针对隧道工程现场监控量测技术应用

隧道工程现场监控量测技术应用宋心琳1吴国芝1曾水泉2（1、江西省交通工程集团公司江西南昌330003）（2、江西省抚州市公路管理局江西抚州344000）摘要：根据杭州至千岛湖高速公路第七合同段南峰、善岭隧道工程实例，介绍南峰、善岭隧道的现场监控量测工作、量测方法、量测数据处理和分析以及实行监控量测所产生的效果。关键词：隧道工程；监控量测；新奥法；复合衬砌；二次支护0前言南峰隧道和善岭隧道是杭千高速公路杭州至桐庐段重要工程之一，位于杭州富阳境内，南峰隧道位于南峰村西南，隧道起讫里程为K27+010～K27+410，长400m。善岭隧道位于南峰隧道出口后跨越毛竹湾山沟的西南侧山坡上，隧道起讫里程K27+487～K27+815，长328m。两隧道均为6车道连拱隧道，全隧道建筑限界净宽30.00m，净高5.0m，设计纵坡：南峰隧道为+1.5%的单向坡；善岭隧道于K27+600变坡，由+1.5%变为+0.992%的上坡坡度，两隧道均位于R=5691.11m的圆曲线上，根据设计和钻探资料，两隧道位于富春江河谷平原堆积地貌区，南峰隧道进出洞口地段地形起伏较大，植被发育。表部为残坡积土，Vp=500m/s-900m/s，层厚1.0m-4.0m。下伏基岩，中风化砂岩，Vp=1700m/s-2800m/s，层厚4.0m-10.0m，微风化砂岩厚度大，Vp=2800m/s-3600m/s，岩石为块、碎石状结构，节理很发育。地下水不发育，主要为基岩裂隙水。善岭隧道进洞口地形起伏较大，出洞口较平缓，表部第四系残坡积土为含碎石亚粘土Vp=600m/s-1000m/s，结构松散，稳定性差；下伏基岩为强风化砂岩，厚约6.0m，Vp=1000m/s-1800m/s。中风化砂岩，厚度大，Vp=1900m/s-2800m/s，节理发育。微风化砂岩Vp=2800m/s-3900m/s。节理裂隙较发育。地下水不发育，主要为裂隙水。两隧道的最大埋深为74m。围岩类别设计，见表1。表1围岩类别设计统计表隧道名称围岩类别长度所占比例南峰隧道明洞358.75Ⅳ7017.5Ⅲ5513.75Ⅱ24060小计400100善岭隧道明洞185.5Ⅳ3510.6Ⅲ7021.4Ⅱ20562.5小计3281001监控量测目的现场监控量测是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术之一，其信息反馈资料是指导施工、动态设计的基础。根据新奥法的基本原理和设计要求，在两隧道实施监控量测，其主要目的为：1、为了掌握围岩在开挖过程中的动态和支护结构的稳定状态。2、掌握围岩力学形态的变化和规律，对围岩稳定性作出实际评价。3、确定支护结构形式，参数和支护时间，掌握支护结构的工作状态。4、作出工程预报，确定施工对策和开挖台阶长度。5、为理论解析、数据分析和工程类比提供计算数据和对比指标。6、监视险情，确保施工安全。7、为隧道工程施工积累资料和经验。根据设计要求及实际地质情况，南峰隧道和善岭隧道监控量测的项目定为：地质及支护状况观察、围岩周边位移量测、拱顶下沉量测和地表下沉量测共四个项目。2量测方法2.1地质及支护状况观察隧道各个工作面，重点在Ⅳ、Ⅲ类围岩地段，每次爆破开挖、喷混凝土初期支护后，通过铁锤锤击检查、肉眼观察、地质罗盘量测，对岩性、结构面产状、支护和岩层裂隙、溶洞、风化程度、岩层厚度和颜色、地下水等进行记录和描述，判断围岩的稳定性，核对围岩级别、岩质、断层破碎带、褶皱等，对重要或特殊部位进行拍照存档，测量地下水流量及其腐蚀性，同时通过断面测量做实际断面与设计断面对比图，如图1所示。 