監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在可門(mén)疏港公路隧道中的應(yīng)用

■薛理鴻

(福建省交建集團(tuán)工程有限公司，福州 350007)

1 引言

隧道工程技術(shù)基本特點(diǎn)是地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，施工環(huán)境惡劣，取得準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)極其困難。實(shí)際施工中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)由于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、施工方式、支護(hù)特性等的出入與變化，使原設(shè)計(jì)不盡合理。正因?yàn)樗淼拦こ痰倪@一特點(diǎn)，監(jiān)控量測(cè)是隧道工程施工中必不可少的重要組成部分。我國(guó)相繼頒布實(shí)施的有關(guān)地下工程設(shè)計(jì)和施工的規(guī)程和規(guī)范都對(duì)監(jiān)測(cè)做了具體規(guī)定，由于地層力學(xué)參數(shù)的不確定性及施工過(guò)程的不可預(yù)見(jiàn)性，地下工程設(shè)計(jì)和施工中難免出現(xiàn)與實(shí)際地層條件不符合的情況，需要在施工過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)信息的反饋來(lái)修正和設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。本文以福州可門(mén)疏港公路顏岐隧道為例，介紹監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的施測(cè)方法，實(shí)施過(guò)程中通過(guò)掌握圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)工作狀態(tài)，綜合分析監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，以保證圍巖穩(wěn)定和施工安全。

2 工程概況

顏岐隧道位于連江縣坑園鎮(zhèn)顏岐村東側(cè)文山，隧道長(zhǎng)為480m。隧道開(kāi)挖半徑為6m、凈空高為5m，道路等級(jí)為二級(jí)公路。隧道通過(guò)山體為文山，地形坡度較緩，山體地形坡度多為20～30。。圍巖大部分為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)弱風(fēng)化圍巖。隧道進(jìn)口最小埋深為2.08m，出口最小埋深為4.13m，由于隧道的進(jìn)口和出口埋深較淺，所以在進(jìn)口和出口25m 施工范圍內(nèi)設(shè)計(jì)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，其余采用臺(tái)階法進(jìn)行施工。

3 監(jiān)控量測(cè)方案實(shí)施

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)方案應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)情況、支護(hù)類(lèi)型及參數(shù)、工程環(huán)境、施工方法而定。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程及施工圖設(shè)計(jì)要求,結(jié)合顏岐隧道隧道地質(zhì)情況，監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目包含隧道周邊收斂、拱頂下沉、圍巖深部位移與松動(dòng)區(qū)范圍量測(cè)、洞口地表沉降量測(cè)、錨桿拉拔力量測(cè)、噴層與圍巖間接觸應(yīng)力量測(cè)、錨桿軸力量測(cè)等。由于篇幅所限,筆者僅對(duì)拱頂下沉、周邊收斂和洞口地表沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程進(jìn)行介紹。

3.1 收斂位移監(jiān)測(cè)頻率

收斂位移能夠直觀反映隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過(guò)周邊收斂的量測(cè)，為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析提供依據(jù)；通過(guò)計(jì)算周邊收斂位移速率和預(yù)測(cè)最終位移值，為二次襯砌澆筑選擇最佳時(shí)機(jī)；為隧道施工工藝、支護(hù)襯砌參數(shù)優(yōu)化提供參考。通過(guò)拱頂位移量測(cè)，了解斷面的變形狀態(tài)，判斷隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性，防止沉降侵入二襯空間，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)與施工。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，確定拱頂下沉及周邊收斂監(jiān)測(cè)斷面間距、設(shè)置位置、監(jiān)測(cè)頻率，如表1、表2 所示。

表1 拱頂下沉及周邊收斂監(jiān)測(cè)斷面間距

表2 拱頂下沉及周邊收斂監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置位置及監(jiān)測(cè)頻率

洞口淺埋段地表下沉宜布設(shè)在隧道中線(xiàn)兩側(cè)(H+B)之間，可根據(jù)隧道頂部地表地形適當(dāng)調(diào)，橫向間距一般控制在(2～5)m，在隧道中線(xiàn)附近應(yīng)適當(dāng)加密，總測(cè)點(diǎn)數(shù)一般不少于7 個(gè)。在預(yù)計(jì)下沉斷面以外4 倍洞徑處設(shè)水準(zhǔn)基點(diǎn)(或利用附近已有高等級(jí)的水準(zhǔn)點(diǎn))。

3.2 監(jiān)控量測(cè)的方法和實(shí)施情況

3.2.1 洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施

(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)相關(guān)圖紙和相關(guān)技術(shù)要求，隧道有以下兩種開(kāi)挖方式，根據(jù)開(kāi)挖方式的不同，有兩種測(cè)點(diǎn)布置方式如圖1 所示。

