隧道監(jiān)控量測(cè)分析應(yīng)用

韋觀長（中電建路橋集團(tuán)有限公司，福建福州350000）

隧道監(jiān)控量測(cè)分析應(yīng)用

韋觀長（中電建路橋集團(tuán)有限公司，福建福州350000）

在隧道施工中對(duì)圍巖與支護(hù)狀況進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)是新奧法施工的重要環(huán)節(jié)。全面、系統(tǒng)的監(jiān)控量測(cè)，實(shí)時(shí)掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖過程中的變形及受力狀態(tài)，不僅可以最大程度減少塌方事故，也可以為評(píng)價(jià)和修改支護(hù)參數(shù)以及二次襯砌施作時(shí)間提供信息依據(jù)。

隧道施工；監(jiān)控量測(cè)；受力狀態(tài)；信息依據(jù)

1 概述

1.1 隧道施工概述

新奧法根據(jù)彈性理論，以巖石力學(xué)為基礎(chǔ)，提出支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，開挖后采用柔性支護(hù)，運(yùn)用各種手段（短進(jìn)尺、弱爆破、早封閉、勤量測(cè)）控制圍巖變形，依靠現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)來指導(dǎo)隧道的設(shè)計(jì)和施工。

快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和信息反饋是應(yīng)用新奧法施工的關(guān)鍵。隧道監(jiān)控的作用有以下幾點(diǎn)：

（1）通過施工和環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行信息反饋，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保隧道施工的安全與質(zhì)量和工程項(xiàng)目的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

（2）通過對(duì)拱頂下沉、淺埋段地表下沉和洞周凈空收斂進(jìn)行量測(cè)，對(duì)隧道支護(hù)的穩(wěn)定性做出綜合評(píng)價(jià)，并可確定合理的二次襯砌澆筑時(shí)間。

（3）可為評(píng)價(jià)和修改設(shè)計(jì)參數(shù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)將量測(cè)等到的結(jié)果迅速反饋到設(shè)計(jì)施工中去，以提高隧道施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

1.2 檢測(cè)目的

為保證公路隧道施工質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的缺陷，盡早進(jìn)行缺陷處理。了解隧道襯砌的潛在隱患，作為隧道竣工驗(yàn)收、以及隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和病害整治設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

2 監(jiān)控量測(cè)方法和手段

根據(jù)大夫嶺隧道的地質(zhì)特點(diǎn)，綜合考慮《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF60-2009）及設(shè)計(jì)文件的要求，并結(jié)合山嶺隧道特別是淺埋、大跨、小間距、斷層與侵入巖脈共生等復(fù)雜條件下的施工經(jīng)驗(yàn)，擬對(duì)大夫嶺隧道的監(jiān)控量測(cè)工作分為必測(cè)項(xiàng)目四項(xiàng)分別為：

（1）洞內(nèi)外觀察；

（2）拱頂下沉量測(cè)；

（3）周邊收斂量測(cè)；

（4）淺埋段地表下沉量測(cè)。

2.1 洞內(nèi)外觀察

通過觀察揭露的隧道掌子面地質(zhì)情況，掌握隧道實(shí)際圍巖狀況，分析隧道掌子面的穩(wěn)定狀態(tài)，并提出必要的預(yù)警；通過觀察隧道洞內(nèi)初期支護(hù)的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異?，F(xiàn)象并進(jìn)行跟蹤觀察，評(píng)價(jià)初期支護(hù)的穩(wěn)定性。

洞外觀察包括洞口地表沉陷情況、邊仰坡及地表建筑物的穩(wěn)定、地表水滲透的觀察。

2.2 洞周收斂量測(cè)

在避免爆破作業(yè)破壞的前提下，各測(cè)點(diǎn)盡可能靠近工作面埋設(shè)，一般為0.5～2m，并在下一次爆破循環(huán)前獲得初始讀數(shù)。初讀數(shù)在開始后12h內(nèi)讀取，最遲不超過24h，而且在下一循環(huán)開挖前，完成初期變形值的讀數(shù)。

采用鋼尺收斂計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每次讀數(shù)2次，兩次之間差值應(yīng)不大于0.02mm，否則應(yīng)重現(xiàn)進(jìn)行測(cè)讀。

2.3 拱頂下沉量測(cè)

在每個(gè)量測(cè)斷面的拱頂中心及兩側(cè)埋設(shè)收斂預(yù)埋鉤，埋設(shè)方式及斷面位置同周邊收斂量測(cè)。采用精密水準(zhǔn)儀配合鋼尺收斂計(jì)采集數(shù)據(jù)。

2.4 淺埋段地表沉降量測(cè)

用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)觀測(cè)，觀測(cè)堅(jiān)持四固定原則，即：施測(cè)人員固定，測(cè)站位置固定，測(cè)量延續(xù)時(shí)間固定，施測(cè)順序固定，且應(yīng)每隔30d用精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法進(jìn)行基點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)的聯(lián)測(cè)，其誤差不得超過（n為測(cè)站數(shù)）。

