點位的安裝

錨固環(huán)采用φ8 圓鋼制作,直徑5cm,將錨固環(huán)螺栓焊接在Φ16 螺紋鋼筋的一側(cè),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(lián)系牢固,能直接反應(yīng)圍巖的穩(wěn)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(jiān)測點位布置圖

4 監(jiān)測儀器及技術(shù)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(jiān)測方法及頻率

5.1 監(jiān)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(xiàn)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(jié)果：若Δh＞0,則拱頂處于受壓下沉狀態(tài)；若Δh＜0,則拱頂處于兩側(cè)擠壓上移狀態(tài)。

5.1.2 凈空收斂儀觀測法

測量前先根據(jù)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(nèi)。測量時將收斂儀一端固定在錨固環(huán)（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(huán)（C 或E）上。將螺旋千分尺旋到最大讀數(shù)位置（25mm）,并將儀器兩軸孔分別掛于事先埋設(shè)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(nèi)導(dǎo)桿上的刻度線與向套上的刻度線重合時,停止旋轉(zhuǎn)螺旋尺,立即讀數(shù)。反復(fù)3次,3 組讀數(shù)分別填入記錄表格。每條測線分別重復(fù)進行。注意對每條測線,每次量測時收斂儀都固定在同一側(cè)的測樁上。

5.2 監(jiān)測頻率

隧洞施工期收斂監(jiān)測頻次是根據(jù)位移速度和距離開挖面距離兩大因素決定,應(yīng)從附表（表1 和表2）中選擇相對較高的一個監(jiān)測頻率。根據(jù)現(xiàn)場圍巖狀態(tài),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(jiān)測（位移速度）頻次表

表2 施工期凈空收斂監(jiān)測（距開挖面距離）頻次表

當出現(xiàn)圍巖極其不穩(wěn)定,存在局部或者大范圍塌方跡象時,現(xiàn)場應(yīng)立即啟動應(yīng)急預(yù)案,加密監(jiān)測斷面并提高監(jiān)測頻率,在保證安全的情況下做到全程監(jiān)控,及時反饋圍巖穩(wěn)定性情況。

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理及分析

6.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

按照規(guī)定的監(jiān)測方法及頻率觀測完成后立即對所觀察和量測的結(jié)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(shù),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(jù)全站儀測出初始值后按規(guī)范要求監(jiān)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(shù)；

d(i-1) -上次測取讀數(shù)。

6.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場觀測完成后盡快進行數(shù)據(jù)資料整理,分析數(shù)據(jù)有效性,并得出監(jiān)測結(jié)果。計算過程應(yīng)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(jiān)控量測數(shù)據(jù)的搜集整理、計算分析與上報應(yīng)符合下列規(guī)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(wěn)定,推斷出現(xiàn)的位移最大值的時間和沉降、收斂變化速度,掌握圍巖狀態(tài)及初期支護的受力變化規(guī)律。

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

7 注意事項和預(yù)警機制

7.1 注意事項

7.1.1 監(jiān)控量測工作應(yīng)與隧道施工相結(jié)合,盡量減少現(xiàn)場施工對隧道監(jiān)測工作的影響。

7.1.2 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的整理和分析應(yīng)及時有效,并建立檢查制度,以保證起到指導(dǎo)施工的目的。

7.1.3 定期對監(jiān)測控制點進行復(fù)測,確保其可用性和數(shù)據(jù)準確性。

7.1.4 監(jiān)控量測點埋設(shè)應(yīng)穩(wěn)固,并做好標識,以免施工過程中遭到破壞。量測點的布設(shè)位置應(yīng)根據(jù)實際情況進行調(diào)整。凈空收斂、拱頂下沉觀測點應(yīng)同時對稱埋設(shè)在相同斷面里程且凈空收斂左右兩側(cè)錨固環(huán)應(yīng)處于相同高度。

7.1.5 固定專人管理監(jiān)測儀器,按規(guī)定期限進行核核,以確保測量數(shù)據(jù)的準確性。

7.1.6 監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時,及時匯報項目總工程師和安全總監(jiān),必要時加密觀測頻率。

7.1.7 根據(jù)圍巖狀態(tài)和現(xiàn)場情況,判斷是否需要增設(shè)斷面,必要時增加監(jiān)控量測斷面。

7.1.8 監(jiān)控量測工作需要圍巖、初期支護外觀觀察與儀器測量相結(jié)合,以達到監(jiān)測工作能夠指導(dǎo)現(xiàn)場施工和為設(shè)計單位提供第一手數(shù)據(jù)的目的。

7.2 預(yù)警機制

根據(jù)圍巖支護完成后變形量和變化速率雙控指標進行安全預(yù)警判斷。

監(jiān)測結(jié)果累計值達到預(yù)警狀態(tài)時,及時上報項目指揮部、設(shè)計院及建設(shè)單位,以防止緊急情況的發(fā)生。

發(fā)現(xiàn)圍巖出現(xiàn)大變形現(xiàn)象,提交預(yù)警緊急報告,對異常段落安排專人盯守,并進行加密觀測。

結(jié)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(xù)監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以確認圍巖的性質(zhì),判斷支護參數(shù)是否滿足設(shè)計及施工要求,為選擇合適的初期支護參數(shù)提供依據(jù),有效預(yù)防安全事故的發(fā)生,確保施工過程中施工安全。