為能對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的性態(tài)作較全面的分析，并且獲得完整數(shù)據(jù)，同時(shí)又使各項(xiàng)數(shù)據(jù)間能相互比較、相互驗(yàn)證，因此，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)與洞內(nèi)拱頂沉降點(diǎn)及水平凈空收斂點(diǎn)均布置在同一斷面上。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

(2)監(jiān)測(cè)儀器的選用

由于洞內(nèi)監(jiān)測(cè)有兩項(xiàng)工作內(nèi)容，根據(jù)工作內(nèi)容的不同，儀器選用情況如下：

①水平凈空收斂：水平凈空收斂采用中鐵西南科學(xué)研究院生產(chǎn)的SWJ-IV 隧道收斂?jī)x，最小讀數(shù)0.01mm。

②拱頂下沉：拱頂沉降采用DNA03 水準(zhǔn)儀和徠卡TCA2003 全站儀進(jìn)行非接觸測(cè)量，DNA03 水準(zhǔn)儀的標(biāo)稱(chēng)精度為0.3mm/km，TCA2003 全站儀的標(biāo)稱(chēng)精度：測(cè)角0.5″，測(cè)距±(1mm+1ppm)。

(3)監(jiān)控量測(cè)的方法和實(shí)施

①水平凈空收斂實(shí)測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求隨時(shí)掌握巖石的變化情況，測(cè)點(diǎn)安裝應(yīng)靠近開(kāi)挖面又不宜被破壞的地方，并且保證在開(kāi)挖后12h(最遲不超過(guò)24h)內(nèi)埋設(shè)，且在下一次循環(huán)開(kāi)挖前量測(cè)到初次讀數(shù)，初期觀測(cè)為每天兩次，如巖石沒(méi)有異常變化按照表2 中量測(cè)頻率進(jìn)行觀測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的鋼筋根部應(yīng)深入巖石并灌入水泥砂漿使其牢固。量測(cè)方法：每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面兩次掛尺，第一次量測(cè)完成后，記錄量測(cè)數(shù)據(jù)，然后交換尺頭再次量測(cè)，兩次量測(cè)結(jié)果誤差在0.5mm 內(nèi)取平均數(shù)作為水平凈空量測(cè)結(jié)果。

②洞內(nèi)拱頂沉降監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)。首先在隧道的仰拱埋設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)，按照《二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)的絕對(duì)高程(此點(diǎn)坐標(biāo)也可作為隧道內(nèi)日常測(cè)量施工放樣使用)。拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和埋設(shè)時(shí)間同水平收斂點(diǎn)相同，埋設(shè)方法同水平收斂點(diǎn)一樣要把鋼筋插入巖石內(nèi)使其牢固，在鋼筋外露部分焊接5﹍×5cm 的鐵片，然后在鐵片上貼測(cè)量專(zhuān)用反光片。在后視水準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)徠卡儀器自帶的金屬三角架，固定1.3m 作為后視標(biāo)高，儀器架設(shè)在水準(zhǔn)點(diǎn)和反光片中間適當(dāng)?shù)奈恢?，不必量取后視?biāo)高和儀器高，這樣可消除因量取儀器高和后視標(biāo)高帶來(lái)的誤差。然后使用全站儀測(cè)量水準(zhǔn)點(diǎn)到反光片的高差，正、倒鏡測(cè)量3 個(gè)測(cè)回，每測(cè)回高差值比較不超過(guò)0.5mm，取平均數(shù)作為拱頂下沉量測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果。拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖2 所示。

圖2 拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置示意圖

洞內(nèi)水平凈空收斂的精度分析：收斂?jī)x鋼尺受溫度影響較小，隧道內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，初次量測(cè)溫度和日常量測(cè)時(shí)溫度基本一致，不必考慮溫度改正。收斂?jī)x的最小讀數(shù)為0.01mm，量測(cè)結(jié)果的取值也為0.01mm，能夠反映圍巖的細(xì)微變化，滿(mǎn)足精度要求。

3.2.2 洞外監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施

(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

洞口地表上沿隧道軸線(xiàn)布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與洞內(nèi)拱頂沉降及水平收斂點(diǎn)布置在同一斷面內(nèi)，用現(xiàn)澆混凝土方式埋設(shè)。橫斷面地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距取3～5m，在同一量測(cè)斷面內(nèi)取7～11 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(2)監(jiān)測(cè)儀器的選用