3 監(jiān)測(cè)斷面布置及觀測(cè)頻率

3.1 地質(zhì)及支護(hù)狀況觀察描述

地質(zhì)及支護(hù)觀察分掌子面觀察和已施工區(qū)段觀察兩部分。掌子面觀察應(yīng)在每循環(huán)開挖后進(jìn)行1次。對(duì)施工區(qū)段每天至少進(jìn)行1次觀察，觀察內(nèi)容包括噴射混凝土、錨桿、鋼架的狀況，以及施工質(zhì)量。

3.2 拱頂下沉與周邊收斂量測(cè)

拱頂下沉與周邊收斂觀測(cè)在同一個(gè)斷面內(nèi)進(jìn)行。結(jié)合大夫嶺隧道的工程特點(diǎn)，按表1所示的監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保為動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)及信息化施工提供及時(shí)的監(jiān)測(cè)信息。不同開挖工法下的測(cè)線測(cè)點(diǎn)布置圖見圖1。

表1 拱頂下沉與周邊收斂監(jiān)測(cè)頻率

圖1 拱頂下沉及洞周收斂測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.3 淺埋地表下沉量測(cè)

地表下沉量測(cè)在隧道淺埋處進(jìn)行。量測(cè)點(diǎn)的布置與拱頂下沉及周邊收斂的測(cè)點(diǎn)在同一斷面上。量測(cè)線在開挖面前方h+B/2（h為隧道開挖面的埋深，B隧道開挖寬度，針對(duì)大夫嶺隧道按5m計(jì)）處開始，直至開挖面后方約50m。測(cè)點(diǎn)布置示意圖見圖2。

3.4 非接觸量測(cè)

3.4.1 概 述

圖2 地表下沉測(cè)點(diǎn)布置示意圖

為滿足現(xiàn)代隧道快速、大跨、安全施工需求，現(xiàn)已越來越多地采用非接觸監(jiān)控量測(cè)。又叫全站儀三維非接觸量測(cè)?？捎糜谒淼拦绊斚鲁亮繙y(cè)、隧道凈空變化量測(cè)、隧道斷面檢查、掘進(jìn)掌子面斷面放樣等。

3.4.2 非接觸量測(cè)的工作原理

所謂非接觸監(jiān)控量測(cè)就是將全站儀安置在任意測(cè)站點(diǎn)，整平后，觀測(cè)已知點(diǎn)的方向、距離和高程，通過反算，得出該測(cè)站點(diǎn)儀器中心的坐標(biāo)和標(biāo)高；然后觀測(cè)被測(cè)點(diǎn)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的方向、距離計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而得出測(cè)點(diǎn)的三維位移矢量或測(cè)點(diǎn)相對(duì)收斂值，準(zhǔn)確、快速地為施工提供參考數(shù)據(jù)。3.4.3 非接觸量測(cè)的實(shí)施

（1）埋設(shè)測(cè)點(diǎn)

測(cè)點(diǎn)的布置按相關(guān)要求進(jìn)行，拱頂下沉、凈空變化量測(cè)的埋點(diǎn)時(shí)間要基本一致。埋點(diǎn)前，應(yīng)先制作反射靶標(biāo)，用3mm左右厚度的鐵片制作成70mm×70mm大小的方塊，表面上貼上60mm×60mm的測(cè)量專用反光片，中間鉆直徑為3mm的小孔；埋點(diǎn)直接用膨脹螺栓將反射靶標(biāo)錨固在初期支護(hù)的表面。

（2）固定基點(diǎn)

為方便、快速進(jìn)行非接觸量測(cè)，應(yīng)在洞外或已成型、穩(wěn)定的二襯砌地段設(shè)一基點(diǎn)，作為量測(cè)時(shí)全站儀的后視基點(diǎn)?；c(diǎn)應(yīng)有確定的三維坐標(biāo)，基點(diǎn)應(yīng)經(jīng)常復(fù)核，防止位移而發(fā)生觀測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。

（3）自由設(shè)站

以盡量不影響隧道施工為前提，將全站儀自由架設(shè)在隧道內(nèi)任意位置，整平后即可。為了消除膜片傾斜對(duì)測(cè)距的影響，同一測(cè)點(diǎn)在每次量測(cè)時(shí)測(cè)站位置應(yīng)大致相同。

（4）測(cè)量數(shù)據(jù)

觀測(cè)時(shí)以反射靶標(biāo)中心小孔為照準(zhǔn)點(diǎn)，采用雙盤測(cè)回結(jié)合三次重復(fù)照準(zhǔn)的冗余觀測(cè)方法，即每一測(cè)站上分別用兩個(gè)盤位連續(xù)、重復(fù)照準(zhǔn)三次目標(biāo)點(diǎn)，然后取平均值作為一次設(shè)站觀測(cè)的結(jié)果。為提高測(cè)量精度，每次監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)在同一位置三次重復(fù)設(shè)站。

