胡林翼

（湖南省馬安高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410011）

隧道穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)在施工中的實(shí)施方法

胡林翼

（湖南省馬安高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410011）

結(jié)合隧道施工監(jiān)控測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，從監(jiān)測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)布置，周邊收斂、拱頂下沉、地表沉降等數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理方面分析了監(jiān)控測(cè)量在隧道施工中的實(shí)施方法，以及時(shí)判斷隧道圍巖的穩(wěn)定狀況并確定支護(hù)方案，確保隧道施工的順利進(jìn)行和安全。

隧道；監(jiān)控測(cè)量；穩(wěn)定性

由于地質(zhì)環(huán)境具有很大不確定性，隧道圍巖的變化錯(cuò)綜復(fù)雜，加上開挖方式多樣，可能導(dǎo)致隧道施工過程中出現(xiàn)坍塌、冒頂、突水、涌沙等現(xiàn)象，甚至在隧道建成后出現(xiàn)滲漏及變形等質(zhì)量問題。因此，在隧道施工過程中進(jìn)行隧道穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和分析對(duì)隧道安全穩(wěn)定具有重要意義。

1 隧道施工監(jiān)控測(cè)量的實(shí)施

監(jiān)控測(cè)量應(yīng)貫穿隧道施工全過程，監(jiān)測(cè)內(nèi)容有必測(cè)項(xiàng)目、選測(cè)項(xiàng)目?jī)纱箢?。必測(cè)項(xiàng)目是指為確保圍巖穩(wěn)定、判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)而必須經(jīng)常性測(cè)量的項(xiàng)目，包括周邊收斂、拱頂下沉、隧道內(nèi)目測(cè)觀察等，對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工有巨大作用；選測(cè)項(xiàng)目是對(duì)一些具有代表性的區(qū)段進(jìn)行補(bǔ)充監(jiān)測(cè)，視具體情況主要包括地表下沉、圍巖壓力、鋼支撐內(nèi)力等。

1.1監(jiān)控測(cè)量斷面的布置

隧道監(jiān)控測(cè)量的必測(cè)項(xiàng)目如周邊收斂、拱頂下沉、凈空變化等的測(cè)點(diǎn)原則上需設(shè)置在同一斷面，測(cè)量斷面間距及測(cè)點(diǎn)數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況按表1確定。

表1　必測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)斷面布置間距和測(cè)點(diǎn)數(shù)量

同一處拱頂下沉、周邊收斂測(cè)量應(yīng)設(shè)在同一斷面，以便于相互印證，斷面布點(diǎn)見圖1。拱頂及地表下沉測(cè)量基點(diǎn)應(yīng)與洞內(nèi)、外水準(zhǔn)基點(diǎn)建立測(cè)量體系。

圖1?、跫?jí)圍巖測(cè)量斷面布點(diǎn)示意圖

隧道淺埋地段下沉測(cè)點(diǎn)布置要求：1）應(yīng)布置在隧道中心及兩側(cè)間距2～5 m處；2）應(yīng)布置在隧道開挖影響范圍以外，隧道中間附近應(yīng)適當(dāng)加密；3）每個(gè)斷面設(shè)7～11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。地表沉降監(jiān)控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見2。

圖2?、跫?jí)圍巖測(cè)量斷面布點(diǎn)示意圖（單位：m）

1.2地表沉降的監(jiān)測(cè)

通過水準(zhǔn)基點(diǎn)對(duì)地表沉降量進(jìn)行測(cè)量，需注意的是同一工程每段都應(yīng)使用同樣的水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)方法，在不受影響的地方用電錘鉆孔，下設(shè)150φ12鋼筋，澆筑水泥，露出2mm鋼筋頭。

在地表下沉量未達(dá)到穩(wěn)定要求、隧道襯砌施作未完成前需一直進(jìn)行地表沉降量監(jiān)測(cè)，后續(xù)監(jiān)測(cè)要根據(jù)前幾次監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行，觀測(cè)值變化較大時(shí)需加強(qiáng)觀測(cè)。觀測(cè)中應(yīng)注意地表沉降量與拱頂下沉和凈空變化的關(guān)系，盡量保持三者測(cè)量頻次相同（見表2）。按照國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量要求（必要時(shí)采用三等水準(zhǔn)測(cè)量要求），確定基準(zhǔn)高度后用精密水準(zhǔn)儀與水準(zhǔn)尺配合進(jìn)行監(jiān)測(cè)。需一站測(cè)量，不能轉(zhuǎn)換觀測(cè)站，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3次，取平均值作為監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表2　地表下沉監(jiān)測(cè)頻率