采用徠卡DNA03 電子水準(zhǔn)儀，儀器標(biāo)稱(chēng)精度：0.3mm/km。

(3)監(jiān)控量測(cè)的方法和實(shí)施

首先沿隧道軸線(xiàn)方向每隔100～150m 埋設(shè)一個(gè)水準(zhǔn)工作基點(diǎn)構(gòu)成水準(zhǔn)網(wǎng)，工作基點(diǎn)埋設(shè)在穩(wěn)定的基巖面上并與隧道開(kāi)挖線(xiàn)保持一定距離，以免受隧道施工影響工作基點(diǎn)的穩(wěn)定，采用現(xiàn)澆混凝土方式埋設(shè)，工作基點(diǎn)按照《二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》聯(lián)測(cè)。對(duì)每個(gè)斷面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)也按照《二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》進(jìn)行觀測(cè)，依次對(duì)每條斷面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行閉合或符合水準(zhǔn)路線(xiàn)測(cè)量。地表下沉量測(cè)應(yīng)在開(kāi)挖工作面前方H+B(隧道埋置深度+隧道高度)處開(kāi)始，直至襯砌結(jié)構(gòu)封閉，下沉基本停止時(shí)為止。

3.3 工作基點(diǎn)網(wǎng)的建立和檢測(cè)

在監(jiān)控量測(cè)地表區(qū)域附近布設(shè)3 個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)為一組，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在穩(wěn)定的基巖面上，均采用現(xiàn)澆混凝土的方式埋設(shè)，為保證基準(zhǔn)點(diǎn)不受隧道開(kāi)挖的影響，基準(zhǔn)點(diǎn)都布設(shè)在爆破振動(dòng)安全允許距離外，以保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。工作基點(diǎn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離適中，通視條件好，網(wǎng)形適宜。工作基點(diǎn)按閉合水準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量，等級(jí)按《二等測(cè)量規(guī)范》執(zhí)行，每3 個(gè)月復(fù)測(cè)一次，檢測(cè)出現(xiàn)異常時(shí)必須先復(fù)查工作基點(diǎn)，特殊情況加密復(fù)測(cè)頻率。

4 量測(cè)數(shù)據(jù)的整理、分析

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》,應(yīng)及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制量測(cè)數(shù)據(jù)與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和回歸分析。以位移-時(shí)間曲線(xiàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)位移值、位移速率等分析、評(píng)定圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性。判別初期支護(hù)的工作狀態(tài)，支護(hù)特點(diǎn)并對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行安全評(píng)估。當(dāng)位移急劇增加，每天的相對(duì)凈空變化超過(guò)1mm 時(shí)或位移-時(shí)間曲線(xiàn)出現(xiàn)反彎點(diǎn)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，通知現(xiàn)場(chǎng)施工密切注意支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化。當(dāng)?shù)乇沓两怠⑺絻艨帐諗?、拱頂下沉量達(dá)到預(yù)測(cè)最終值的80%～90%，收斂速度小于0.1～0.2mm／天，拱頂下沉速率小于0.07～0.15mm／天時(shí)，可認(rèn)為圍巖基本穩(wěn)定進(jìn)行下一道工序施工。

在同一斷面上，當(dāng)?shù)乇硐鲁亮看蠖磧?nèi)拱頂和水平凈空收斂值沒(méi)有異常變化時(shí)，要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察和分析是否地表有局部滑坡并將數(shù)據(jù)和情況及時(shí)上報(bào)。及時(shí)提交成果資料和上報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在觀測(cè)期內(nèi)，位移值超過(guò)設(shè)計(jì)值的20%及以上時(shí)，應(yīng)及時(shí)會(huì)同建設(shè)、勘察設(shè)計(jì)等單位查明原因，必要時(shí)進(jìn)行地質(zhì)復(fù)查，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果調(diào)整計(jì)算參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)位移進(jìn)行修正或采取控制措施。

通過(guò)以上綜合分析、評(píng)價(jià)及時(shí)修正設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)參數(shù)，對(duì)施工及時(shí)提供建議和措施。限于篇幅，這里僅給出顏岐隧道典型斷面K12+620 的拱頂下沉、水平凈空收斂成果數(shù)據(jù)圖(圖3～4)。

圖3 周邊收斂觀測(cè)成果(僅摘取最后十天數(shù)據(jù))

圖4 拱頂下沉觀測(cè)成果(僅摘取最后十天數(shù)據(jù))

5 問(wèn)題與對(duì)策

公路隧道施工監(jiān)控量測(cè)作為新奧法施工的關(guān)鍵要素，通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可進(jìn)一步了解隧道圍的受力狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)隧道施工方法、支護(hù)參數(shù)等進(jìn)行合理調(diào)整，從而做到信息化設(shè)計(jì)、施工，確保施工安全。所以監(jiān)控量測(cè)在提高隧道現(xiàn)場(chǎng)施工安全和信息化設(shè)計(jì)方面發(fā)揮著重要作用。但是，隨著工程建設(shè)的推進(jìn)，由于施工、管理及理念等方面的因素，監(jiān)控量測(cè)工作也存在人如下一些問(wèn)題。

