隧道工程中監(jiān)控量測技術(shù)及應(yīng)用

劉軍 劉柏平

摘 要：在地形、地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜的鄂西地區(qū)修建鐵路、公路、水電等長大隧道工程將會遇到較多的巖溶、突水涌泥、塌方等不良地質(zhì)災(zāi)害。在建的湖北省宜昌至巴東（鄂渝界）公路位于湖北省的西端，地處長江中、上游結(jié)合部，區(qū)內(nèi)存在數(shù)量眾多的高邊坡、特大橋及隧道進(jìn)出口危崖、順層不穩(wěn)定斜坡及軟質(zhì)巖邊坡。受自然環(huán)境條件（降雨及地下水作用、風(fēng)化作用等）以及工程活動（人工開挖卸荷、爆破等）的影響，導(dǎo)致原本處于穩(wěn)定或半穩(wěn)定狀態(tài)的圍巖發(fā)生變形甚至破壞，對隧道安全運營造成巨大威脅，因此對隧道工程中特殊位置進(jìn)行監(jiān)控量測勢在必行，它也是保證隧道工程設(shè)計合理性和保證施工質(zhì)量安全的重要手段。該文介紹了隧道監(jiān)控量測的監(jiān)測流程、監(jiān)測內(nèi)容及相應(yīng)的監(jiān)測方法，將監(jiān)控量測應(yīng)用于宜巴高速公路馬家坡隧道和段家屋隧道，及時有效地控制了該隧道災(zāi)害的發(fā)生，并針對隧道的情況及時預(yù)警，采取相應(yīng)的治理措施，保證隧道施工順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：隧道工程 監(jiān)控量測 底板隆起 施工建議

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0055-05

1 現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)簡介

隧道施工過程中使用各種類型的儀表和工具，對圍巖和支護(hù)、襯砌的力學(xué)行為以及它們之間的力學(xué)關(guān)系進(jìn)行量測和觀察，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價，統(tǒng)稱為監(jiān)控量測[1～3]。現(xiàn)場監(jiān)控量測目的[4-5]如下：掌握隧道施工不同工況下圍巖動態(tài)，并及時對圍巖穩(wěn)定性做出評價，避免塌方等工程事故；通過對圍巖和支護(hù)的變位、應(yīng)力測量，及時調(diào)整和修改支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)信息化施工；積累資料，為以后類似工程的設(shè)計、施工提供經(jīng)驗。監(jiān)測內(nèi)容：⑴對巖土所受到的施工作用、各類荷載的大小以及在這些荷載作用下巖土反應(yīng)性狀的監(jiān)測。⑵對建設(shè)中或運營中的結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測。⑶監(jiān)測巖土工程在施工及運營過程中對周圍環(huán)境的影響。

監(jiān)測流程如下：

1.1 隧道必測項目

（1）洞內(nèi)外地質(zhì)觀察。

洞內(nèi)掌子面觀察（開挖及初期支護(hù)后進(jìn)行）

巖性特征：巖石的顏色、成分、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造；節(jié)理性質(zhì)、組數(shù)、間距、發(fā)育程度和走向，斷面狀態(tài)特征及充填物的類型；斷層的性狀、破碎帶寬度及特征；地下水類型，涌水量大小、位置、涌水壓力及水的化學(xué)成分；掌子面穩(wěn)定情況，頂板有無剝落現(xiàn)象。

1.2 洞內(nèi)已開挖段觀察

錨桿的錨固效果、噴層的光潔度、噴層有無裂縫，裂縫的長度、寬度，噴層是否把鋼支撐全部覆蓋。

1.3 洞外地質(zhì)觀察

重點在洞口段和洞身淺埋段，記錄地表開裂、地表變形、邊坡及仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲漏情況等，同時還應(yīng)對地面建筑物進(jìn)行觀察。

（1）周邊位移。

隧道圍巖周邊各點趨向隧道中心的變形稱為收斂。所謂周邊位移量測主要是隧道內(nèi)壁面兩點連線方向的距離的變形量的量測。收斂值為兩次兩側(cè)的距離之差。量測目的：判斷隧道空間的穩(wěn)定性；據(jù)變位速度確定圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)時機(jī)。目前隧道施工中常用的收斂計為機(jī)械式的收斂計和數(shù)顯式收斂計。例：QJ-85型坑道周邊收斂計；JSS30A型數(shù)顯收斂計；SWJ-IV型隧道收斂計。

（2）拱頂沉降。

埋深較淺、固結(jié)程度低的地層，水平成層的情況，這項量測比收斂量測更為重要。量測目的：量測數(shù)據(jù)是確認(rèn)圍巖的穩(wěn)定性，判斷支護(hù)效果，指導(dǎo)施工工序，預(yù)防拱頂崩塌，保證施工質(zhì)量和安全的最基本的資料。量測儀器：精密水準(zhǔn)儀

