李坤

(廣東冠粵路橋有限公司，廣州 511400)

1 引言

公路隧道工程施工工藝復(fù)雜，施工環(huán)境惡劣，存在很多不可預(yù)知的影響因素。而且在隧道施工中，無(wú)論是開(kāi)挖、支護(hù)還是其他操作，都會(huì)對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此，監(jiān)控量測(cè)的重要性也就越發(fā)凸顯。借助有效的監(jiān)控量測(cè)工作，施工單位能夠獲取準(zhǔn)確的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，對(duì)圍巖在施工中的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性的同時(shí)，對(duì)隧道支護(hù)體系進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化，切實(shí)保障公路隧道的施工安全。

2 公路隧道監(jiān)控量測(cè)的重要性

公路隧道監(jiān)控量測(cè)主要是利用先進(jìn)技術(shù)和專(zhuān)業(yè)設(shè)備，對(duì)隧道圍巖的變形情況、隧道支護(hù)的下沉情況以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化等進(jìn)行測(cè)量，幫助工程技術(shù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決隧道變形問(wèn)題，保障隧道工程的施工質(zhì)量和使用安全。隧道工程本身屬于地下工程的一種特殊類(lèi)型，具有復(fù)雜性、隱蔽性，量測(cè)難度較大，而且隧道工程在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，存在很多不可預(yù)見(jiàn)的影響因素，如果其所處的地質(zhì)環(huán)境較差，則可能引發(fā)隧道涌水、塌方等問(wèn)題，嚴(yán)重影響工程的效益及人員的生命安全。做好公路隧道的監(jiān)控量測(cè)工作，能夠獲得準(zhǔn)確全面的隧道信息，能幫助技術(shù)人員對(duì)隧道建設(shè)和使用過(guò)程中的潛在問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，并采取有效的措施來(lái)保障其安全性[1]。

3 公路隧道監(jiān)控量測(cè)及圍巖穩(wěn)定性探究

3.1 工程概況

泉湖山隧道為中隧道，全線均為小凈距。泉湖山左線隧道起訖樁號(hào)為ZK173+844.8～ZK174+355，長(zhǎng)度為510.2 m；泉湖山右線隧道起訖樁號(hào)為K173+848～K174+357，長(zhǎng)度為509 m。本隧道進(jìn)出口端均采用削竹式洞門(mén)，明洞長(zhǎng)度均為20 m。泉湖山隧道連平端洞口段左右線凈距為15 m，本隧道最大埋深約為84 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察，隧址區(qū)前第四紀(jì)巖性主要為泥盆系砂巖、粉砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r等；第四紀(jì)巖性主要為殘破積粉質(zhì)黏土、碎石土層等，多分布于山前坡地。項(xiàng)目區(qū)位于地震基本烈度Ⅵ度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，需按Ⅶ度進(jìn)行抗震設(shè)防。本地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，具有常年氣候溫和，陽(yáng)光充足，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，植被豐富，水域發(fā)達(dá)的特點(diǎn)。由于隧道出口征地與水源問(wèn)題，一直沒(méi)有開(kāi)工，而施工時(shí)段恰好處于雨季，如果避開(kāi)雨季施工，則會(huì)導(dǎo)致工程整體延期交付，成本會(huì)大大增加，對(duì)此，在依照施工方案正常施工的前提下，需要切實(shí)做好監(jiān)控量測(cè)工作，時(shí)刻把握隧道圍巖的穩(wěn)定性，以保障施工安全。

3.2 量測(cè)內(nèi)容

公路隧道監(jiān)控量測(cè)主要是針對(duì)隧道圍巖位移情況、隧道拱沉降情況進(jìn)行量測(cè)，借助位移數(shù)值來(lái)判斷隧道圍巖的實(shí)際受力情況。同時(shí)，在公路隧道監(jiān)控量測(cè)工作中，還應(yīng)該做好圍巖特征點(diǎn)的全面分析，明確圍巖支護(hù)方案及施工工藝，確定好支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)范圍，這也是隧道監(jiān)控量測(cè)工作的核心所在[2]。

3.2.1 地質(zhì)分析

結(jié)合該工程實(shí)際情況，需要借助洞內(nèi)觀測(cè)的方法，在隧道掌子面開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)照前期地質(zhì)勘察資料，對(duì)開(kāi)挖面初期支護(hù)圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)、水狀及可能存在的不良地質(zhì)構(gòu)造等進(jìn)行觀察分析，把握好地層結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并對(duì)掌子面前方的圍巖地質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)提前支護(hù)的方式來(lái)確保圍巖的穩(wěn)定性。

3.2.2 拱頂下沉測(cè)量

結(jié)合測(cè)量結(jié)果對(duì)隧道可能出現(xiàn)的塌方等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，拱頂下沉測(cè)量方法有水準(zhǔn)儀測(cè)量法、全站儀測(cè)量法及收斂計(jì)三角測(cè)量法等。從實(shí)際應(yīng)用的角度，三角測(cè)量法最為常見(jiàn)，因?yàn)槠洳僮骱?jiǎn)單，只需要結(jié)合預(yù)先設(shè)定好的測(cè)點(diǎn)，測(cè)量三角形3 條邊的長(zhǎng)度，再依照三角形面積公式，就可以換算得到拱頂?shù)南鲁亮俊?/p>