(1)測(cè)點(diǎn)布置欠佳

測(cè)點(diǎn)布設(shè)的規(guī)范性關(guān)系到數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和有效性。監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置宜在施工單位的配合下完成，避免在施工作業(yè)中造成破壞。另外有的測(cè)點(diǎn)易遭受到機(jī)械設(shè)備的碰撞或懸掛電纜等而發(fā)生變形、松動(dòng)。如對(duì)周邊收斂和拱頂下沉項(xiàng)目，為了能較真實(shí)反映初變形值，測(cè)點(diǎn)距掌子面不宜太近。

(2)測(cè)試手段有待提高

測(cè)試手段和測(cè)試方法更新過(guò)慢,仍無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前工程建設(shè)的需要。當(dāng)前的眾多量測(cè)儀器、器械仍存在精度較低、自動(dòng)化程度低、環(huán)境適應(yīng)能力差、可操作性不強(qiáng)、性能不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)漂移等問(wèn)題,影響了監(jiān)控量測(cè)的效果及作用的發(fā)揮。雖然目前國(guó)內(nèi)外也研制了許多實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，但是由于價(jià)格昂貴、儀器性能等方面原因，仍無(wú)法大規(guī)模在工程建設(shè)中推廣應(yīng)用。

(3)監(jiān)測(cè)隊(duì)伍的素質(zhì)偏低

出于成本等方面的考量，現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)隊(duì)伍往往是由一些實(shí)習(xí)生、學(xué)生和當(dāng)?shù)氐姆菍?zhuān)業(yè)人員組成，整體技術(shù)水平偏低。他們臨場(chǎng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力不夠，如對(duì)數(shù)據(jù)有效性、準(zhǔn)確性的把握，對(duì)突發(fā)情況的處理和報(bào)告等經(jīng)驗(yàn)不足，容易出現(xiàn)一些質(zhì)量、安全事故。從工程實(shí)踐及監(jiān)控量測(cè)重要性來(lái)看，必須有熟練的技術(shù)人員專(zhuān)人專(zhuān)職、設(shè)備固定，才能有效的開(kāi)展監(jiān)控量測(cè)工作。

(4)對(duì)一些特殊地質(zhì)情況的隧道施工監(jiān)測(cè)辦法不多

特殊地質(zhì)情況主要是指塌方、涌水等,這些地段進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)有很大的局限性。目前主要采用地質(zhì)雷達(dá)或地震波進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，但是由于天線(xiàn)本身尺寸、重量、傳感器布置等方面原因，對(duì)于靠近掌子面上方或掌子面頂部一定范圍的地質(zhì)狀況很難獲取，然而較多的不良的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象多發(fā)生于隧道拱頂、拱腰部位，時(shí)常出現(xiàn)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際不符合情況，導(dǎo)致一些安全事故的發(fā)生?；蛘呒词故遣杉搅藬?shù)據(jù)，但是在后處理分析手段不夠成熟及對(duì)信號(hào)的解釋上出現(xiàn)了偏差(對(duì)圖像的解釋很大程度也取決于工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn))，導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此在對(duì)一些特殊地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)上，還有很多工作需要開(kāi)展。

6 結(jié)語(yǔ)

由于隧道工程的特殊、復(fù)雜性和隧道圍巖的不確定性，對(duì)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)是保證隧道工程質(zhì)量、安全必不可少的手段。以疏港公路顏岐隧道工程為依托開(kāi)展監(jiān)控量測(cè)技術(shù)研究，并以收斂位移為例，介紹了監(jiān)控量測(cè)方法、測(cè)點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測(cè)頻率、數(shù)據(jù)的處理和分析等內(nèi)容，并就我國(guó)當(dāng)前監(jiān)控量測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，指出存在的不足。由于隧道監(jiān)控量測(cè)受到工程地質(zhì)、施工管理、隊(duì)伍素質(zhì)及監(jiān)測(cè)手段等多種因素的影響，對(duì)于如何進(jìn)一步提高監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性，提高工程質(zhì)量，降低工程造價(jià)，加快施工進(jìn)度，確保施工安全，還需進(jìn)一步探討研究。

[1]GB0026－2007,工程測(cè)量規(guī)范[S].

[2]JTG F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JTG C10-2007,公路勘測(cè)規(guī)范[S].

[4]DB35/T 1067-2010,公路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

[5]黃永清.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)在公路隧道施工中的應(yīng)用[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2010(02).