監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在瑯口隧道中的應(yīng)用

吳圣增

(沙縣農(nóng)村公路管理站，三明 365050)

1 隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)概述

1.1 監(jiān)控量測(cè)技術(shù)內(nèi)涵

為滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，同時(shí)兼顧我國(guó)地形地貌復(fù)雜多變的基本情況，在公路鐵路修建中大量采用隧道結(jié)構(gòu)已逐漸趨于常態(tài)。不同于其他常規(guī)工程建(構(gòu))筑物，埋深于隱蔽巖土層中的隧道施工， 往往面臨著諸多未知的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。 為此，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)獲得實(shí)時(shí)地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以反饋現(xiàn)場(chǎng)施工的新奧法已成為隧道工程施工中的核心方法[3]。 國(guó)內(nèi)外有關(guān)于隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的研究一直伴隨著新奧法理念而發(fā)展，其中以壓力盒、位移計(jì)及應(yīng)變片等布置在隧道結(jié)構(gòu)用于監(jiān)控量測(cè)的接觸式方法最早[4]；隨后發(fā)展了以激光測(cè)距為代表的非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)，國(guó)外學(xué)者R Lindenbergh 和G Walton 等利用激光掃描技術(shù)開展隧道斷面變形的量測(cè)工作[5-6]；隨著監(jiān)控量測(cè)技術(shù)發(fā)展至今，逐漸形成了一套綜合多種已有量測(cè)設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)，用于開展隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)工作，朱合華等[7]石碧波[8]研發(fā)了用于隧道施工全過程跟蹤的量測(cè)系統(tǒng)。

1.2 監(jiān)控量測(cè)目的

鑒于隧道工程因其特殊的隱蔽性給工程掘進(jìn)帶來的諸多挑戰(zhàn)， 因此， 要求隧道掘進(jìn)過程中遇到包括斷層、涌水等在內(nèi)的不良地質(zhì)及通道交叉、斷面變化等特殊結(jié)構(gòu)設(shè)置地段等情況時(shí)， 在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)設(shè)置系統(tǒng)全面的監(jiān)測(cè)斷面，以達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)判隱患事件，保障人員和結(jié)構(gòu)的安全性；動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方案，保障施工的順利進(jìn)行；對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行科學(xué)研判，為今后同類似項(xiàng)目提供借鑒和參考等3 方面的目的。

1.3 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)方案往往需要根據(jù)隧道圍巖條件、開挖方法以及襯砌形式等方面進(jìn)行確定，主要有以下內(nèi)容。

(1)視覺觀察

監(jiān)測(cè)人員通過肉眼對(duì)施工影響區(qū)域范圍進(jìn)行初步監(jiān)控量測(cè)，隧道內(nèi)的掌子面和初期支護(hù)為重點(diǎn)區(qū)域，隧道每進(jìn)尺后都需對(duì)掌子面變化情況進(jìn)行觀測(cè)， 并通過地質(zhì)素描和文字表述相結(jié)合的方法進(jìn)行記錄。

(2)洞身水平收斂和拱頂沉降量測(cè)

水平收斂和拱頂沉降的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)應(yīng)緊跟施工工序進(jìn)行，隧道掘進(jìn)后24 h 內(nèi)最佳。 全斷面掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)保持至少一條水平收斂測(cè)線和兩條拱頂沉降測(cè)線；臺(tái)階法掘進(jìn)時(shí)，保證每個(gè)臺(tái)階進(jìn)尺結(jié)束后至少布置有一條水平收斂測(cè)線和兩條拱頂沉降測(cè)線。

(3)地表沉降量測(cè)

相較于洞身水平收斂和拱頂沉降的量測(cè)的滯后性，地表沉降量測(cè)能體現(xiàn)隧道掘進(jìn)過程的實(shí)時(shí)性， 即地表變形隨掌子面推進(jìn)的變化情況。因此，要求地表沉降量測(cè)斷面與水平收斂、拱頂沉降量測(cè)斷面保持一致，且量測(cè)范圍應(yīng)覆蓋兩側(cè)拱腳45°線范圍。

(4)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力量測(cè)

支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力量測(cè)主要在于圍巖壓力和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)兩部分， 其中圍巖壓力通過在初期支護(hù)外表面布置壓力盒進(jìn)行量測(cè)， 鋼拱應(yīng)力通過焊接在內(nèi)翼緣的鋼筋計(jì)測(cè)得，混凝土應(yīng)力采用埋入應(yīng)變計(jì)進(jìn)行量測(cè)。

1.4 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

(1) 誤差處理

由于隧道工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、 施工人員水平差異及監(jiān)測(cè)設(shè)備精度不一等問題， 致使量測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)難以預(yù)料的誤差， 而將統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)理論方法運(yùn)用到原始數(shù)據(jù)的篩查、處理和分析，可以及時(shí)準(zhǔn)確對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，從而保證施工安全，為評(píng)價(jià)和修改隧道支護(hù)參數(shù)，確定施工工序等提供依據(jù)。

(2)回歸分析

受上述各類數(shù)據(jù)誤差分析，受儀器系統(tǒng)誤差、儀器隨機(jī)誤差以及人員測(cè)量誤差等因素的影響， 致使量測(cè)所得數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定程度的離散特征。而在隧道監(jiān)控量測(cè)中，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)值均與作業(yè)時(shí)間緊密相關(guān)， 若直接使用未經(jīng)處理的離散型原始數(shù)據(jù)， 極容易導(dǎo)致各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失去規(guī)律性，不便于反映對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目隨時(shí)間的變化規(guī)律，難以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