（3）地表下沉。

淺埋隧道通常位于軟弱、破碎、自穩(wěn)時間短的圍巖中，施工方法不妥極易發(fā)生塌方或者地表有害下沉，當(dāng)?shù)乇碛薪ㄖ飼r會危及其安全。量測目的：地表下沉的范圍及下沉量的大?。坏乇硐鲁亮侩S工作面推進(jìn)的變化規(guī)律；地表下沉穩(wěn)定的時間。量測儀器：用高精度水準(zhǔn)儀和塔尺進(jìn)行量測。

2 工程地質(zhì)概況

宜（昌）—巴（東）高速公路，東起宜昌市夷陵區(qū)，向西途經(jīng)興山、秭歸、巴東三縣轄區(qū)，止于鄂渝交界的火燒庵，全長172.65km。雙向四車道，設(shè)計速度80km/h，路基寬度24.5m。宜昌至巴東（鄂渝界）高速公路作為《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》（7918網(wǎng)）中18條東西橫線之一的“上海至成都”高速公路湖北省西段，同時也是湖北省骨架公路網(wǎng)規(guī)劃“六縱五橫一環(huán)”中“橫三”的西段。項目建成對于我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)實施由東向西、由南向北、由內(nèi)陸經(jīng)濟(jì)向外向型經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略具有極其重要的作用，對湖北省骨架公路網(wǎng)的早日形成，盡快發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)具有切實的促進(jìn)作用。宜昌至巴東（鄂渝界）高速公路建成將使武漢至巴東為全程高速公路，從武漢市中心出發(fā)，經(jīng)繞城、武荊、荊宜，5小時內(nèi)可到巴東，節(jié)省5個多小時，這不僅對神農(nóng)架的旅游發(fā)展起到促進(jìn)作用，而且對下谷等較為邊遠(yuǎn)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展帶來不小的機(jī)遇。

在建的湖北省宜昌至巴東（鄂渝界）公路位于湖北省的西端，地處長江中、上游結(jié)合部。沿線地勢總體呈東南低，向西部漸高的趨勢，溝谷多呈U型寬谷或V型窄谷及峽谷。主要斷裂為北西向區(qū)域性斷裂，局部發(fā)育北北東和北東向斷層，發(fā)育有霧渡河斷裂帶、新華斷裂帶、高橋斷裂帶。區(qū)內(nèi)數(shù)量眾多的高邊坡、滑坡、特大橋及隧道進(jìn)出口危崖、順層不穩(wěn)定斜坡及軟質(zhì)巖邊坡，同時因自然環(huán)境條件（降雨及地下水作用、風(fēng)化作用等）以及工程活動（人工開挖卸荷、爆破等）的影響，導(dǎo)致原本處于穩(wěn)定或半穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡發(fā)生變形甚至破壞，造成了極大的生態(tài)環(huán)境破壞，給國家和人民的生命財產(chǎn)帶來了巨大的威脅。沿線設(shè)置多條長大隧道，在隧道施工和運營階段均存在一定的風(fēng)險。其中，樊家泉隧道、臥佛山隧道、峽口隧道、七里峽隧道、界嶺隧道、雷家坡隧道、馬家坡隧道、段家屋隧道、天池嶺隧道和楚陽隧道多處存在斷層及破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)，施工期間存在較高巖溶突水涌泥、塌方等風(fēng)險，對隧道運營造成巨大威脅。

由于三峽庫區(qū)高速公路的建設(shè)中巖層地質(zhì)成因復(fù)雜，不良地質(zhì)種類繁多，存在斷裂帶、斷層、滑坡、破碎帶以及溶洞等眾多不良地質(zhì)現(xiàn)象，地質(zhì)條件具有突變性，事故具有往往具有突發(fā)性，對三峽庫區(qū)高速公路的的施工及運營安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

3 工程應(yīng)用

3.1 馬家坡隧道

3.1.1掌子面附近圍巖情況

隧道進(jìn)口段：

隧道右線樁號YK141+323，隧道掌子面主要由中風(fēng)化微晶灰?guī)r夾泥灰?guī)r組成，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層結(jié)合較差，掌子面及隧道有線狀滲水和股狀涌水，掌子面積水較多，應(yīng)加強(qiáng)抽水工作。