图1南峰隧道右侧主洞初支后横断面图2.2围岩周边位移量测隧道爆破开挖后，尽可能早的在隧道的拱顶、拱腰和边墙部位分别埋设测桩；(1）测桩要求在开挖爆破后24h内与在下一循环爆破前完成全部埋设，并读取初读数；（2）测桩应尽可能布置在同一断面，Ⅱ类围岩每10m-15m一个,Ⅲ类围岩每15m-25m一个，测量点应尽可能选择具有代表性的地方,以便测量数据的分析及为以后的工作提供经验,布置如图2所示；（3）测桩埋设深度30cm左右，钻孔直径同锚杆，采用早强锚固剂固定，测桩表面用保护罩防护；（4）净空水平收敛两测点应在同一水平线上，采用SWJ-TV型收敛计量测收敛变形。由于南峰及善岭隧道地质情况较好，洞内量测间距平均为30m，洞门段为10m。图2洞内水平收敛量测布置图2.3拱顶下沉量测拱顶下沉量测点布置在隧道的拱顶中轴线处，测点表面设一个挂钩，与周边位移量测同一个断面。作为围岩周边位移量测的补充，采用高精度的水准仪和钢尺量测拱顶的绝对下沉量，布置如图3所示。图3洞内拱顶下沉量测布置图2.4地表下沉量测在隧道出入口各设5个量测断面，间距10m，在选定的量测区域内，设测量方便、牢固的基准点，在深40cm的土坑内打入60cm长的φ22钢筋，外露3cm-4cm并用混凝土填实，按顺序编号并在附近打上大木桩便于寻找。测点沿地面布置在隧道轴线及其两侧5个点，测点间距2m-5m，中间间距小，两边间距大。用精密水准仪测量。隧道开挖到距测点前后各10m-20m范围内进行量测，直到沉降稳定以后停止测量。2.5数据采集频率根据施工开挖监控量测设计图的要求，同时为了满足数据分析的需要，测量读数的频率不得小于规范的要求，其数据采集频率见表2。表2数据采集频率项目名称量测间隔时间地质及支护状态观察每次爆破后进行水平净空收敛及拱顶下沉量爆破后24小时内进行0-18m18-36m36-90m>90m1-2次/天1次/天1次/2天1次/周地表下沉仰拱开控后12小时内进行0-15天16天-1个月1-3个月>3个月1次/天1次/2天1-2次/周1-3次/月3量测数据的整理与分析监控量测小组对隧道相应断面的测点进行净空水平收敛量测及拱顶下沉的同步量测，根据现场量测记录和采集数据，对数据进行整理和回归分析，并进行非线性回归计算，可以得到相应围岩的收敛速度及变形加速度等。为进一步判断量测部位的围岩自稳性质、初期支护的支护效果，对工作面前方未开挖部分的地质情况作出了预报，便于施工中采取事先有效的预防措施，提高工程的进度和工效。3.1绘制4种曲线数据采集后，及时进行分析处理，在量测的当天根据现场量测数据和实际情况绘制以下曲线：（1）净空水平收敛时态曲线。（2）拱顶下沉时态曲线。（3）净空水平收敛与距开挖工作面距离的关系图。（4）拱顶下沉与距开挖工作面距离的关系图等。3.2提供有关资料将数据和各种图表分析处理后，及时提供给隧道施工单位、监理和业主，便于指导施工和安全生产。3.2.1水平净空收敛量测(周边位移量测)南峰和善岭隧道水平净空收敛均采用SWJ-TV型收 图4南峰隧道进口净空水平收敛时态曲线图敛计量测，隧道净空水平收敛量测后，根据测量成果，绘出周边位移s与时间t的对应分散点，同时进行一元非线性回归计算，绘出周边位移s与时间t的圆滑变化曲线。判断净空水平收敛的变化速率相对较小，变形呈收敛趋势，围岩趋于稳定。如南峰隧道净空水平收敛时态曲线图4。3.2.2拱顶下沉量测拱顶下沉采用高精度的水准仪和钢尺进行量测，量测断面与周边位移量测断面对应，绘出拱顶下沉s与时间t的对应分散点，同时进行一元非线性回归计算，绘出拱顶下沉s与时间t的圆滑变化曲线，判断拱顶下沉的变化速率相对较小，变形呈收敛趋势，围岩趋于稳定。如善岭隧道拱顶下沉量测时态曲线图5。图5善岭隧道进口拱顶下沉量测时态曲线图从善岭隧道桩号K27+500这个具有代表性的“隧道拱顶下沉时态曲线”可以判断出，该隧道拱顶下沉绝对值比较小，在20mm左右，并具有明显的收敛趋势，经过1个半月后，在下台阶开挖完成后，基本趋于稳定，围岩性质相对良好。