1.3拱頂下沉的監(jiān)測(cè)

采用新奧法施工時(shí)需對(duì)拱項(xiàng)下沉量進(jìn)行觀測(cè)，以定量衡量拱頂圍巖穩(wěn)定程度。通常情況下需在拱軸線位置設(shè)置拱頂下沉觀測(cè)點(diǎn)，跨度較大的隧道需在拱部設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)。測(cè)量?jī)x器包括水準(zhǔn)儀與鋼掛尺或全站儀配合操作。水準(zhǔn)儀放置在拱頂觀測(cè)點(diǎn)之下、標(biāo)準(zhǔn)高程點(diǎn)之上。對(duì)鋼尺需進(jìn)行調(diào)平，調(diào)平后記下鋼尺度數(shù)（前視鋼尺度數(shù)）H1，再在張拉力相同的情況下記下后視鋼卷尺的度數(shù)H2，拱頂測(cè)量點(diǎn)高程為H0+H1+H2（H0為標(biāo)準(zhǔn)高程點(diǎn)的高程）。前后兩次測(cè)量的拱頂高程差為該時(shí)間段的拱頂下降量，即拱頂沉降量。隧道拱頂下沉測(cè)量方法見圖3。

圖3　拱頂沉降監(jiān)控測(cè)量方法示意圖

如果隧道的斷面較大，拱頂較高，不能使用水準(zhǔn)儀與鋼掛尺，最好使用全站儀進(jìn)行測(cè)量。在拱頂預(yù)埋下沉觀測(cè)點(diǎn)，布置φ22鋼筋，鋼筋在支護(hù)面外露2 cm，鋼筋頭保持平整。沉降觀測(cè)站可自由建立，高程測(cè)量不計(jì)算儀器高度，但觀測(cè)站后視讀數(shù)應(yīng)至少有2個(gè)高程基準(zhǔn)點(diǎn)參照。

拱頂沉降的測(cè)量頻率與收斂點(diǎn)相同，如果按表3、表4所示頻次進(jìn)行觀測(cè)時(shí)偏差較大或觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常甚至達(dá)到報(bào)警指標(biāo)，則應(yīng)提高觀測(cè)頻率，穩(wěn)定后方可降低頻率；若觀測(cè)時(shí)遇到膨脹性與擠壓性圍巖，則應(yīng)定期觀測(cè)位移量，如其位移沒有消減趨勢(shì)，還應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期。

表3　拱頂下沉測(cè)量頻率（按位移速度）

表4　拱頂下沉測(cè)量頻率（按與開挖面的距離）

1.4周邊收斂的監(jiān)測(cè)

周邊收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能直接反映隧道周圍的變化，為隧道提供更加可靠的地質(zhì)信息；根據(jù)速度變化可判斷圍巖是否穩(wěn)定，為襯砌提供合理支撐時(shí)機(jī)。在隧道周邊、拱腰和邊墻部位分別埋設(shè)測(cè)樁，樁深31 cm，直徑約43 cm，采用JSS30A型數(shù)顯式收斂?jī)x采集收斂值。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理

施工過程中難免會(huì)出現(xiàn)偶然誤差，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生離散，需進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，找出其一般規(guī)律和數(shù)學(xué)表達(dá)式，為監(jiān)控設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)提供可靠信息。

2.1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析

常采用對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。對(duì)數(shù)函數(shù)的表達(dá)式為：指數(shù)函數(shù)的表達(dá)式為：

雙曲函數(shù)的表達(dá)式為：

式中：u為位移值（mm）；t為初讀數(shù)后的時(shí)間（d）；A、B為回歸常數(shù)。

在數(shù)據(jù)回歸分析中將各種測(cè)量數(shù)據(jù)相互印證，以確定測(cè)量結(jié)果的可靠性，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，使用較理想的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，選擇一組與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)系列性擬合較好的回歸函數(shù)對(duì)最終值或變化速率進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。