（5）數(shù)據(jù)處理和分析

將每次測(cè)量記錄按要求輸入裝有相應(yīng)后處理程序的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)分析量測(cè)數(shù)據(jù)，并相應(yīng)輸出量測(cè)成果，并打印報(bào)表。

4 監(jiān)控量測(cè)信息的處理與管理

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的錄入與整理

現(xiàn)場(chǎng)按時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行量測(cè)，并對(duì)各物理量值按各類儀器的工作特征、埋設(shè)情況進(jìn)行修正，測(cè)量當(dāng)天繪制各量值與時(shí)間、空間的關(guān)系曲線。若有異常的觀測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)直接提交結(jié)果。

4.2 量測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析與處理

根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)曲線的變化過程，劃分急劇增長段、緩慢增長段及基本穩(wěn)定段，判斷其穩(wěn)定程度及提出對(duì)下步施工的意見。

實(shí)測(cè)資料經(jīng)過分析后，確定各物理量的絕對(duì)值，變化速度、變化加速度、坡度等四個(gè)指標(biāo)，作為判斷穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)過相關(guān)分析，找出各物理量和時(shí)間及施工進(jìn)尺的關(guān)系，推算各變化量隨開挖進(jìn)尺、時(shí)間推移的變化趨勢(shì)。

4.3 變形等級(jí)管理

監(jiān)控量測(cè)的主要目的就是保證施工安全，因此，對(duì)監(jiān)控量測(cè)實(shí)施三級(jí)管理。三級(jí)管理可通過極限位移值、位移速度、位移速度變化率等綜合考慮，無論哪種方法，一旦達(dá)到Ⅰ級(jí)管理狀態(tài)，必須立即停止掌子面掘進(jìn)施工。

4.3.1 通過極限位移值管理

主要根據(jù)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)位移值U、測(cè)點(diǎn)距開挖面的距離來判定，如表2所示。

表2 位移管理等級(jí)

4.3.2 通過位移速度管理

Ⅲ級(jí)：凈空變化速度小于0.2mm/d，拱頂下沉速度小于0.15mm/d，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定。可正常施工。

Ⅱ級(jí)：凈空變化速度在0.2～5.0mm/d之間，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)頻率。加強(qiáng)支護(hù)措施。

Ⅰ級(jí)：凈空變速度持續(xù)大于5.0mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)頻率。應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)措施。

4.3.3 通過位移速度變化率來管理

Ⅲ級(jí)：當(dāng)圍巖位移速速度不斷下降時(shí)（du2/d2t＜0），圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)；

Ⅱ級(jí)：當(dāng)圍巖位移速度保持不變時(shí)（du2/d2t=0），圍巖不穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)；

Ⅰ級(jí)：當(dāng)圍巖位移速度不斷上升時(shí)（du2/d2t＞0），圍巖進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，必須立即停止掘進(jìn)，加強(qiáng)支護(hù)。

4.4 預(yù)警指標(biāo)

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF60-2009）規(guī)定，隧道周邊最大允許相對(duì)位移（指實(shí)測(cè)位移值與兩測(cè)點(diǎn)間距離之比，或拱頂位移實(shí)測(cè)值與隧道寬度之比）見表3。

表3 各級(jí)別圍巖下不同覆層厚度的初襯允許相對(duì)位移

根據(jù)表3，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，特建議對(duì)安全狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，采用綠、黃、紅三色作為安全狀態(tài)標(biāo)志。各級(jí)別的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)對(duì)措施見表4。

表4 安全狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4.5 二襯施作時(shí)間及量測(cè)結(jié)束時(shí)間的確定

（1）二襯施作時(shí)間

各測(cè)試項(xiàng)目顯示位移速度明顯減緩并已基本穩(wěn)定、各項(xiàng)位移已達(dá)到預(yù)計(jì)位移量的80～90%（預(yù)計(jì)位移量可通過回歸分析得到）、位移速度小于0.10～0.2mm/d時(shí)，可施作二襯。

（2）監(jiān)控量測(cè)結(jié)束時(shí)間

只有下列條件同時(shí)滿足時(shí)，方可結(jié)束某一斷面的監(jiān)控量測(cè)：

①測(cè)點(diǎn)距開挖面距離小大于5B；

②當(dāng)凈空變化速度小于0.2mm/d、拱頂下沉速度小于0.15mm/d且持續(xù)時(shí)間不少于15d；

③位移累計(jì)值達(dá)到預(yù)計(jì)最大位移量的90%以上。

[1]《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）.

[2]《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG042-94）.

[3]《公路隧道工程施工圖設(shè)計(jì)資料》.

[4]《新建鐵路測(cè)量規(guī)范》（TB10101-99）.

U456.3

A

2095-2066（2016）24-0200-03

2016-8-10