3.2.3地表下沉量测地表沉降量测采用高精度的水准仪，根据测量记录，对量测数据进行一元非线性回归分析，作出地表下沉时态曲线。由于善南峰隧道出口顶部覆盖厚度不均匀，同一段面左厚右薄，在轴线中心附近的测点(K27+390)处，隧道覆盖层＜15m，其下沉具有典型性和代表性，予以列出，如图6所示。图6南峰隧道出口地表下沉量测时态曲线图通过时态曲线图分析可以看出，地表的总体下沉量也较小，也在20mm左右，并具有明显的收敛趋势，说明此处虽然隧道覆盖层较小，但围岩性质相对良好。3.2.4回归分析在实际量测中，由于量测人员、条件等因素的限制，必然产生偶然误差，量测散点在图中呈上下波动。由于监控量测数据一般不具有线性关系，而是曲线关系，需进行一元非线性回归分析，现以南峰隧道进口K27+035断面水平收敛量测进行回归分析，其步骤如下：①确定回归方程：根据散点图中的散点拟合曲线的分布特征、变化特性、收敛性等，从理论和以往经验选择能代表两变量之间内在关系的函数类型，从图4“散点图”的模型的走向取函数作为回归函数较合理。回归分析的主要任务就是要根据量测数据t（时间）和u（收敛值）去估计未知参数A,B：进行线性相关的显著性检验;并利用对A,B估计的结果，通过t值去预测u值；②确定参数A和B：利用最小二乘法估计参数A和B时，有离差平方和，为了使S取最小值，将上式分别对A及B求偏导数，(r为相关系数) K27+035观测断面根据实测原始收敛数据，采用指数函数对实测关系曲线进行回归计算，得回归方程如下：μ=由回归方程推求最终位移量：μ=取t=∞，得最终位移值μ==20.2013；③围岩稳定的判断K27+035观测断面水平收敛:=×＜0；围岩趋于稳定状态。④二次支护时机控制:对K27+035观测断面各测线回归方程进行分析,由=×＜0.2mm/d,通过数据分析及计算可以得出t≥22d时围岩变形满足要求。经过开挖后60d内跟踪量测，围岩收敛变形位移量小，从量测数据可以明显看出开挖后22d围岩基本稳定，由以上分析结果建议K27+035观测断面围岩可以在开挖22d后不用再进行量测，可以进行二次衬砌；⑤拱顶沉降及地表沉降量测数据分析同水平收敛。5结语通过对南峰和善岭隧道的监控量测数据分析和隧道现场施工的情况，可以得到以下主要结论：1、当隧道水平位移收敛速度为0.1mm/d-0.2mm/d,拱顶下沉位移速度为0.1mm/d时，可以认为围岩已基本稳定.对于Ⅳ、Ⅲ围岩,二次衬砌按承受部分围岩压力设计,应根据量测结果确定二次衬砌施作的适当时间,施作过早可能使二次衬砌承受过大的荷载,施作过迟则可能使初期支护破坏。2、两隧道围岩整体相对稳定，自稳性强，未发生塌方，除进出口局部地段外，为Ⅳ类围岩，其余设计围岩以Ⅲ、Ⅱ类为主。3、部分围岩特性好的区域，在隧道上台阶开挖后、未施加初期支护的情况下，其水平变形和拱顶变形量比较小。说明上台阶开挖施作的初期支护发挥的作用有限，因此部分地段短台阶法开挖可调整为长台阶开挖，以加快施工进度。4、在监测过程中,若发现净空位移量过大或收敛速度无稳定趋势时,对结构应采取如下补强措施：(1)增加喷混凝土厚度,或加长加密锚杆,或加挂更密更粗的钢筋网；(2)提前施作二次衬砌,要求通过反分析较核二次衬砌强度；(3)提前施作仰拱。5、若发现净空位移收敛速度具有稳定趋势时，应据此求出隧道结构初期支护及二次衬砌上的最终荷载，以便对结构的安全度作出正确的判断。6、若经过对各种量测数据联合反分析后,发现初期支护或二次衬砌结构安全系数较大,在经过设计人员同意后,可对下一段与此地质类型相近的支护参数作适当调整，即支护类型变更。7、对围岩类别的变更及对支护参数的调整均必需有相应的量测数据并得到设计方同意。参考文献：[1]JTJ026-9.公路隧道设计规范[S].[2]JTJ042-9.公路隧道施工技术规范[S].[3]朱汉华.尚岳全等编著.公路隧道设计与施工新法[M].北京：人民交通出版社.