隧道出口段：

隧道右線樁號YK141+720，掌子面圍巖破碎，圍巖自穩(wěn)能力較差，易發(fā)生塌方，做好超前支護(hù)措施。

出口段YK141+880～YK141+980段底板隆起嚴(yán)重，已建議施工單位采取措施，防止事故發(fā)生。

施工單位對隆起段進(jìn)行了取芯共取芯7組，巖芯情況如下：

對YK141+889，898，905……984，994等12個斷面的裂縫開裂情況與底板隆起進(jìn)行了監(jiān)測，選取YK141+889，YK141+937，YK141+970，YK141+994進(jìn)行了開裂值與隆起值分析。分析結(jié)果如圖所示，裂縫寬度最大達(dá)到70mm，底板隆起最大達(dá)到253mm。

3.1.2施工建議

（1）隧道出口段掌子面圍巖破碎，自穩(wěn)性差，應(yīng)超前加固措施下開挖，并加強(qiáng)監(jiān)測，防止事故發(fā)生。因隧道長時間未施工，掌子面后方拱頂出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，加強(qiáng)支護(hù)措施，二襯及時跟進(jìn)。

（2）隧道進(jìn)口段揭露段圍巖較差，且有較多積水，應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報探測，尤其是對裂隙水的探測，防止突涌水事故發(fā)生。

（3）隧道出口段出現(xiàn)底板隆起事故，因隧道埋深較大，圍巖較差，鉆孔后巖芯可看出有一泥質(zhì)夾層，應(yīng)采取注漿加固措施，及時更換仰拱，保護(hù)二襯，防止事故發(fā)生。

（4）因隧道為瓦斯隧道，施工中要注意對瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測，施工過程中應(yīng)保持通風(fēng)順暢，并密切注意瓦斯檢測數(shù)據(jù)，避免瓦斯燃燒、爆炸等不良事故的發(fā)生。

3.2 段家屋隧道

3.2.1 掌子面附近圍巖情況

隧道出口段：

隧道左線開挖至ZK169+939，掌子面附近圍巖以中風(fēng)化泥灰?guī)r為主，巖體破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，拱部無支護(hù)可塌方，邊墻穩(wěn)定性差。右線隧道右線開挖至YK170+047，圍巖與左洞基本相同，掌子面左側(cè)有積水。

3.2.2 施工建議

（1）段家屋隧道目前主要面臨施工中塌方和初支大變形的工程問題，開挖施工中須加強(qiáng)超前支護(hù)，控制開挖進(jìn)尺、減小爆破震動。進(jìn)口本月對二襯和仰拱進(jìn)行施做和更換，與掌子面距離已基本滿足規(guī)范規(guī)定，可以進(jìn)行掌子面施工。

（2）出口右洞掌子面樁號YK170+047，距掌子面最近監(jiān)測斷面為YK170+060與YK170+080。

由圖可知，YK170+060拱頂下沉與水平收斂速率波動較大，基本在2mm/d，下沉與收斂值處在上升階段，從圖分析沒有明顯收斂趨勢，拱頂下沉與水平收斂均未達(dá)到最終穩(wěn)定，需要繼續(xù)監(jiān)測，防止塌方事故發(fā)生。

由圖可知，YK170+080拱頂下沉最終值為62mm，速率為0.1mm/d，而水平收斂值67mm，收斂速率為0.1mm/d，斷面沉降和收斂基本穩(wěn)定，但沉降收斂值過大，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)措施，防止塌方事故發(fā)生。

出口左洞掌子面樁號ZK169+939，距掌子面最近監(jiān)測斷面為ZK169+940與ZK169+960，

ZK169+940斷面剛開始監(jiān)測，斷面沉降和收斂均未穩(wěn)定，應(yīng)繼續(xù)觀測。

由圖可知，ZK169+960拱頂下沉與水平收斂速率波動較大，基本在2.5mm/d，下沉與收斂值處在上升階段，從圖分析沒有明顯收斂趨勢，拱頂下沉與水平收斂均未達(dá)到最終穩(wěn)定，需要繼續(xù)監(jiān)測，防止塌方事故發(fā)生。

（3）進(jìn)口7月進(jìn)行掌子面施工，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求及時設(shè)立監(jiān)測點，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范布設(shè)監(jiān)測斷面，觀測圍巖變化，防止塌方事故發(fā)生。

（4）鑒于段家屋隧道地質(zhì)情況，建議在TSP預(yù)報基礎(chǔ)上增加地質(zhì)雷達(dá)（GPR）探測，保證隧道施工安全。

4 結(jié)論

（1）該文介紹了隧道監(jiān)控量測的監(jiān)測流程、監(jiān)測內(nèi)容及相應(yīng)的監(jiān)測方法，對各類隧道工程建設(shè)都有一定的指導(dǎo)作用；

（2）將監(jiān)控量測應(yīng)用于宜巴高速馬家坡隧道和段家屋隧道，及時有效地控制了該隧道災(zāi)害的發(fā)生，并針對隧道的情況及時預(yù)警，采取相應(yīng)的治理措施，保證隧道施工順利進(jìn)行。

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