监控量测技术在琅口隧道中的应用

吴圣增

(沙县农村公路管理站，三明 365050)

1 隧道监控量测技术概述

1.1 监控量测技术内涵

为满足国民经济的全面发展，同时兼顾我国地形地貌复杂多变的基本情况，在公路铁路修建中大量采用隧道结构已逐渐趋于常态。不同于其他常规工程建(构)筑物，埋深于隐蔽岩土层中的隧道施工， 往往面临着诸多未知的风险[1-2]。 为此，利用现场监控量测技术获得实时地层及支护结构数据以反馈现场施工的新奥法已成为隧道工程施工中的核心方法[3]。 国内外有关于隧道监控量测技术的研究一直伴随着新奥法理念而发展，其中以压力盒、位移计及应变片等布置在隧道结构用于监控量测的接触式方法最早[4]；随后发展了以激光测距为代表的非接触式监测技术，国外学者R Lindenbergh 和G Walton 等利用激光扫描技术开展隧道断面变形的量测工作[5-6]；随着监控量测技术发展至今，逐渐形成了一套综合多种已有量测设备的监控系统，用于开展隧道施工现场的监控量测工作，朱合华等[7]石碧波[8]研发了用于隧道施工全过程跟踪的量测系统。

1.2 监控量测目的

鉴于隧道工程因其特殊的隐蔽性给工程掘进带来的诸多挑战， 因此， 要求隧道掘进过程中遇到包括断层、涌水等在内的不良地质及通道交叉、断面变化等特殊结构设置地段等情况时， 在相应区域内设置系统全面的监测断面，以达到准确预判隐患事件，保障人员和结构的安全性；动态调整施工方案，保障施工的顺利进行；对原设计方案进行科学研判，为今后同类似项目提供借鉴和参考等3 方面的目的。

1.3 项目内容

隧道现场监控量测方案往往需要根据隧道围岩条件、开挖方法以及衬砌形式等方面进行确定，主要有以下内容。

(1)视觉观察

监测人员通过肉眼对施工影响区域范围进行初步监控量测，隧道内的掌子面和初期支护为重点区域，隧道每进尺后都需对掌子面变化情况进行观测， 并通过地质素描和文字表述相结合的方法进行记录。

(2)洞身水平收敛和拱顶沉降量测

水平收敛和拱顶沉降的现场量测应紧跟施工工序进行，隧道掘进后24 h 内最佳。 全断面掘进时，应保持至少一条水平收敛测线和两条拱顶沉降测线；台阶法掘进时，保证每个台阶进尺结束后至少布置有一条水平收敛测线和两条拱顶沉降测线。

(3)地表沉降量测

相较于洞身水平收敛和拱顶沉降的量测的滞后性，地表沉降量测能体现隧道掘进过程的实时性， 即地表变形随掌子面推进的变化情况。因此，要求地表沉降量测断面与水平收敛、拱顶沉降量测断面保持一致，且量测范围应覆盖两侧拱脚45°线范围。

(4)支护结构内力量测

支护结构内力量测主要在于围岩压力和初期支护结构两部分， 其中围岩压力通过在初期支护外表面布置压力盒进行量测， 钢拱应力通过焊接在内翼缘的钢筋计测得，混凝土应力采用埋入应变计进行量测。

1.4 监控量测数据处理与分析

(1) 误差处理

由于隧道工程现场环境复杂、 施工人员水平差异及监测设备精度不一等问题， 致使量测数据出现难以预料的误差， 而将统计学相关理论方法运用到原始数据的筛查、处理和分析，可以及时准确对隧道结构稳定性进行判断，从而保证施工安全，为评价和修改隧道支护参数，确定施工工序等提供依据。

(2)回归分析

受上述各类数据误差分析，受仪器系统误差、仪器随机误差以及人员测量误差等因素的影响， 致使量测所得数据出现一定程度的离散特征。而在隧道监控量测中，各项监测数值均与作业时间紧密相关， 若直接使用未经处理的离散型原始数据， 极容易导致各项监测数据失去规律性，不便于反映对应监测项目随时间的变化规律，难以指导现场施工。

