隧道监控量测分析应用

韦观长（中电建路桥集团有限公司，福建福州350000）

隧道监控量测分析应用

韦观长（中电建路桥集团有限公司，福建福州350000）

在隧道施工中对围岩与支护状况进行监控量测是新奥法施工的重要环节。全面、系统的监控量测，实时掌握围岩和支护结构在开挖过程中的变形及受力状态，不仅可以最大程度减少塌方事故，也可以为评价和修改支护参数以及二次衬砌施作时间提供信息依据。

隧道施工；监控量测；受力状态；信息依据

1 概述

1.1 隧道施工概述

新奥法根据弹性理论，以岩石力学为基础，提出支护结构参数，开挖后采用柔性支护，运用各种手段（短进尺、弱爆破、早封闭、勤量测）控制围岩变形，依靠现场量测来指导隧道的设计和施工。

快速、准确地进行现场监控量测和信息反馈是应用新奥法施工的关键。隧道监控的作用有以下几点：

（1）通过施工和环境监测进行信息反馈，优化施工组织设计，指导现场施工，确保隧道施工的安全与质量和工程项目的社会、经济和环境效益。

（2）通过对拱顶下沉、浅埋段地表下沉和洞周净空收敛进行量测，对隧道支护的稳定性做出综合评价，并可确定合理的二次衬砌浇筑时间。

（3）可为评价和修改设计参数提供可靠的数据支持。同时将量测等到的结果迅速反馈到设计施工中去，以提高隧道施工的安全性、经济性。

1.2 检测目的

为保证公路隧道施工质量，及时发现施工中存在的缺陷，尽早进行缺陷处理。了解隧道衬砌的潜在隐患，作为隧道竣工验收、以及隧道结构状态评估和病害整治设计的重要依据。

2 监控量测方法和手段

根据大夫岭隧道的地质特点，综合考虑《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）及设计文件的要求，并结合山岭隧道特别是浅埋、大跨、小间距、断层与侵入岩脉共生等复杂条件下的施工经验，拟对大夫岭隧道的监控量测工作分为必测项目四项分别为：

（1）洞内外观察；

（2）拱顶下沉量测；

（3）周边收敛量测；

（4）浅埋段地表下沉量测。

2.1 洞内外观察

通过观察揭露的隧道掌子面地质情况，掌握隧道实际围岩状况，分析隧道掌子面的稳定状态，并提出必要的预警；通过观察隧道洞内初期支护的状态，及时发现各种异常现象并进行跟踪观察，评价初期支护的稳定性。

洞外观察包括洞口地表沉陷情况、边仰坡及地表建筑物的稳定、地表水渗透的观察。

2.2 洞周收敛量测

在避免爆破作业破坏的前提下，各测点尽可能靠近工作面埋设，一般为0.5～2m，并在下一次爆破循环前获得初始读数。初读数在开始后12h内读取，最迟不超过24h，而且在下一循环开挖前，完成初期变形值的读数。

采用钢尺收敛计进行数据采集，每次读数2次，两次之间差值应不大于0.02mm，否则应重现进行测读。

2.3 拱顶下沉量测

在每个量测断面的拱顶中心及两侧埋设收敛预埋钩，埋设方式及断面位置同周边收敛量测。采用精密水准仪配合钢尺收敛计采集数据。

2.4 浅埋段地表沉降量测

用精密水准仪进行测量点观测，观测坚持四固定原则，即：施测人员固定，测站位置固定，测量延续时间固定，施测顺序固定，且应每隔30d用精密水准测量的方法进行基点与水准点的联测，其误差不得超过（n为测站数）。

3 监测断面布置及观测频率

3.1 地质及支护状况观察描述

地质及支护观察分掌子面观察和已施工区段观察两部分。掌子面观察应在每循环开挖后进行1次。对施工区段每天至少进行1次观察，观察内容包括喷射混凝土、锚杆、钢架的状况，以及施工质量。

3.2 拱顶下沉与周边收敛量测

拱顶下沉与周边收敛观测在同一个断面内进行。结合大夫岭隧道的工程特点，按表1所示的监测频率进行监测，以确保为动态反馈设计及信息化施工提供及时的监测信息。不同开挖工法下的测线测点布置图见图1。

表1 拱顶下沉与周边收敛监测频率

图1 拱顶下沉及洞周收敛测点布置示意图

3.3 浅埋地表下沉量测

地表下沉量测在隧道浅埋处进行。量测点的布置与拱顶下沉及周边收敛的测点在同一断面上。量测线在开挖面前方h+B/2（h为隧道开挖面的埋深，B隧道开挖宽度，针对大夫岭隧道按5m计）处开始，直至开挖面后方约50m。测点布置示意图见图2。

3.4 非接触量测

3.4.1 概 述

图2 地表下沉测点布置示意图

为满足现代隧道快速、大跨、安全施工需求，现已越来越多地采用非接触监控量测。又叫全站仪三维非接触量测。可用于隧道拱顶下沉量测、隧道净空变化量测、隧道断面检查、掘进掌子面断面放样等。

