【摘要】監(jiān)控量測(cè)作為新奧法的重要組成部分，是現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)、施工以及安全監(jiān)測(cè)必不可少的環(huán)節(jié)，但通過對(duì)現(xiàn)有工程實(shí)例的調(diào)查分析，監(jiān)控量測(cè)大多停留在布置測(cè)點(diǎn)、采集數(shù)據(jù)的程度上，并沒有對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的回歸分析，利用最能反映圍巖真實(shí)變化的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、建立安全預(yù)警系統(tǒng)。本文結(jié)合塔吉克斯坦塔中公路一期工程哈特隆隧道項(xiàng)目，對(duì)于采用新奧法施工的大斷面隧道如何通過結(jié)合監(jiān)控量測(cè)手段降低隧道施工過程中塌方概率進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】新奧法；監(jiān)控量測(cè)；隧道；塌方

1. 工程概況

哈特隆隧道屬于DUSHANBE-KULMA公路修復(fù)改造項(xiàng)目一期工程（塔吉克斯坦至中國(guó)邊境公路）DUSHANBE-DANGARA段的重要部分，隧道全長(zhǎng)4430米。隧道的地質(zhì)地層復(fù)雜，巖層主要是黃土、砂巖、粉砂巖，地質(zhì)構(gòu)造中存在兩處角礫斷層帶和多處的斷層，且含水量豐富，施工難度較大。哈特隆隧道于2010年3月15日正式開工，2013年9月完工，歷時(shí)3年半，按照“新奧法”（NATM）施工工藝，采用鉆爆法施工，并采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)。在隧道施工過程中，由于前期地勘受地形和探測(cè)精度的影響較大，勘探結(jié)果無法全面揭示掘進(jìn)過程中遇到的圍巖真實(shí)情況，要依靠地質(zhì)雷達(dá)等勘探手段在施工前查明隧道工程巖體的狀態(tài)、特性，特別是要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)隧道施工中可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模和性質(zhì)是極其困難的。所以，實(shí)現(xiàn)新奧法所遵循的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工，及時(shí)查明施工過程中存在的隱患并進(jìn)行整改，可以達(dá)到減低項(xiàng)目造價(jià)，減少地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率的目的。

2. 隱患現(xiàn)狀

通過對(duì)尚未施工二襯的初支段落的調(diào)查分析，主要發(fā)現(xiàn)了以下幾項(xiàng)誘發(fā)塌方的潛在隱患：

①初支發(fā)生大變形，極大的增加了塌方發(fā)生的概率。此外，由于變形過大，二襯施工之前，必須進(jìn)行換拱工作，在換拱過程中，隨時(shí)有塌方的可能。

②初支變形趨于穩(wěn)定后，由于二襯未能及時(shí)施作，出現(xiàn)了二次變形，侵入二襯輪廓線。

③初支存在開裂和掉塊的現(xiàn)象，并且在進(jìn)一步發(fā)展。

④初支受偏壓荷載影響，局部變形嚴(yán)重。

表1 施工安全隱患調(diào)查記錄表

序號(hào)調(diào)查里程施工安全隱患調(diào)查

1K4+380初支開裂、掉塊，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

2K4+370初支開裂、掉塊，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

3K4+375初支開裂、掉塊，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

4K4+360初支開裂、掉塊，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

5K4+340初支局部變形嚴(yán)重，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

6K4+345初支局部變形嚴(yán)重，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

7K4+335初支局部變形嚴(yán)重，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

8K4+300初支發(fā)生二次變形，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

9K4+295初支發(fā)生二次變形，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

10K4+290初支發(fā)生二次變形，沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)

3. 原因分析

造成隧道塌方的主要原因有圍巖地質(zhì)條件差、施工支護(hù)等級(jí)低、外界環(huán)境影響、施工材料質(zhì)量達(dá)不到要求等。根據(jù)圍巖等級(jí)、地質(zhì)構(gòu)造及施工工藝的區(qū)別，各影響因素在不同情況下亦有主次之分。通過對(duì)哈特隆隧道長(zhǎng)時(shí)間觀察研究，造成初支變形進(jìn)而增大塌方概率的主要原因如下：

①前期地勘資料不足。通過跟蹤施工過程中每一個(gè)開挖后的真實(shí)掌子面，對(duì)比設(shè)計(jì)單位所提供的前期地勘資料，發(fā)現(xiàn)二者之間差距很大，前期地勘資料根本無法滿足施工需要，且設(shè)計(jì)單位所做的相關(guān)設(shè)計(jì)，基本都是基于前期地勘資料的，所以設(shè)計(jì)參數(shù)與真實(shí)圍巖需要，存有很多不同程度的不符情況。

