杭千高速南峰和善嶺隧道監(jiān)控量測技術(shù)的應(yīng)用

何華春 曾水泉

1 隧道概況

南峰和善嶺隧道是杭千高速杭州—桐廬段重要工程之一，位于杭州富陽境內(nèi)，南峰隧道位于南峰村西南，隧道起訖里程為K27+010～K27+410，長400 m。善嶺隧道位于南峰隧道出口后跨越毛竹灣山溝的西南側(cè)山坡上，隧道起訖里程K27+487～K27+815，長 328 m。

兩隧道均為六車道連拱隧道，根據(jù)設(shè)計和鉆探資料，兩隧道段地質(zhì)情況為:兩隧道位于富春江河谷平原堆積地貌區(qū)，南峰隧道進出洞口地段地形起伏較大，植被發(fā)育。表部為殘坡積土，Vp=500 m/s～900 m/s，層厚 1.0 m～4.0 m。下伏基巖，中風(fēng)化砂巖，Vp=1 700 m/s～2 800 m/s，層厚4.0 m～10.0 m，微風(fēng)化砂巖厚度大，Vp=2 800 m/s～3 600 m/s，巖石為塊、碎石狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理很發(fā)育。地下水不發(fā)育，主要為基巖裂隙水。善嶺隧道進洞口地形起伏較大，出洞口較平緩，表部第四系殘坡積土為含碎石亞黏土Vp=600 m/s～1 000 m/s，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差;下伏基巖為強風(fēng)化砂巖，厚約6.0 m，Vp=1 000 m/s～1 800 m/s。中風(fēng)化砂巖，厚度大，Vp=1 900 m/s～2 800 m/s，節(jié)理發(fā)育。微風(fēng)化砂巖 Vp=2 800 m/s～3 900 m/s，節(jié)理裂隙較發(fā)育。地下水不發(fā)育，主要為裂隙水，兩隧道的最大埋深為74 m。

2 量測方法

1)地質(zhì)及支護狀況觀察。隧道各個工作面，重點在Ⅳ類圍巖地段，每次爆破開挖、噴混凝土初期支護后，通過鐵錘錘擊檢查、肉眼觀察、地質(zhì)羅盤量測，對巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、支護和巖層裂隙、溶洞、風(fēng)化程度、巖層厚度和顏色、地下水等進行記錄和描述，判斷圍巖的穩(wěn)定性，核對圍巖級別、巖質(zhì)、斷層破碎帶、褶皺等，對重要或特殊部位進行拍照存檔，測量地下水流量及其腐蝕性，同時通過斷面測量作實際斷面與設(shè)計斷面對比圖。

2)圍巖周邊位移量測。a.測樁要求在開挖爆破后24 h內(nèi)與在下一循環(huán)爆破前完成全部埋設(shè)，并讀取初讀數(shù);b.測樁應(yīng)盡可能布置在同一斷面，Ⅱ類圍巖每10 m～15 m一個，Ⅲ類圍巖每15 m～25 m一個，測量點應(yīng)盡可能選擇具有代表性的地方，以便測量數(shù)據(jù)的分析及為以后的工作提供經(jīng)驗;c.測樁埋設(shè)深度30 cm左右，鉆孔直徑同錨桿，采用早強錨固劑固定，測樁表面用保護罩防護;d.凈空水平收斂兩測點應(yīng)在同一水平線上，采用SWJ-TV型收斂計量測收斂變形。由于南峰及善嶺隧道地質(zhì)情況較好，洞內(nèi)量測間距平均為30 m，洞門段為10 m。

3)拱頂下沉量測。拱頂下沉量測點布置在隧道的拱頂中軸線處，測點表面設(shè)一個掛鉤，與周邊位移量測同一個斷面。作為圍巖周邊位移量測的補充，采用高精度的水準(zhǔn)儀和鋼尺量測拱頂?shù)慕^對下沉量。

4)地表下沉量測。在隧道出入口各設(shè)5個量測斷面，間距10 m，在選定的量測區(qū)域內(nèi)，設(shè)測量方便、牢固的基準(zhǔn)點，在深40 cm的土坑內(nèi)打入60 cm長的φ 22鋼筋，外露3 cm～4 cm并用混凝土填實，按順序編好號并在附近打上大木樁便于尋找。測點沿地面布置在隧道軸線及其兩側(cè)5個點，測點間距2 m～5 m，中間間距小，兩邊間距大，用水準(zhǔn)儀測量。隧道開挖到距測點前后各10 m～20 m范圍內(nèi)進行量測，直到沉降穩(wěn)定以后停止測量。

5)數(shù)據(jù)采集頻率。根據(jù)施工開挖監(jiān)控量測設(shè)計圖的要求，同時為了滿足數(shù)據(jù)分析的需要，測量讀數(shù)的頻率不得小于規(guī)范的要求，其數(shù)據(jù)采集頻率見表1。

