隧道施工中監(jiān)控量測技術的應用研究

藍志杰，張成良

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

隧道施工中監(jiān)控量測技術的應用研究

藍志杰，張成良

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

在隧道施工中進行監(jiān)控量測，通過對監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析可對隧道整體安全狀態(tài)進行評估，對隧道施工組織和安排起到非常重要的作用，能有效避免安全事故的發(fā)生。文中通過對宣威至功南高速公路胡家地隧道圍巖進行動態(tài)檢測，及時了解初期支護和二次襯砌的受力情況，對支護體系的穩(wěn)定性進行了綜合評估。

隧道；監(jiān)控量測；圍巖；支護體系

高速公路隧道施工過程中首要考慮的因素是施工過程中的安全性和穩(wěn)定性。監(jiān)控量測作為新奧法施工的關鍵要素，是保證隧道現(xiàn)場施工安全和信息化設計的基礎，能及時掌握隧道圍巖動態(tài)和支護結(jié)構(gòu)的使用情況，對施工進度、工程質(zhì)量及經(jīng)濟投入都有非常重要的影響。該文結(jié)合宣威至功南高速公路胡家地隧道，探討監(jiān)控量測技術在隧道工程施工中的應用。

1　工程概況

1.1地質(zhì)狀況

胡家地隧道進口開挖掌子面圍巖為淺黃色砂巖夾泥巖，強～中風化，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎石狀，遇水易軟化，掌子面潮濕，圍巖完整性差，自穩(wěn)能力差。所處地段為瓦房村斷層與宣威斷層夾持帶，與兩斷層近同向的居舍河背斜構(gòu)造的近西傾伏端，臨近于儲水段南東的局部補給、徑流段。整個隧道巖體破碎～極破碎，巖性復雜，對隧道施工不利。地質(zhì)狀況見圖1。隧道整體溶潛水富水性較強，地下水補給以大氣降水為主，雨季時受地表水補給充分而使地下水賦存相對較豐富。

圖1　胡家地隧道所在地的地質(zhì)狀況

1.2支護狀況

該隧道埋深小，地表覆蓋層較薄，巖體破碎，風化程度高，巖體完整性差，自穩(wěn)能力弱，地表應做好防排水處理并保證雨季來臨前洞外的支護及防水措施到位，確保隧道的安全。隧道地表多處被開挖、擾動，破壞了隧道地表邊坡的原始形態(tài)和穩(wěn)定性，在隧道開挖過程中應嚴格控制開挖進尺，減少超挖、控制欠挖，以利于巖體的穩(wěn)定。進口處拱頂下沉位移過大，初期支護鋼支撐環(huán)向裂縫貫通，砼局部掉塊，裂縫有擴展趨勢。支護狀況見圖2。

圖2　胡家地隧道支護狀況

2　施工監(jiān)控量測方案

周邊收斂、拱頂下沉和地表沉降是隧道圍巖應力狀態(tài)變化的最直觀反映，通過監(jiān)測獲得的可靠信息有助于判斷隧道空間的穩(wěn)定性，確保隧道施工安全。主要監(jiān)測儀器設備和監(jiān)控量測頻率見表1、表2。

2.1地質(zhì)及支護狀態(tài)觀察

使用數(shù)碼相機、羅盤、放大鏡、鋼卷尺等設備對開挖后掌子面及支護和襯砌的外觀進行觀察和記錄，并用錘擊法進行圍巖彈性波測試。

表1　胡家地隧道主要監(jiān)測儀器和設備

2.2拱頂下沉與周邊收斂量測

2.2.1測點埋設

拱頂下沉與周邊收斂測點布置在同一斷面，分別布置在拱頂及兩側(cè)，埋設位置見圖3。在避免爆破作業(yè)破壞測點的前提下，各測點盡可能靠近工作面埋設，距離一般為0.5～2.0m，并在下一次爆破循環(huán)前獲得初始讀數(shù)。初讀數(shù)在開挖后12h內(nèi)讀取，最遲不超過24h，且在下一循環(huán)開挖前完成初期變形值讀取。

表2　胡家地隧道監(jiān)控量測頻率

圖3　胡家地隧道周邊收斂與拱頂下沉測點布置

采用收斂計方法測量拱頂下沉時，凈空收斂與拱頂下沉一般布設在同一個斷面。用水平邊BC值的變化實現(xiàn)對凈空水平收斂的量測，用h值的變化實現(xiàn)對拱頂下沉的量測。如圖4所示，令BC=L、AB=m、AC=n、BD=Xa、CD=Xb、AD=h，由勾股定理可得：

解式（1）得：

2.2.2拱頂下沉、凈空收斂數(shù)據(jù)處理

回歸分析時，一般采用3種函數(shù)，通過對比，推算最終位移時采用3種函數(shù)中回歸精度（擬合程度）較高的函數(shù)，不同測點的回歸函數(shù)可能不同。最后繪制拱頂下沉及周邊收斂的位移與時間（U-t）曲線和位移速率與時間（v-t）曲線。

圖4　凈空收斂與拱頂下沉的計算示意圖

2.3淺埋段地表下沉量測

如圖5所示，以隧道開挖輪廓的兩拱角為基點，以45°向地表延伸，該區(qū)域內(nèi)為隧道施工影響區(qū)域，也是地表下沉觀測的范圍。地表沉降測點主要根據(jù)隧道施工進度及隧道所處山體情況和環(huán)境變化布置，從隧道開工到結(jié)束，根據(jù)實際情況及施工需要在隧道進口淺埋段布置監(jiān)測點。每個橫斷面上布置7個以上測點，分別布置在隧道軸線及軸線兩側(cè)，隧道中線附近測點較密，遠離隧道中線處測點較稀。

