樺樹墕隧道監(jiān)控量測與穩(wěn)定性分析

曾慶剛，陳 琪，劉 洋

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430040；2.武漢港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，武漢 430040）

在當(dāng)今的隧道建設(shè)中，監(jiān)控量測已成為必不可少的一項(xiàng)施工工序。隧道施工過程中進(jìn)行的監(jiān)控量測，主要是通過精密水準(zhǔn)儀、收斂計(jì)、位移計(jì)、測力計(jì)、壓力盒、應(yīng)變計(jì)等儀器量測，快速獲取圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形的動(dòng)態(tài)信息。如地表下沉、拱頂下沉、收斂位移、錨桿軸力、圍巖壓力、鋼支撐壓力等數(shù)據(jù)，把獲取的信息進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)處理，與理論、經(jīng)驗(yàn)方法相結(jié)合，建立必要的準(zhǔn)則，及時(shí)調(diào)整或確定支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行施工決策。

1 隧道監(jiān)控量測研究現(xiàn)狀

目前，在歐洲與日本等一些發(fā)達(dá)國家，己開展了對隧道工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研制，它是以信息化為基礎(chǔ)、監(jiān)控量測為目的的新型工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。由于隧道建設(shè)起步晚，對隧道施工監(jiān)測量測管理認(rèn)識還不完善等原因，我國的隧道建設(shè)施工監(jiān)測量測技術(shù)與歐洲、日本等隧道技術(shù)先進(jìn)的國家之間存在著一定的差距。但隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，我國交通建設(shè)取得了迅猛的發(fā)展，隧道特別是超長隧道科研取得了巨大的進(jìn)步，帶動(dòng)了監(jiān)控量測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。目前，隧道監(jiān)控量測存在著以下問題：1）隧道設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)控量測很難有機(jī)結(jié)合；2）量測技術(shù)和分析手段有待完善；3）數(shù)據(jù)處理技術(shù)有待完善；4）對一些特殊地質(zhì)情況的隧道施工監(jiān)測辦法不多。

2 監(jiān)控量測斷面、測點(diǎn)布置原則

2.1 斷面布置的原則

隧道是一個(gè)狹長結(jié)構(gòu)，任一段洞室都必須是穩(wěn)定的、安全的，否則就會(huì)出現(xiàn)全局性癱瘓。對于這樣的結(jié)構(gòu)，不可能對每個(gè)斷面都進(jìn)行監(jiān)控量測，只能選一些具有代表性的斷面進(jìn)行監(jiān)控量測，其監(jiān)控?cái)嗝娴牟荚O(shè)應(yīng)遵循以下原則：

1）錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，平均每10～50m量測一個(gè)斷面。洞口、淺埋地段特別是軟弱地層、地質(zhì)條件差的地段，量測斷面應(yīng)加密，間距應(yīng)小于20m。上述原則可按下列關(guān)系描述：設(shè)洞跨為B，埋深h，當(dāng)2B＜h，量測斷面間距20～50m；當(dāng)B＜h＜2B，量測截面間距10～20m；當(dāng)h＜B，量測間距5～10m。

2）地表下沉測點(diǎn)位置應(yīng)與洞內(nèi)水平收斂和拱部下沉量測點(diǎn)布置在同一橫斷面上。

3）施工進(jìn)深200m前，每20m應(yīng)設(shè)一個(gè)量測斷面；200m后，每30m量測一個(gè)斷面，測點(diǎn)離開挖面應(yīng)小于2m。

2.2 測點(diǎn)布置的原則

監(jiān)控?cái)嗝鏈y點(diǎn)布設(shè)與開挖方式密切相關(guān)。對全斷面開挖洞段，量測斷面布設(shè)1條水平測線，特殊地質(zhì)，測線布設(shè)3條或6條；對短臺階開挖法應(yīng)布設(shè)2條水平測線，特殊地質(zhì)，布設(shè)4條或6條測線；對多臺階每一臺階布設(shè)1條水平測線，特殊地質(zhì)，每臺階布設(shè)3條測線。如圖1、圖2所示。

2.3 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理及分析

1）周邊位移量測數(shù)據(jù)分析

隧道開挖以后，周邊位移變位與時(shí)間關(guān)系如圖3所示。

隧道進(jìn)行全斷面開挖時(shí)，開始時(shí)的位移變位速度最大，之后慢慢減小，當(dāng)變位速度為零，圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如開挖一段時(shí)間后，變位速度沒有收斂，或收斂到某一值后出現(xiàn)增長，圍巖有可能出現(xiàn)危險(xiǎn)。在分臺階施工，每個(gè)臺階開挖開始時(shí)，變位有一個(gè)增大的過程，然后慢慢變小，最后趨于零。如圖4所示。

在隧道施工中進(jìn)行的監(jiān)控量測，受測量儀器精度和偶然誤差影響，致使測量的數(shù)據(jù)具有離散性，由這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出的圖形總是沿一條線上下波動(dòng)，所以必須采用數(shù)學(xué)的方法對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得合理曲線，推算出隧道圍巖變形隨時(shí)間變化的規(guī)律和不同階段圍巖的變形量以及圍巖變形的發(fā)展趨勢。