3 量測數(shù)據(jù)的整理與分析

表1 數(shù)據(jù)采集頻率

1)水平凈空收斂量測(周邊位移量測)。南峰和善嶺隧道水平凈空收斂均采用SWJ-TV型收斂計量測，隧道凈空水平收斂量測后，根據(jù)測量成果，繪出周邊位移 s與時間t的對應(yīng)分散點，同時進行一元非線性回歸計算，繪出周邊位移s與時間t的圓滑變化曲線。判斷凈空水平收斂的變化速率相對較小，變形呈收斂趨勢，圍巖趨于穩(wěn)定(見圖1)。

2)拱頂下沉量測。拱頂下沉采用高精度的水準(zhǔn)儀和鋼尺進行量測，量測斷面與周邊位移量測斷面對應(yīng)，繪出拱頂下沉 s與時間t的對應(yīng)分散點，同時進行一元非線性回歸計算，繪出拱頂下沉s與時間t的圓滑變化曲線，判斷拱頂下沉的變化速率相對較小，變形呈收斂趨勢，圍巖趨于穩(wěn)定(見圖2)。從善嶺隧道樁號K27+500這個具有代表性的“隧道拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線”可以判斷出，該隧道拱頂下沉絕對值比較小，在20 mm左右，并具有明顯的收斂趨勢，經(jīng)過一個半月后，在下臺階開挖完成后，基本趨于穩(wěn)定，圍巖性質(zhì)相對良好。

3)地表下沉量測。地表沉降量測采用高精度的水準(zhǔn)儀，根據(jù)測量記錄，對量測數(shù)據(jù)進行一元非線性回歸分析，作出地表下沉?xí)r態(tài)曲線。由于善嶺、南峰隧道出口頂部覆蓋厚度不均勻，同一斷面左厚右薄，在軸線中心附近的測點(K27+390)處，隧道覆蓋層小于15 m，其下沉具有典型性和代表性，予以列出，見圖3。通過時態(tài)曲線圖分析可以看出，地表的總體下沉量也較小，也在20 mm左右，并具有明顯的收斂趨勢，說明此處雖然隧道覆蓋層較小，但圍巖性質(zhì)相對良好。

4)回歸分析。a.根據(jù)散點圖中的散點擬合曲線的分布特征、變化特性、收斂性等，從理論和以往經(jīng)驗選擇能代表兩變量之間內(nèi)在關(guān)系的函數(shù)類型;b.將非線性的函數(shù)關(guān)系通過轉(zhuǎn)換成為線性函數(shù)關(guān)系，按照線性函數(shù)求未知參數(shù)的方法求出未知參數(shù)后，將參數(shù)變換求出選定的曲線(非線性)函數(shù)的未知參數(shù)，得到非線性函數(shù)回歸方程;c.進行標(biāo)準(zhǔn)離差s分析，如精度不夠，可選擇其他合適的曲線函數(shù)按照以上步驟重新進行分析。

4 結(jié)語

1)當(dāng)隧道水平位移收斂速度為0.1 mm/d～0.2 mm/d，拱頂下沉位移速度為0.1 mm/d時，可以認(rèn)為圍巖已基本穩(wěn)定。對于Ⅲ級，Ⅳ級圍巖，二次襯砌按承受部分圍巖壓力設(shè)計，應(yīng)根據(jù)量測結(jié)果確定二次襯砌施作的適當(dāng)時間;

2)兩隧道圍巖整體相對穩(wěn)定，自穩(wěn)性強，未發(fā)生塌方，除進出口局部地段為Ⅳ類圍巖外，其余設(shè)計圍巖以Ⅱ級，Ⅲ級為主;

3)部分圍巖特性好的區(qū)域，在隧道上臺階開挖后、未施加初期支護的情況下，其水平變形和拱頂變形施加初期支護的情況下，其水平變形和拱頂變形量比較小。說明上臺階開挖施作的初期支護發(fā)揮的作用有限，因此部分地段短臺階法開挖可調(diào)整為長臺階開挖;

4)在監(jiān)測過程中，若發(fā)現(xiàn)凈空位移量過大或收斂速度無穩(wěn)定趨勢時，對結(jié)構(gòu)應(yīng)采取補強措施;

5)若發(fā)現(xiàn)凈空位移收斂速度具有穩(wěn)定趨勢時，應(yīng)據(jù)此求出隧道結(jié)構(gòu)初期支護及二次襯砌上的最終荷載，以便對結(jié)構(gòu)的安全度作出正確的判斷;

6)若經(jīng)過對各種量測數(shù)據(jù)聯(lián)合反分析后，發(fā)現(xiàn)初期支護或二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較大，在經(jīng)過設(shè)計人員同意后，可對下一段與此地質(zhì)類型相近的支護參數(shù)作適當(dāng)調(diào)整;

7)對圍巖類別的變更及對支護參數(shù)的調(diào)整均必須有相應(yīng)的量測數(shù)據(jù)并得到設(shè)計方同意。

[1] JTJ 026-9，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JTJ 042-9，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 朱漢華，尚岳全.公路隧道設(shè)計與施工新法[M].北京:人民交通出版社，2002.