此時(shí)， 可采用回歸分析的數(shù)學(xué)理論對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 即選取一與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)吻合且數(shù)值誤差在允許范圍內(nèi)的函數(shù)曲線，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

選擇函數(shù)方程對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)，需從曲線變化趨勢(shì)和數(shù)值準(zhǔn)確度兩方面進(jìn)行考量，因而引入殘差平方和C 的概念用于判斷擬合曲線的匹配程度：

式中，C 為殘差平方和；yi為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；yi′為擬合曲線對(duì)應(yīng)值。

通過對(duì)殘差平方和C 求極值， 可獲得保證回歸方程殘差平方和C 最小的系數(shù)解：

式中，a，b 分別為擬合函數(shù)中的兩個(gè)系數(shù)。

從中解出系數(shù)后，得到擬合后的回歸方程：

引入相關(guān)系數(shù)R 用于判斷擬合曲線的數(shù)值的關(guān)聯(lián)程度：

式中，R 為相關(guān)系數(shù)； 為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)算術(shù)平均值。 當(dāng)R越接近1，回歸曲線擬合效果越好。

2 施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用

2.1 工程概況

擬建隧道位于福建快速通道改線工程沙縣段， 隧道全長(zhǎng)2530 km，最大埋深358.5 m，洞室凈空10.25×5.0 m，全線四車道設(shè)計(jì)，洞身輪廓采用單心圓，且洞身線型整體為緩和曲線，主洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 S5a 型復(fù)合襯砌設(shè)計(jì)圖

2.2 隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

收集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)后， 利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法繪制數(shù)據(jù)時(shí)程散點(diǎn)圖，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析處理，并利用上述回歸數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 得到回歸曲線后，作出位移時(shí)程曲線圖， 根據(jù)所得曲線變化趨勢(shì)可判斷當(dāng)前施工的安全性，具體來說：

(1)當(dāng)位移時(shí)程曲線出現(xiàn)多處波峰波谷時(shí)，說明圍巖變形變化波動(dòng)大，隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)已趨于失穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)密切關(guān)注隧道變形情況，隨時(shí)做好應(yīng)急措施。

(2)當(dāng)位移時(shí)程曲線起伏不大時(shí)，說明隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定，可認(rèn)為此數(shù)據(jù)為最終累計(jì)變形值。

(3)參照相關(guān)規(guī)范中的有關(guān)于隧道變形的限值要求(表1)，若隧道最終累計(jì)變形值小于表中各限值，可認(rèn)為隧道圍巖在此階段已趨于穩(wěn)定，但需要注意的是，若最終累計(jì)變形值不斷趨近表中允許值時(shí)，盡管數(shù)值小于允許值，現(xiàn)場(chǎng)也應(yīng)采取臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)措施，以防止情況進(jìn)一步惡化。

表1 隧道周邊允許相對(duì)位移值(%)

2.3 隧道監(jiān)控量測(cè)應(yīng)用

2018 年4 月2 日，瑯口隧道進(jìn)口右洞YK7+470 段洞口淺埋段的地表出現(xiàn)裂縫，現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 隧道洞口淺埋段地表開裂

針對(duì)地表開裂現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)立即加強(qiáng)了對(duì)YK7+470 段地表的監(jiān)控量測(cè)工作。 具體布置方案為：洞口淺埋段設(shè)置10 個(gè)監(jiān)測(cè)樁號(hào)，采用水平儀及水平尺進(jìn)行量測(cè)，當(dāng)開挖面距量測(cè)斷面＜2B 時(shí)，量測(cè)頻率1～2 次/d；開挖面距量測(cè)斷面＜5B 時(shí)，量測(cè)頻率1 次/2d；開挖面距量測(cè)斷面＞5B 時(shí)，量測(cè)頻率1 次/周。 監(jiān)測(cè)結(jié)果見2。

表2 洞口淺埋段10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，從2018 年4 月2-5 日，監(jiān)測(cè)段的地表累計(jì)沉降量不斷增大，DBZ-1～DBZ-4 4 個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值分別為54 mm、63 mm、56 mm、54 mm，已超過預(yù)警值。 同時(shí)，全部10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化速率均遠(yuǎn)超過1 mm/d，最大為10.34 mm/d，最小為5 mm/d，沉降變化速率均已達(dá)到預(yù)警值。

考慮到該段地表沉降累計(jì)變化值部分已達(dá)到預(yù)警值，同時(shí)初期支護(hù)及地表已出現(xiàn)裂縫特征，經(jīng)分析，判斷是由于施工擾動(dòng)過大和初支受力調(diào)整變形所致， 由于地表為淺埋段土層，內(nèi)部受力結(jié)構(gòu)、受力方向不可預(yù)知，因此圍巖變形過大地段極易發(fā)生滑塌、冒頂?shù)仁鹿剩ㄗh停止施工，及時(shí)對(duì)YK7+470 段地表淺埋段的初期支護(hù)采取加固措施，防止繼續(xù)沉降導(dǎo)致局部滑塌、冒頂?shù)韧话l(fā)的安全事故。 同時(shí)，需繼續(xù)對(duì)本段實(shí)施跟蹤監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查工作，并及時(shí)與相關(guān)單位溝通，嚴(yán)防事故發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

為充分利用圍巖自身可控變形實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定， 作為新奧法施工技術(shù)重要實(shí)現(xiàn)手段之一的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，已成為目前隧道施工過程中必不可少的一環(huán)。 通過在地質(zhì)條件復(fù)雜的福建瑯口隧道中應(yīng)用該技術(shù)， 準(zhǔn)確定位了施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)部位， 以此對(duì)施工方案進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而及時(shí)有效規(guī)避施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)，保證工程的順利進(jìn)行，取得了滿意的效果。