②超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能力有限

施工及施工單位過于相信和夸大了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用，設(shè)計(jì)參數(shù)、施工方法過于依賴地質(zhì)預(yù)報(bào)反饋的信息。通過跟蹤施工過程中的每一個(gè)開挖后的真實(shí)掌子面，對(duì)比地質(zhì)預(yù)報(bào)超前探測(cè)的結(jié)果，基于地質(zhì)雷達(dá)本身的特性，15米以內(nèi)的探測(cè)結(jié)果精確度較高，但僅能探測(cè)出巖體的破碎程度，大致含水情況，無法探知巖體的真實(shí)狀態(tài)及特性，無法以此指導(dǎo)支護(hù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，無法對(duì)已開挖的掌子面進(jìn)行定量的觀測(cè)，所以緊靠超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是無法獲得圍巖變形的真實(shí)信息的。

③設(shè)計(jì)過于依賴規(guī)范

設(shè)計(jì)單位所提供的設(shè)計(jì)參數(shù)，基本是以地勘資料為基礎(chǔ)，以現(xiàn)行規(guī)范為指導(dǎo)進(jìn)行的，僅以固定的幾種圍巖等級(jí)進(jìn)行了幾種固定的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，根本無法滿足工程實(shí)際，導(dǎo)致有些段落支護(hù)參數(shù)過大，造成了材料的浪費(fèi)，有些段落支護(hù)參數(shù)明顯不足，導(dǎo)致初支開裂、變形，增大了塌方發(fā)生的概率。

④圍巖信息采集記錄不足

施工過程中圍巖自身所反饋出來的信息才是最能真實(shí)反映的圍巖真實(shí)狀態(tài)和特性的信息，這些信息不涉及任何猜測(cè)和經(jīng)驗(yàn)，是設(shè)計(jì)和施工最需要的珍貴信息。通過對(duì)施工中的跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)沒有人去認(rèn)真系統(tǒng)的記錄這部分信息，只有在出現(xiàn)問題的時(shí)候，才會(huì)做一些簡(jiǎn)單的記錄。

4. 措施制定

針對(duì)以上要因進(jìn)行相關(guān)的理論探討及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，針對(duì)各要因進(jìn)行對(duì)策討論，具體情況如下：

①解決前期地勘資料不足。實(shí)施監(jiān)控量測(cè)，進(jìn)行拱頂沉降、周邊收斂、錨桿軸力、鋼拱架應(yīng)力、圍巖壓力的監(jiān)控量測(cè)，掌握圍巖的真實(shí)變化。

②解決超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能力有限。實(shí)施監(jiān)控量測(cè)，進(jìn)行拱頂沉降、周邊收斂、錨桿軸力、鋼拱架應(yīng)力、圍巖壓力的監(jiān)控量測(cè)，掌握圍巖的真實(shí)變化，彌補(bǔ)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的不足之處。

③解決設(shè)計(jì)過于依賴規(guī)范。實(shí)施監(jiān)控量測(cè)，進(jìn)行拱頂沉降、周邊收斂、錨桿軸力、鋼拱架應(yīng)力、圍巖壓力的監(jiān)控量測(cè)，掌握圍巖的真實(shí)變化，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的進(jìn)行提供依據(jù)。

④解決圍巖信息采集記錄不足。實(shí)施監(jiān)控量測(cè)，利用監(jiān)控量測(cè)信息采集模板，定期召開專題例會(huì)，交流信息，討論需要進(jìn)一步采集整理的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過以上分析可以看出，監(jiān)控量測(cè)是掌握圍巖真實(shí)變形情況的根本方法，是防止初支發(fā)生嚴(yán)重破壞進(jìn)而誘導(dǎo)塌方的最重要的工具。為實(shí)現(xiàn)新奧法的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工，降低項(xiàng)目造價(jià)，降低塌方等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率，不管是隧道施工前的地勘物探資料，還是施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，都需要監(jiān)控量測(cè)來補(bǔ)充其不足之處。

5. 對(duì)策實(shí)施

①確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

a.洞內(nèi)和地表安全巡查

對(duì)隧道掌子面土層狀況、支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和地表開裂情況巡查，對(duì)施工掌子面土層、地下水、支護(hù)變形、開裂、地表的開裂、下沉、變形等，進(jìn)行定時(shí)巡查，并配備專業(yè)地質(zhì)人員負(fù)責(zé)。

b.隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)