3.4.2 非接触量测的工作原理

所谓非接触监控量测就是将全站仪安置在任意测站点，整平后，观测已知点的方向、距离和高程，通过反算，得出该测站点仪器中心的坐标和标高；然后观测被测点，根据测点的方向、距离计算出各测点的三维坐标，从而得出测点的三维位移矢量或测点相对收敛值，准确、快速地为施工提供参考数据。3.4.3 非接触量测的实施

（1）埋设测点

测点的布置按相关要求进行，拱顶下沉、净空变化量测的埋点时间要基本一致。埋点前，应先制作反射靶标，用3mm左右厚度的铁片制作成70mm×70mm大小的方块，表面上贴上60mm×60mm的测量专用反光片，中间钻直径为3mm的小孔；埋点直接用膨胀螺栓将反射靶标锚固在初期支护的表面。

（2）固定基点

为方便、快速进行非接触量测，应在洞外或已成型、稳定的二衬砌地段设一基点，作为量测时全站仪的后视基点。基点应有确定的三维坐标，基点应经常复核，防止位移而发生观测数据不准。

（3）自由设站

以尽量不影响隧道施工为前提，将全站仪自由架设在隧道内任意位置，整平后即可。为了消除膜片倾斜对测距的影响，同一测点在每次量测时测站位置应大致相同。

（4）测量数据

观测时以反射靶标中心小孔为照准点，采用双盘测回结合三次重复照准的冗余观测方法，即每一测站上分别用两个盘位连续、重复照准三次目标点，然后取平均值作为一次设站观测的结果。为提高测量精度，每次监测时，应在同一位置三次重复设站。

（5）数据处理和分析

将每次测量记录按要求输入装有相应后处理程序的计算机，计算机将自动分析量测数据，并相应输出量测成果，并打印报表。

4 监控量测信息的处理与管理

4.1 现场实测资料的录入与整理

现场按时对监测项目进行量测，并对各物理量值按各类仪器的工作特征、埋设情况进行修正，测量当天绘制各量值与时间、空间的关系曲线。若有异常的观测数据，测量现场直接提交结果。

4.2 量测数据的深入分析与处理

根据量测数据曲线的变化过程，划分急剧增长段、缓慢增长段及基本稳定段，判断其稳定程度及提出对下步施工的意见。

实测资料经过分析后，确定各物理量的绝对值，变化速度、变化加速度、坡度等四个指标，作为判断稳定的标准值。经过相关分析，找出各物理量和时间及施工进尺的关系，推算各变化量随开挖进尺、时间推移的变化趋势。

4.3 变形等级管理

监控量测的主要目的就是保证施工安全，因此，对监控量测实施三级管理。三级管理可通过极限位移值、位移速度、位移速度变化率等综合考虑，无论哪种方法，一旦达到Ⅰ级管理状态，必须立即停止掌子面掘进施工。

4.3.1 通过极限位移值管理

主要根据测点的累计位移值U、测点距开挖面的距离来判定，如表2所示。

表2 位移管理等级

4.3.2 通过位移速度管理

Ⅲ级：净空变化速度小于0.2mm/d，拱顶下沉速度小于0.15mm/d，围岩基本达到稳定。可正常施工。

Ⅱ级：净空变化速度在0.2～5.0mm/d之间，应加强监控量测频率。加强支护措施。

Ⅰ级：净空变速度持续大于5.0mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强监控量测频率。应加强支护措施。

4.3.3 通过位移速度变化率来管理

Ⅲ级：当围岩位移速速度不断下降时（du2/d2t＜0），围岩趋于稳定状态；

Ⅱ级：当围岩位移速度保持不变时（du2/d2t=0），围岩不稳定，应加强支护；

Ⅰ级：当围岩位移速度不断上升时（du2/d2t＞0），围岩进入危险状态，必须立即停止掘进，加强支护。

4.4 预警指标

根据《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）规定，隧道周边最大允许相对位移（指实测位移值与两测点间距离之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比）见表3。

表3 各级别围岩下不同覆层厚度的初衬允许相对位移

根据表3，并结合实践经验，特建议对安全状态进行分级，采用绿、黄、红三色作为安全状态标志。各级别的分级标准及应对措施见表4。

表4 安全状态分级标准

4.5 二衬施作时间及量测结束时间的确定

（1）二衬施作时间

各测试项目显示位移速度明显减缓并已基本稳定、各项位移已达到预计位移量的80～90%（预计位移量可通过回归分析得到）、位移速度小于0.10～0.2mm/d时，可施作二衬。

（2）监控量测结束时间

只有下列条件同时满足时，方可结束某一断面的监控量测：

①测点距开挖面距离小大于5B；

②当净空变化速度小于0.2mm/d、拱顶下沉速度小于0.15mm/d且持续时间不少于15d；

③位移累计值达到预计最大位移量的90%以上。

[1]《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）.

[2]《公路隧道施工技术规范》（JTG042-94）.

[3]《公路隧道工程施工图设计资料》.

[4]《新建铁路测量规范》（TB10101-99）.

U456.3

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2095-2066（2016）24-0200-03

2016-8-10