2）錨桿軸力量測數(shù)據(jù)處理與分析

利用剪力和軸力分布曲線，確定是否需增加錨桿數(shù)量或長度。

3）圍巖壓力量測的數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過分析處理隧道施工現(xiàn)場的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，可得出圍巖壓力分布曲線，從而進(jìn)一步了解圍巖壓力大小及分布狀況。

4）地表沉降量測數(shù)據(jù)分析

地表沉降分析一般采用水準(zhǔn)量測、收斂量測和圍巖內(nèi)部變位量測一起綜合分析，根據(jù)下沉量，判斷每一開挖階段對整個(gè)隧道地表的影響，分析其原因。地表變形總量的控制可參考表1。

表1 地表沉降基準(zhǔn)參考值

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

榮成至烏海高速公路十七溝至大飯鋪段SDHSD－1（隧道1標(biāo)）標(biāo)段，路線起點(diǎn)樁號K40＋400，終點(diǎn)樁號K42＋600，路線全長2.2km，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市清水河縣境內(nèi)。樺樹墕隧道位于該標(biāo)段的分離式路基段，左線里程樁號為ZK40＋946～ZK42＋377，設(shè)計(jì)高程在1365.831～1390.318之間，路線縱坡1.5%，全長1431m；右線里程樁號為K41＋034～K42＋413，設(shè)計(jì)高程在1367.611～1389.441之間，路線縱坡1.5%，全長1379m。隧道設(shè)計(jì)主洞采用單心圓斷面形式，緊急停車帶采用三心圓內(nèi)輪廓，隧道設(shè)置雙側(cè)檢修道。隧道限界凈寬10.25m，限界凈高5.0m，隧道最大埋深110m。

隧址區(qū)地貌特征為低中山地貌，地形起伏，高差稍大，海拔高程1380～1495m，地表植被不發(fā)育。

隧址區(qū)地表水系不發(fā)育，由于降雨少而集中，故多為短小的季節(jié)性泄洪河流水。

3.2 樺樹墕隧道監(jiān)控量測方案

1）量測斷面位置選擇

一般選取以下地點(diǎn)為量測斷面：特殊地質(zhì)段，圍巖出現(xiàn)破碎；洞口附近；隧道埋深較淺；圍巖類別漸變；施工方案改變時(shí)所處位置等。

2）量測項(xiàng)目

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合該隧道實(shí)際情況，主要對樺樹墕隧道以下項(xiàng)目進(jìn)行了量測。①淺埋段地表下沉量測

②隧道周邊水平位移測量

③拱頂下沉量測

④隧道圍巖與初期支護(hù)之間壓力量測

3）測點(diǎn)布置

樺樹墕隧道進(jìn)口段為V級淺埋段，需要進(jìn)行地表下沉量測。在隧道進(jìn)行開挖前，布置好地表沉降觀測點(diǎn)，隧道外地表沉降觀測點(diǎn)與隧道內(nèi)沉降觀測點(diǎn)布置在同一樁號處。觀測點(diǎn)橫向間距為3m。

隧道周邊位移和拱頂下沉在隧道開挖后進(jìn)行，結(jié)合樺樹墕隧道圍巖情況，該文主要選取3個(gè)斷面進(jìn)行分析。

3.3 樺樹墕隧道監(jiān)控量測項(xiàng)目的穩(wěn)定性分析

1）隧道地表沉降量測

樺樹墕隧道進(jìn)口淺埋段的起止樁號為ZK40＋976～ZK41＋031。在樺樹墕隧道進(jìn)口淺埋段設(shè)置了兩個(gè)地表沉降觀測斷面ZK40＋985、ZK41＋031，在選定的量測范圍內(nèi)，設(shè)置容易測量和固定的基準(zhǔn)點(diǎn)，把長度約60cm的φ22鋼筋埋入土層中，采用混凝土澆筑牢固，并在附近插載木樁方便查找，在每個(gè)斷面上布置了11個(gè)測點(diǎn)，間距為3～5m，中間間距小，兩邊間距大，采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行量測。斷面布置形式如圖5所示。

2）拱頂下沉和水平收斂現(xiàn)場監(jiān)測

現(xiàn)場量測拱頂下沉和周邊位移收斂監(jiān)控點(diǎn)布置如圖6所示。

表1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該斷面水平位移在15d內(nèi)累計(jì)沉降50.35mm；由圖7拱頂下沉?xí)r間曲線圖知，此后拱頂沉降時(shí)間曲線基本趨于水平，表明隧道圍巖變形已基本穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

a.拱頂下沉位移隨時(shí)間變化的規(guī)律。

b.通過穩(wěn)定性分析，拱頂沉降時(shí)間曲線基本趨于水平，表明隧道圍巖變形已基本穩(wěn)定。

［1］吳夢軍，陳彰貴，徐錫賓，等.公路隧道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀與展望［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22（2）：24－28.

［2］李小紅.隧道新奧法及其量測技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［3］馬建俊.隧道施工監(jiān)控量測分析和應(yīng)用［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）：25.

［4］趙 河.西太平山隧道監(jiān)控量測與穩(wěn)定性分析研究［J］.北方交通，2009（8）.