工作內(nèi)容：洞周收斂變形；測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)間：施筑至設(shè)點(diǎn)斷面；觀察周期和頻率：在支護(hù)仰拱封閉之前：1-2次/天；支護(hù)封閉之后至二次襯砌之前：1次/2天；量測(cè)精度為±0.01mm；量測(cè)儀器：收斂?jī)x；測(cè)點(diǎn)設(shè)置：III級(jí)圍巖，30m布設(shè)一組觀測(cè)斷面，每組斷面布設(shè)3各測(cè)點(diǎn)；IV級(jí)圍巖，每20m布設(shè)一組觀測(cè)斷面，每組斷面布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)；V級(jí)地段，每20m布設(shè)一組觀測(cè)斷面，每組斷面布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)；

c.深部位移監(jiān)測(cè)

工作內(nèi)容：隧道典型斷面共布設(shè)4組；測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)間：在掌子面前5內(nèi)進(jìn)行初次測(cè)量；觀察周期和頻率：在掌子面前后20m之外：1次/天；在掌子面前后20內(nèi)2次/每循環(huán)；量測(cè)精度：±0.005mm；量測(cè)儀器：振弦儀；測(cè)點(diǎn)設(shè)置：在掌子面推進(jìn)后埋設(shè)，測(cè)點(diǎn)元件為電子位移計(jì)；

d.深部位移監(jiān)測(cè)

工作內(nèi)容：混凝土應(yīng)變、錨桿軸力、鋼拱架壓力；測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)間：在典型斷面布設(shè)，在支護(hù)完成后測(cè)試初值；觀察周期和頻率：在支護(hù)仰拱封閉之前：1-2次/天；支護(hù)封閉之后至二次襯砌之前：1次/2天。；量測(cè)精度：±0.5HZ；量測(cè)儀器：振弦儀；測(cè)點(diǎn)設(shè)置：監(jiān)測(cè)混凝土應(yīng)變，選擇3組典型斷面，每組斷面12個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)元件為雙模壓力盒；監(jiān)測(cè)錨桿軸力，布設(shè)3測(cè)點(diǎn)錨桿3組，測(cè)點(diǎn)元件為錨桿軸力計(jì)；監(jiān)測(cè)鋼拱架壓力，選擇3組典型斷面，每組斷面10個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)元件為鋼筋計(jì)；

②測(cè)點(diǎn)設(shè)置

表2 監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)設(shè)置表

序號(hào)斷面里程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

周邊收斂拱頂沉降土壓力盒錨桿軸力拱架應(yīng)力

1K4+482●●○○○

2K4+533●●○○○

3K4+581●●●●●

4K4+624●●○○○

5K7+453●●○○○

6K7+404●●●●●

7K7+357●●○○○

8K7+383●●●●●

備注：●為實(shí)施，○為未實(shí)施

③監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

哈特隆隧道拱頂下沉和周邊收斂的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：V級(jí)圍巖一般埋點(diǎn)后一個(gè)月左右時(shí)間，測(cè)點(diǎn)變形基本趨于穩(wěn)定。因此，以埋點(diǎn)后一個(gè)月左右時(shí)間的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析總結(jié)了哈特隆隧道圍巖變形位移-時(shí)間特征曲線主要分為以下三種類型：“拋物線”型、“廠”型、“S”型。

a.“拋物線”型

這類曲線在變形趨穩(wěn)前大致可分為兩個(gè)階段：快速增長(zhǎng)階段，持續(xù)時(shí)間約10天，平均變化速率為0.6-1mm/d；趨穩(wěn)階段，持續(xù)時(shí)間一般為15天左右，平均變化速率為0.016/d。這種類型曲線的特征是：圍巖變形速率在開挖后初期較快，隨時(shí)間的推移和掌子面的推進(jìn)，圍巖變形速率逐漸減小直至趨穩(wěn)。通過對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的歸類總結(jié)，這類曲線常見于III、IV級(jí)圍巖。

b.“廠”型

這類曲線在變形趨穩(wěn)前大致可以分為兩個(gè)階段：快速增長(zhǎng)階段，一般持續(xù)6天左右，平均變化速率為0.2—0.25mm/d；趨穩(wěn)階段，平均變化速率為小于0.08/d。這種類型曲線的特征是：掌子面的開挖導(dǎo)致前期的圍巖變形速率很快，一段時(shí)間后隧道的圍巖變形很快便趨于穩(wěn)定。通過對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的歸類總結(jié)，這類曲線常見于III、IV級(jí)圍巖偏壓段落。

c.“S”型

這類曲線變形趨穩(wěn)前大致可分為四個(gè)階段：快速增長(zhǎng)階段，一般持續(xù)4天左右，平均變化速率0.4mm/d；快速回落階段，一般持續(xù)8天左右，平均變化速率小于0.3mm/d；快速增長(zhǎng)階段，一般持續(xù)4天左右，平均變化速率一般為0.4mm/d；緩慢增長(zhǎng)—趨穩(wěn)階段，一般持續(xù)15天左右，平均變化速率小于0.05mm/d。這類曲線的特征是：在剛開始圍巖變形速率較快，隨后幾天圍巖變形又出現(xiàn)快速回落，然后又出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，最有隨著時(shí)間推移和掌子面的推進(jìn)，圍巖變形速率逐漸減小，最后趨穩(wěn)，但若不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，圍巖會(huì)再次快速失穩(wěn)。通過對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的歸類總結(jié)，這類曲線常見于V級(jí)圍巖及軟弱破碎段落。