圖5　胡家地隧道地表沉降測點布置示意圖

2.4錨桿拉拔試驗

錨桿拉拔力是錨桿材料、加工和施工安裝質(zhì)量的綜合反映，根據(jù)錨桿拉拔試驗直接讀取?，F(xiàn)場進行錨桿拉拔試驗，按照300根至少抽取1組（3根）的要求，用錨桿拉拔儀測試所抽取錨桿的拉拔力。設計拉拔力為70kN，要求28d拉拔力平均值≥設計值，最小拉拔力≥0.9設計值。按照上述標準，所監(jiān)測的2組錨桿拉拔力全部合格。

2.5選測項目

選測項目是對一些有特殊意義和具有代表性的區(qū)段及試驗區(qū)段進行補充測試，應盡可能選在特殊地段，如圍巖差的地方、加寬帶、進出口的淺埋段等，主要監(jiān)測圍巖內(nèi)部移動與二次襯砌砼受力情況。監(jiān)測儀器有壓力盒、鋼筋計、位移計、錨桿軸力計、砼應變計。其中：壓力盒主要埋設在初期支護與圍巖間（見圖6），主要監(jiān)測圍巖與初期支護間接觸壓力；砼應變計主要埋設在二次襯砌砼內(nèi)，用于量測二次襯砌砼的內(nèi)力變化。

圖6　胡家地隧道壓力盒測點布置示意圖

3　監(jiān)測結(jié)果

3.1地質(zhì)及支護狀態(tài)觀察

胡家地隧道地質(zhì)及支護狀態(tài)觀察結(jié)果如下：隧道上方有一采石場，經(jīng)過長時間的采石作業(yè)及地表破壞，其上方已形成較大采空區(qū)，雖然已經(jīng)過回填，但其滲水保護層已被破壞，易造成地表水下滲，對隧道施工不利，特別是容易造成塌方甚至冒頂，應引起特別注意并加強支護。隧道中部圍巖為強風化白云巖夾玄武巖，巖石節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎～極破碎，層間結(jié)合力差。開挖后圍巖無自穩(wěn)能力，易產(chǎn)生坍塌甚至冒頂，下雨時隧道淺埋段可能出現(xiàn)較大涌水。

3.2拱頂下沉和周邊收斂

在胡家地隧道布置拱頂下沉監(jiān)測斷面，共布置202個監(jiān)測點，從監(jiān)測結(jié)果來看，各斷面在隧道二次襯砌澆灌前拱頂累計下沉量和隧道周邊收斂都小于最大預留變形量的1/3，即50mm，位移速率小于4.15mm/d。圖7為K12+843斷面周邊收斂曲線，從中可見位移速率和位移累計都符合要求。

圖7　胡家地隧道K12+843斷面周邊收斂曲線

3.3地表下沉

表3為部分測點地表下沉檢測結(jié)果，從中可見地表沉降已趨于穩(wěn)定。

3.4監(jiān)測結(jié)果分析和建議

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，該隧道拱頂下沉、周邊收斂值較小，其中K12+843拱頂下沉平均位移速率為1.09 mm/d，累計下沉量為45mm。隧道開挖擾動過大時仍會加快隧道拱頂下沉和周邊收斂，甚至引起塌方，需控制隧道開挖強度、開挖進尺和臺階高度，錯臺施工，根據(jù)隧道監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工工藝并加強支護，保證隧道的穩(wěn)定。地表累計最大位移為135mm，日沉降最大變化速率為6.14mm，未超過規(guī)范允許值。

表3　胡家地隧道部分地表下沉檢測結(jié)果

從拱頂下沉、周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，洞內(nèi)整體變形相對較小，圍巖趨于穩(wěn)定，表明采用的支護參數(shù)可確保安全。通過對隧道出口地表的監(jiān)測，去除測量誤差影響后，總體上各監(jiān)測斷面各測點累計下沉量較小。但在隧道下斷面開挖處，受施工影響，各監(jiān)測點的位移還會有一定波動，未加蓋二次襯砌時還需要繼續(xù)觀測。開挖時應及時支護，防止?jié)B水導致圍巖粘性不足而發(fā)生掉塊甚至塌方，并加強排水，以免出現(xiàn)滲水現(xiàn)象影響正常施工。施工中應結(jié)合監(jiān)測成果，在隧道圍巖變形穩(wěn)定后再進行二次襯砌施工，將掌子面與二次襯砌工作面之間的距離控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

4　結(jié)語

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，胡家地隧道的圍巖和支護體系皆滿足公路隧道相關規(guī)范的要求，可保證施工的順利進行。由于在隧道開挖過程中會對圍巖產(chǎn)生多次擾動，對隧道的穩(wěn)定性不利，應采用“多臺階、短進尺、弱擾動、及支護、早成環(huán)”的方式進行施工。施工中加強監(jiān)控量測，并注意保護監(jiān)控測點，以免因測點被破壞或復噴覆蓋而造成監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失。

圍巖穩(wěn)定性判斷是一項復雜且非常重要的工作，必須結(jié)合具體工程情況，根據(jù)所測得的位移量或回歸分析所得的位移量、位移速度及變化趨勢、隧道埋深、開挖斷面大小、圍巖等級、支護所受壓力、應力應變等進行綜合分析判斷。隧道施工中必須加強山體變化及初期支護和二次襯砌的受力情況監(jiān)控，及時掌握隧道整體穩(wěn)定情況，并實時作出調(diào)整，避免不安全事故的發(fā)生。

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U456.3

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1671-2668（2016）04-0268-04

2016-01-21