3.2.3 地表沉降量測(cè)

地表沉降量測(cè)主要是在隧道進(jìn)出口淺埋段，依照一定距離，在平行于掌子面的方向設(shè)置高程測(cè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果能夠?qū)⒌乇韲鷰r在隧道淺埋段開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的變化直觀反映出來(lái)?？紤]到掌子面開(kāi)挖后，圍巖的自穩(wěn)能力會(huì)有所下降，可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)比較明顯的變形，如果沒(méi)有選擇合理的施工方法，則在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)塌方或安全事故。因此，為保障施工人員人身安全，減少安全隱患，必須切實(shí)做好地表沉降量測(cè)工作。

3.2.4 周邊位移量測(cè)

公路隧道開(kāi)挖后，隧道圍巖會(huì)呈現(xiàn)出從四周向中心收斂的趨勢(shì)。周邊位移量測(cè)主要就是針對(duì)隧道內(nèi)2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)連線方向變形量的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可以將圍巖內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)以及圍巖整體的穩(wěn)定性反映出來(lái)。在該工程中，周邊位移量測(cè)采用收斂量測(cè)的方式，這也是現(xiàn)階段隧道工程施工中應(yīng)用最為廣泛的1 種量測(cè)方法。

3.3 量測(cè)方案

3.3.1 地質(zhì)勘探資料分析

在針對(duì)公路隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)的過(guò)程中，需要首先做好地質(zhì)勘探資料的整理和分析工作，依照相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，制訂出具備良好可行性的監(jiān)控量測(cè)方案。例如，在針對(duì)地表沉降進(jìn)行量測(cè)時(shí)，需要對(duì)照隧道施工區(qū)域的地質(zhì)水文條件，確定2 個(gè)基本參考點(diǎn)，其主要作用是與原始標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間的差距進(jìn)行對(duì)比，幫助施工人員合理判斷隧道支護(hù)的沉降情況和位移速度，得到圍巖的位移規(guī)律，繼而判斷圍巖的穩(wěn)定性。

3.3.2 做好測(cè)點(diǎn)布置

隧道開(kāi)挖爆破后，圍巖的應(yīng)力會(huì)重新分布。在布設(shè)量測(cè)點(diǎn)時(shí)，必須盡可能靠近掌子面，同時(shí)確保測(cè)點(diǎn)不會(huì)受到施工破壞。一般情況下，測(cè)點(diǎn)與掌子面的距離在1.5～2.0 m，在下一次爆破前得到初始讀數(shù)（開(kāi)挖后12～24 h 內(nèi)），施工人員需要在下一次循環(huán)掘進(jìn)前，確定圍巖的初期變形值，觀測(cè)點(diǎn)的布置需要綜合考慮地質(zhì)水文、施工流程、斷面位置及洞口埋深等。在該工程施工中，采用臺(tái)階法開(kāi)挖的方式，需要施工人員結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在邊墻和拱腰位置，各設(shè)置1 條水平測(cè)線，一些應(yīng)力集中或變形較大的區(qū)域，需要對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加密。必須在隧道兩側(cè)邊墻及拱腰水平方向埋設(shè)帶溝膨脹螺栓，將埋設(shè)深度控制在30～50 mm，以紅漆做標(biāo)記，避免施工破壞測(cè)點(diǎn)。

3.3.3 圖表繪制

作業(yè)人員需要結(jié)合監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，獲取隧道圍巖的位移變化，繪制出位移測(cè)量結(jié)果和位移速度變化圖表，為圍巖穩(wěn)定性分析和支護(hù)體系調(diào)整優(yōu)化提供參考依據(jù)。圍巖的物理量分析需要借助隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)曲線，得到圍巖位移和變化的規(guī)律，確定圍巖是否穩(wěn)定可靠。在公路隧道施工中，需要做好隧道周邊圍巖及拱頂下沉情況的監(jiān)控量測(cè)，了解圍巖的位移方向、位移速度以及位移量，看其是處于哪一種狀態(tài)（升高或下降），當(dāng)達(dá)到某個(gè)限值后，圍巖的位移速度會(huì)趨于穩(wěn)定。結(jié)合繪制出的圖表，施工人員可以直觀地掌握隧道圍巖的變化情況，預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，為隧道施工的順利進(jìn)行提供指導(dǎo)和參考。例如，泉湖山K173+870 斷面地表沉降監(jiān)測(cè)情況如圖1 所示。