④建立并完善基于監(jiān)控量測(cè)的施工安全預(yù)警系統(tǒng)

a.設(shè)立極限位移值

表3 極限位移值設(shè)立表

序號(hào)圍巖

級(jí)別規(guī)范

極限位移值本項(xiàng)目

極限位移值

1III級(jí)50mm40mm

2IV級(jí)70mm60mm

3V級(jí)120mm110mm

b. 制定安全管理措施（圖b）

注：Uo為實(shí)測(cè)位移值；Un為極限位移值；III級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：Uo2Un/3本隧道建立的安全預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)各種常見圍巖適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠有效監(jiān)控施工過程存在的局部變形、快速變形等安全隱患，指導(dǎo)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、安全施工。

6. 實(shí)施效果

通過監(jiān)控量測(cè)手段，建立起了一套系統(tǒng)性的圍巖-初支變形監(jiān)控程序，不僅有效降低了塌方發(fā)生的概率，更為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工提供了準(zhǔn)確的信息。帶來的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在以下方面：

a.從預(yù)留變形量、初支參數(shù)、二襯參數(shù)等幾個(gè)方面進(jìn)行了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工，從而有效降低了炸藥、混凝土、鋼材的用量。以噴射混凝土為例，通過預(yù)留變形量及初支參數(shù)的調(diào)整，平均減少了5cm以上的噴射砼厚度，至少降低了1.5立方/延米的用量，以210美金/立方，2000米長(zhǎng)度計(jì)算（QC活動(dòng)開展后剩余量），那么僅噴射砼一項(xiàng)就降低了項(xiàng)目造價(jià)63萬美金。

b.及時(shí)對(duì)圍巖大變形段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，多次避免了塌方的發(fā)生。

每次塌方暫按耗時(shí)15～20天整治處理估算，塌方導(dǎo)致的人工費(fèi)估算約10萬美金，材料費(fèi)估算約8萬美金，機(jī)械設(shè)備費(fèi)估算為7萬美金，合計(jì)25萬美金。每年按減少塌方1～2次計(jì)算，那么預(yù)計(jì)每年節(jié)省的塌方處理費(fèi)用至少為25～50萬美金。

c.通過降低塌方發(fā)生的概率，有效減少了塌方導(dǎo)致的人員傷亡費(fèi)用。

②社會(huì)效益

該項(xiàng)目是中塔兩國(guó)政府間框架項(xiàng)目，是塔吉克斯坦通往中國(guó)唯一不受其他國(guó)家海關(guān)限制的道路，項(xiàng)目自啟動(dòng)時(shí)便備受兩國(guó)政府間高層關(guān)注。該項(xiàng)目的順利實(shí)施使得塔吉克首都杜尚別到東部重要城鎮(zhèn)丹加拉的行車時(shí)間縮短了一個(gè)半小時(shí)，項(xiàng)目完工后，塔中公路沿線各重要城市也開通了直達(dá)首都杜尚別的公共汽車，促進(jìn)了塔吉克的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。項(xiàng)目按期完工，也樹立了我國(guó)良好的國(guó)家形象，對(duì)兩國(guó)政府不斷加強(qiáng)合作起到了促進(jìn)作用。

7.結(jié)語

項(xiàng)目所在國(guó)塔吉克斯坦，有“高山國(guó)”之稱，境內(nèi)山地和高原占90%，其中約一半在海拔3000米以上，隧道工程在塔吉克斯坦國(guó)家交通建設(shè)中是必不可少的部分。同時(shí)，塔吉克斯坦工程建設(shè)地區(qū)普遍受溝谷切割嚴(yán)重，巖層較破碎，斷層多，且地處地震高發(fā)帶，施工中面對(duì)的安全隱患極多。通過對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，研究了隧址區(qū)的圍巖變化特征，并以此為基礎(chǔ)建立了一套完整的安全預(yù)警系統(tǒng)，可以為塔吉克斯坦同類地區(qū)的隧道施工，提供極其寶貴的信息及經(jīng)驗(yàn)，定將在塔吉克斯坦日后的隧道安全建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介

黃劍（1989— ），男，湖南長(zhǎng)沙人，工學(xué)學(xué)士，部門主管，助理工程師，主要從事路橋施工管理。