此时， 可采用回归分析的数学理论对原始数据进行处理， 即选取一与实测数据变化趋势吻合且数值误差在允许范围内的函数曲线，对原始数据进行拟合。

选择函数方程对原始监测数据进行拟合时，需从曲线变化趋势和数值准确度两方面进行考量，因而引入残差平方和C 的概念用于判断拟合曲线的匹配程度：

式中，C 为残差平方和；yi为实测数据；yi′为拟合曲线对应值。

通过对残差平方和C 求极值， 可获得保证回归方程残差平方和C 最小的系数解：

式中，a，b 分别为拟合函数中的两个系数。

从中解出系数后，得到拟合后的回归方程：

引入相关系数R 用于判断拟合曲线的数值的关联程度：

式中，R 为相关系数； 为实测数据算术平均值。 当R越接近1，回归曲线拟合效果越好。

2 施工监控量测技术在隧道施工中的应用

2.1 工程概况

拟建隧道位于福建快速通道改线工程沙县段， 隧道全长2530 km，最大埋深358.5 m，洞室净空10.25×5.0 m，全线四车道设计，洞身轮廓采用单心圆，且洞身线型整体为缓和曲线，主洞衬砌结构设计如图1 所示。

图1 S5a 型复合衬砌设计图

2.2 隧道监测数据分析

收集现场监控量测数据后， 利用数理统计方法绘制数据时程散点图，对数据进行误差分析处理，并利用上述回归数学方法对数据进行分析。 得到回归曲线后，作出位移时程曲线图， 根据所得曲线变化趋势可判断当前施工的安全性，具体来说：

(1)当位移时程曲线出现多处波峰波谷时，说明围岩变形变化波动大，隧道围岩和支护结构已趋于失稳状态，此时应密切关注隧道变形情况，随时做好应急措施。

(2)当位移时程曲线起伏不大时，说明隧道围岩变形趋于稳定，可认为此数据为最终累计变形值。

(3)参照相关规范中的有关于隧道变形的限值要求(表1)，若隧道最终累计变形值小于表中各限值，可认为隧道围岩在此阶段已趋于稳定，但需要注意的是，若最终累计变形值不断趋近表中允许值时，尽管数值小于允许值，现场也应采取临时补强措施，以防止情况进一步恶化。

表1 隧道周边允许相对位移值(%)

2.3 隧道监控量测应用

2018 年4 月2 日，琅口隧道进口右洞YK7+470 段洞口浅埋段的地表出现裂缝，现场如图2 所示。

图2 隧道洞口浅埋段地表开裂

针对地表开裂现象，现场立即加强了对YK7+470 段地表的监控量测工作。 具体布置方案为：洞口浅埋段设置10 个监测桩号，采用水平仪及水平尺进行量测，当开挖面距量测断面＜2B 时，量测频率1～2 次/d；开挖面距量测断面＜5B 时，量测频率1 次/2d；开挖面距量测断面＞5B 时，量测频率1 次/周。 监测结果见2。

表2 洞口浅埋段10 个监测点监测结果

从监测结果可知，从2018 年4 月2-5 日，监测段的地表累计沉降量不断增大，DBZ-1～DBZ-4 4 个地表监测点累计沉降值分别为54 mm、63 mm、56 mm、54 mm，已超过预警值。 同时，全部10 个监测点的沉降变化速率均远超过1 mm/d，最大为10.34 mm/d，最小为5 mm/d，沉降变化速率均已达到预警值。

考虑到该段地表沉降累计变化值部分已达到预警值，同时初期支护及地表已出现裂缝特征，经分析，判断是由于施工扰动过大和初支受力调整变形所致， 由于地表为浅埋段土层，内部受力结构、受力方向不可预知，因此围岩变形过大地段极易发生滑塌、冒顶等事故，建议停止施工，及时对YK7+470 段地表浅埋段的初期支护采取加固措施，防止继续沉降导致局部滑塌、冒顶等突发的安全事故。 同时，需继续对本段实施跟踪监测及现场巡视检查工作，并及时与相关单位沟通，严防事故发生。

3 结语

为充分利用围岩自身可控变形实现隧道结构的稳定， 作为新奥法施工技术重要实现手段之一的监控量测技术，已成为目前隧道施工过程中必不可少的一环。 通过在地质条件复杂的福建琅口隧道中应用该技术， 准确定位了施工过程中的风险部位， 以此对施工方案进行相应动态调整，从而及时有效规避施工过程中的风险，保证工程的顺利进行，取得了满意的效果。