隧道施工中监控量测技术的应用研究

蓝志杰，张成良

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093）

隧道施工中监控量测技术的应用研究

蓝志杰，张成良

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093）

在隧道施工中进行监控量测，通过对监控数据的分析可对隧道整体安全状态进行评估，对隧道施工组织和安排起到非常重要的作用，能有效避免安全事故的发生。文中通过对宣威至功南高速公路胡家地隧道围岩进行动态检测，及时了解初期支护和二次衬砌的受力情况，对支护体系的稳定性进行了综合评估。

隧道；监控量测；围岩；支护体系

高速公路隧道施工过程中首要考虑的因素是施工过程中的安全性和稳定性。监控量测作为新奥法施工的关键要素，是保证隧道现场施工安全和信息化设计的基础，能及时掌握隧道围岩动态和支护结构的使用情况，对施工进度、工程质量及经济投入都有非常重要的影响。该文结合宣威至功南高速公路胡家地隧道，探讨监控量测技术在隧道工程施工中的应用。

1　工程概况

1.1地质状况

胡家地隧道进口开挖掌子面围岩为浅黄色砂岩夹泥岩，强～中风化，岩质较软，节理裂隙发育，岩体破碎，呈碎石状，遇水易软化，掌子面潮湿，围岩完整性差，自稳能力差。所处地段为瓦房村断层与宣威断层夹持带，与两断层近同向的居舍河背斜构造的近西倾伏端，临近于储水段南东的局部补给、径流段。整个隧道岩体破碎～极破碎，岩性复杂，对隧道施工不利。地质状况见图1。隧道整体溶潜水富水性较强，地下水补给以大气降水为主，雨季时受地表水补给充分而使地下水赋存相对较丰富。

图1　胡家地隧道所在地的地质状况

1.2支护状况

该隧道埋深小，地表覆盖层较薄，岩体破碎，风化程度高，岩体完整性差，自稳能力弱，地表应做好防排水处理并保证雨季来临前洞外的支护及防水措施到位，确保隧道的安全。隧道地表多处被开挖、扰动，破坏了隧道地表边坡的原始形态和稳定性，在隧道开挖过程中应严格控制开挖进尺，减少超挖、控制欠挖，以利于岩体的稳定。进口处拱顶下沉位移过大，初期支护钢支撑环向裂缝贯通，砼局部掉块，裂缝有扩展趋势。支护状况见图2。

图2　胡家地隧道支护状况

2　施工监控量测方案

周边收敛、拱顶下沉和地表沉降是隧道围岩应力状态变化的最直观反映，通过监测获得的可靠信息有助于判断隧道空间的稳定性，确保隧道施工安全。主要监测仪器设备和监控量测频率见表1、表2。

2.1地质及支护状态观察

使用数码相机、罗盘、放大镜、钢卷尺等设备对开挖后掌子面及支护和衬砌的外观进行观察和记录，并用锤击法进行围岩弹性波测试。

表1　胡家地隧道主要监测仪器和设备

2.2拱顶下沉与周边收敛量测

2.2.1测点埋设

拱顶下沉与周边收敛测点布置在同一断面，分别布置在拱顶及两侧，埋设位置见图3。在避免爆破作业破坏测点的前提下，各测点尽可能靠近工作面埋设，距离一般为0.5～2.0m，并在下一次爆破循环前获得初始读数。初读数在开挖后12h内读取，最迟不超过24h，且在下一循环开挖前完成初期变形值读取。

表2　胡家地隧道监控量测频率

图3　胡家地隧道周边收敛与拱顶下沉测点布置

采用收敛计方法测量拱顶下沉时，净空收敛与拱顶下沉一般布设在同一个断面。用水平边BC值的变化实现对净空水平收敛的量测，用h值的变化实现对拱顶下沉的量测。如图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拱顶下沉、净空收敛数据处理

回归分析时，一般采用3种函数，通过对比，推算最终位移时采用3种函数中回归精度（拟合程度）较高的函数，不同测点的回归函数可能不同。最后绘制拱顶下沉及周边收敛的位移与时间（U-t）曲线和位移速率与时间（v-t）曲线。

图4　净空收敛与拱顶下沉的计算示意图

2.3浅埋段地表下沉量测

如图5所示，以隧道开挖轮廓的两拱角为基点，以45°向地表延伸，该区域内为隧道施工影响区域，也是地表下沉观测的范围。地表沉降测点主要根据隧道施工进度及隧道所处山体情况和环境变化布置，从隧道开工到结束，根据实际情况及施工需要在隧道进口浅埋段布置监测点。每个横断面上布置7个以上测点，分别布置在隧道轴线及轴线两侧，隧道中线附近测点较密，远离隧道中线处测点较稀。