圖1 泉湖山隧道右線K173+870 斷面地表沉降監(jiān)測(cè)圖

3.4 回歸分析

3.4.1 回歸曲線

在對(duì)公路隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，可以明確隧道周邊圍巖的收斂情況、隧道拱頂?shù)南鲁燎闆r與隧道開(kāi)挖時(shí)間t 存在密切關(guān)聯(lián)，但這種聯(lián)系無(wú)法通過(guò)函數(shù)關(guān)系表達(dá)，對(duì)此，可以借助回歸分析的方式對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)與開(kāi)挖時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行分析。在當(dāng)前技術(shù)條件下，隧道圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)處理通常都是采用回歸分析的方法，這種方法可以幫助施工技術(shù)人員更好地對(duì)最終值進(jìn)行預(yù)測(cè)，了解隧道圍巖在不同變形階段的變形速度?；貧w分析法的核心是最小二乘法，需要找出相應(yīng)的回歸曲線，確保所有已知點(diǎn)到曲線的偏差最小。監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)一般需要借助指數(shù)函數(shù)模型、對(duì)數(shù)函數(shù)模型、雙曲線函數(shù)模型等實(shí)現(xiàn)回歸分析，相應(yīng)的公式為：

式中，u 為圍巖位移值，mm；a 和b 為回歸系數(shù)；t 為初讀之后的時(shí)間，d。

3.4.2 數(shù)據(jù)分析

在該隧道監(jiān)控量測(cè)中，涉及的數(shù)據(jù)信息量較大，從方便分析的角度選擇其中一個(gè)斷面ZK173+864.8 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)1 d，周邊位移1.94 mm，拱頂下沉2.03 mm；觀測(cè)4 d，周邊位移5.68 mm，拱頂下沉6.07 mm；觀測(cè)7 d，周邊位移7.52 mm，拱頂下沉8.02 mm；觀測(cè)10 d，周邊位移8.48 mm，拱頂下沉9.12 mm；觀測(cè)13 d，周邊位移9.15 mm，拱頂下沉9.82 mm；觀測(cè)16 d，周邊位移9.48 mm，拱頂下沉10.15 mm；觀測(cè)19 d，周邊位移9.58 mm，拱頂下沉10.29 mm。

結(jié)合指數(shù)函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的回歸分析，以最小二乘法得到回歸系數(shù)a 和b，最終得到的指數(shù)函數(shù)回歸方程為：

相關(guān)系數(shù)r 的值為0.963。

借助同樣的方法，可以得到對(duì)數(shù)函數(shù)的回歸方程為：

雙曲線函數(shù)的回歸方程為：

其相關(guān)系數(shù)r 的值分別是0.915 和0.894。

上述方程為斷面拱頂沉降的回歸分析結(jié)果，而周邊位移回歸分析結(jié)果為：

該工程采用指數(shù)函數(shù)來(lái)對(duì)周邊位移和拱頂沉降進(jìn)行回歸分析，得到的相關(guān)系數(shù)較對(duì)數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)更高，表明指數(shù)函數(shù)的回歸曲線更能對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確擬合。

3.4.3 結(jié)果分析

依照J(rèn)TG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，公路隧道圍巖變形釋放率需要達(dá)到80%～90%，周邊位移變形速率應(yīng)不能超過(guò)0.1 mm/d，拱頂下沉速率不能超過(guò)0.07 mm/d。以此為參照，可以計(jì)算出隧道圍巖變形的基本穩(wěn)定時(shí)間，技術(shù)人員可以將這個(gè)時(shí)間作為核心參數(shù)，指導(dǎo)施工人員及時(shí)進(jìn)行二次襯砌工作。針對(duì)指數(shù)函數(shù)的回歸方程求極限，得到的斷面凈空收斂最終位移數(shù)據(jù)為：

在第20 d， 隧道周邊位移的收斂速度達(dá)到了9.6/10.07=95.33% ， 隧道拱頂下沉收斂速度達(dá)到了10.3/10.79=95.46%。對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，可以開(kāi)展二次襯砌施工。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合該公路隧道工程實(shí)際情況，借助最小二乘法，對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的回歸分析，依照選擇的最佳回歸曲線，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，預(yù)測(cè)圍巖變形情況。依照上文對(duì)于某斷面回歸分析的結(jié)果可知，開(kāi)挖后的第7 d，圍巖的變形速度增長(zhǎng)較快，然后增速減緩，逐漸趨于穩(wěn)定，開(kāi)挖第20 d，隧道圍巖周邊位移和拱頂沉降的收斂速度全部達(dá)到90%以上，可以對(duì)隧道實(shí)施二次襯砌施工。該隧道工程雖然長(zhǎng)度小，施工周期短，但是因?yàn)槭窃谟昙臼┕?，影響了隧道整體的施工安全。對(duì)此，施工人員應(yīng)該充分重視起來(lái)，切實(shí)做好監(jiān)控量測(cè)工作，時(shí)刻關(guān)注圍巖的穩(wěn)定性，加大對(duì)于地表下沉的量測(cè)頻率，同時(shí)強(qiáng)調(diào)管棚與超前小導(dǎo)管支護(hù)，做好注漿施工控制，降低單次開(kāi)挖的距離，邊開(kāi)挖邊支護(hù)，將隧道圍巖的位移和變形程度控制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，避免因過(guò)度變形引發(fā)的安全事故，最大限度地保障公路隧道工程的施工安全。