2.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用

在隧道監(jiān)測(cè)中，數(shù)據(jù)測(cè)量及數(shù)據(jù)分析、整理、反饋等環(huán)節(jié)極為重要。每次測(cè)量之后，根據(jù)所得結(jié)果繪制圖像。在繪圖初期，利用圖形進(jìn)行回歸分析，根據(jù)圖像的變化預(yù)測(cè)應(yīng)該出現(xiàn)的最值及相關(guān)速度變化。若發(fā)現(xiàn)圖像出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)采取加厚噴層、增加密度、加長(zhǎng)錨桿等加固措施。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過回歸分析得出位移值，對(duì)照表5、表6綜合判定隧道的穩(wěn)定程度，確定變形管理等級(jí)，以指導(dǎo)施工。

表5　跨度B≤7 m隧道初期支護(hù)極限相對(duì)位移

表6　跨度7 m＜B≤12 m隧道初期支護(hù)極限相對(duì)位移

根據(jù)位移時(shí)態(tài)曲線（見圖4）的形態(tài)判別和分析圍巖的穩(wěn)定情況：當(dāng)d u2/d2t＜0時(shí)，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖位移速率不斷下降；當(dāng)d u2/d2t=0時(shí)，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖位移速率保持不變，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)d u2/d2t＞0時(shí)，圍巖進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，圍巖位移速率不斷上升，必須立即停止掘進(jìn)，并加強(qiáng)支護(hù)。

圖4　位移u-時(shí)間t關(guān)系曲線

若每天的凈空變化量一直不低于5.0mm，則表明四周的巖石在不斷加速變形，必須對(duì)最初支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化。若每天的凈空變化量不高于0.2mm，則表明四周的巖石基本處于穩(wěn)固狀態(tài)。

當(dāng)四周的巖石及最初的支護(hù)系統(tǒng)處于基本穩(wěn)固狀態(tài)并符合以下狀況時(shí)，可停止測(cè)量：1）隧道四周的收斂速度出現(xiàn)顯著減緩趨勢(shì)；2）收斂量不低于總數(shù)的4/5；3）每天的收斂量不大于0.15mm或拱頂位置處每天的變動(dòng)量不大于0.1mm。

在開鑿過程中，若出現(xiàn)以下任何一種狀況，要馬上停止施工，并及時(shí)進(jìn)行修整：1）隧道四周出現(xiàn)開挖塌方、滑坡及破裂；2）測(cè)量數(shù)據(jù)呈逐漸增長(zhǎng)的變化狀態(tài)；3）支護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)較大變化；4）時(shí)態(tài)曲線穩(wěn)定不變。

二次襯砌的施作要在出現(xiàn)以下狀況時(shí)實(shí)施：1）每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的變化顯著變緩，隧道四周巖石基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；2）已出現(xiàn)的所有位移不低于其總量的4/5；3）隧道四周每天的位移量不大于0.1～0.2mm或拱頂每天的下沉量不大于0.07～0.10mm。

3 隧道施工監(jiān)測(cè)的管理

3.1隧道施工監(jiān)測(cè)組織

隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控測(cè)量必須嚴(yán)格按照測(cè)量計(jì)劃科學(xué)、有序地進(jìn)行，同時(shí)與其他工序密切配合，確保施工的連續(xù)進(jìn)行。每一工序的預(yù)埋測(cè)點(diǎn)必須穩(wěn)固、醒目、保管妥當(dāng)，不可隨便更換和損壞。為滿足該要求，應(yīng)有周密可行的有效措施和制度作保證。

3.2測(cè)量資料整理

（1）詳細(xì)記錄每次測(cè)試結(jié)果，同時(shí)記錄周圍的環(huán)境狀況、溫度情況及開鑿程度和施工狀況等，要確保原始記錄的準(zhǔn)確性。

（2）將測(cè)量數(shù)據(jù)填入相關(guān)表格中，以便掌握測(cè)量信息的變化狀態(tài)，有利于分析和比較不同測(cè)量位置、測(cè)量方式的差異。

（3）測(cè)量完成2 h內(nèi)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，應(yīng)用測(cè)量處理系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)分析和計(jì)算。

4 結(jié)語

對(duì)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施監(jiān)控測(cè)量，尤其是對(duì)那些具有特殊意義及突出性位置實(shí)施監(jiān)測(cè)，有利于掌握四周圍巖的穩(wěn)定狀況、支護(hù)系統(tǒng)的力學(xué)動(dòng)態(tài)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行力學(xué)分析和穩(wěn)定程度評(píng)價(jià)，為修改初期支護(hù)參數(shù)和確定二次襯砌施作時(shí)間提供依據(jù)，優(yōu)化施工方案，確保隧道施工質(zhì)量和安全。

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2016-02-27