图5　胡家地隧道地表沉降测点布置示意图

2.4锚杆拉拔试验

锚杆拉拔力是锚杆材料、加工和施工安装质量的综合反映，根据锚杆拉拔试验直接读取。现场进行锚杆拉拔试验，按照300根至少抽取1组（3根）的要求，用锚杆拉拔仪测试所抽取锚杆的拉拔力。设计拉拔力为70kN，要求28d拉拔力平均值≥设计值，最小拉拔力≥0.9设计值。按照上述标准，所监测的2组锚杆拉拔力全部合格。

2.5选测项目

选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段及试验区段进行补充测试，应尽可能选在特殊地段，如围岩差的地方、加宽带、进出口的浅埋段等，主要监测围岩内部移动与二次衬砌砼受力情况。监测仪器有压力盒、钢筋计、位移计、锚杆轴力计、砼应变计。其中：压力盒主要埋设在初期支护与围岩间（见图6），主要监测围岩与初期支护间接触压力；砼应变计主要埋设在二次衬砌砼内，用于量测二次衬砌砼的内力变化。

图6　胡家地隧道压力盒测点布置示意图

3　监测结果

3.1地质及支护状态观察

胡家地隧道地质及支护状态观察结果如下：隧道上方有一采石场，经过长时间的采石作业及地表破坏，其上方已形成较大采空区，虽然已经过回填，但其渗水保护层已被破坏，易造成地表水下渗，对隧道施工不利，特别是容易造成塌方甚至冒顶，应引起特别注意并加强支护。隧道中部围岩为强风化白云岩夹玄武岩，岩石节理裂隙很发育，岩体破碎～极破碎，层间结合力差。开挖后围岩无自稳能力，易产生坍塌甚至冒顶，下雨时隧道浅埋段可能出现较大涌水。

3.2拱顶下沉和周边收敛

在胡家地隧道布置拱顶下沉监测断面，共布置202个监测点，从监测结果来看，各断面在隧道二次衬砌浇灌前拱顶累计下沉量和隧道周边收敛都小于最大预留变形量的1/3，即50mm，位移速率小于4.15mm/d。图7为K12+843断面周边收敛曲线，从中可见位移速率和位移累计都符合要求。

图7　胡家地隧道K12+843断面周边收敛曲线

3.3地表下沉

表3为部分测点地表下沉检测结果，从中可见地表沉降已趋于稳定。

3.4监测结果分析和建议

根据监测结果，该隧道拱顶下沉、周边收敛值较小，其中K12+843拱顶下沉平均位移速率为1.09 mm/d，累计下沉量为45mm。隧道开挖扰动过大时仍会加快隧道拱顶下沉和周边收敛，甚至引起塌方，需控制隧道开挖强度、开挖进尺和台阶高度，错台施工，根据隧道监测结果及时调整施工工艺并加强支护，保证隧道的稳定。地表累计最大位移为135mm，日沉降最大变化速率为6.14mm，未超过规范允许值。

表3　胡家地隧道部分地表下沉检测结果

从拱顶下沉、周边收敛监测数据来看，洞内整体变形相对较小，围岩趋于稳定，表明采用的支护参数可确保安全。通过对隧道出口地表的监测，去除测量误差影响后，总体上各监测断面各测点累计下沉量较小。但在隧道下断面开挖处，受施工影响，各监测点的位移还会有一定波动，未加盖二次衬砌时还需要继续观测。开挖时应及时支护，防止渗水导致围岩粘性不足而发生掉块甚至塌方，并加强排水，以免出现渗水现象影响正常施工。施工中应结合监测成果，在隧道围岩变形稳定后再进行二次衬砌施工，将掌子面与二次衬砌工作面之间的距离控制在规定范围内。

4　结语

根据监测结果，胡家地隧道的围岩和支护体系皆满足公路隧道相关规范的要求，可保证施工的顺利进行。由于在隧道开挖过程中会对围岩产生多次扰动，对隧道的稳定性不利，应采用“多台阶、短进尺、弱扰动、及支护、早成环”的方式进行施工。施工中加强监控量测，并注意保护监控测点，以免因测点被破坏或复喷覆盖而造成监测数据缺失。

围岩稳定性判断是一项复杂且非常重要的工作，必须结合具体工程情况，根据所测得的位移量或回归分析所得的位移量、位移速度及变化趋势、隧道埋深、开挖断面大小、围岩等级、支护所受压力、应力应变等进行综合分析判断。隧道施工中必须加强山体变化及初期支护和二次衬砌的受力情况监控，及时掌握隧道整体稳定情况，并实时作出调整，避免不安全事故的发生。

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2016-01-21