隧道圍巖監(jiān)控量測(cè)技術(shù)

靳彥斌

（山西省中陽(yáng)縣交通局，山西 呂梁 033400）

1 隧道施工監(jiān)控量測(cè)的目的和意義

采用復(fù)合式襯砌的隧道，必須將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目列入施工組織設(shè)計(jì)，并在施工中認(rèn)真實(shí)施?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是新奧法隧道施工的重要組成部分，也是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定、判斷支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，施工方法是否正確的一種手段；也是保證新奧法安全施工、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要條件；還為施工中可能有的工程變更提供了科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)監(jiān)控量測(cè)得數(shù)據(jù)分析：

（1）通過(guò)施工和環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行信息反饋及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保隧道施工的安全與質(zhì)量和工程項(xiàng)目的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

（2）掌握圍巖動(dòng)態(tài)，了解支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同工況時(shí)的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布，對(duì)圍巖穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。

（3）驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)型式、支護(hù)參數(shù)的合理性，評(píng)價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工方法的合理性與其安全性，確定合理的支護(hù)時(shí)間。

（4）為修改優(yōu)化設(shè)計(jì)提拱數(shù)據(jù)，調(diào)整施工方法提供依據(jù)。

（5）為節(jié)省工程投資，提高隧道的設(shè)計(jì)和施工水平提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保證。

2 量測(cè)的項(xiàng)目、方法及工具

2.1 隧道施工監(jiān)控量測(cè)的主要內(nèi)容

2.1.1 必測(cè)項(xiàng)目

是為了在設(shè)計(jì)施工中確保圍巖穩(wěn)定、判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)、指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工的經(jīng)常性量測(cè)，包括圍巖地質(zhì)和支護(hù)描述、地表沉降觀測(cè)、拱頂下沉量測(cè)、周邊收斂量測(cè)。其量測(cè)方法簡(jiǎn)單、量測(cè)密度大、量測(cè)信息直觀可靠，貫穿于整個(gè)施工過(guò)程中，對(duì)監(jiān)視圍巖穩(wěn)定、指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工有巨大的作用，土建施工完成量測(cè)工作亦告結(jié)束。其布置根據(jù)每座隧道不同的地質(zhì)條件、施工方法而變化，但不能少于《公路隧道施工規(guī)范》（JTJ042—94）的規(guī)定。

2.1.2 選擇項(xiàng)目

包括圍巖內(nèi)部位移量測(cè)、錨桿軸力量測(cè)、圍巖與噴射混凝土間接觸壓力量測(cè)、噴射混凝土與二次襯砌間接觸壓力量測(cè)、噴射混凝土內(nèi)應(yīng)力量測(cè)、二次襯砌內(nèi)應(yīng)力量測(cè)、鋼支撐內(nèi)力量測(cè)、襯砌裂縫及表面應(yīng)力量測(cè)。這類(lèi)量測(cè)是必測(cè)項(xiàng)目的拓展和補(bǔ)充，對(duì)代表性的地段進(jìn)行量測(cè)，以便更深入地掌握圍巖穩(wěn)定狀態(tài)與支護(hù)效果，對(duì)未開(kāi)挖地段提供參考信息、指導(dǎo)未來(lái)設(shè)計(jì)和施工。

表1 隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)方法

選擇項(xiàng)目安裝埋設(shè)比較麻煩，量測(cè)項(xiàng)目較多、時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用較大，但工程竣工后還可以進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。根據(jù)本工程的具體情況，采用較少的量測(cè)項(xiàng)目、較大量量測(cè)斷面的原則，全面了解支護(hù)效果，正確指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。施工單位按施工圖要求自主量測(cè)，監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目部選擇主要項(xiàng)目平行量測(cè)。

2.1.3 檢測(cè)項(xiàng)目

包括錨桿拉拔試驗(yàn)、開(kāi)挖內(nèi)輪廓形狀、初期和二次襯砌背后空洞檢查。該類(lèi)項(xiàng)目列為質(zhì)量檢查內(nèi)容。

2.2 工程實(shí)施

2.2.1 量測(cè)項(xiàng)目

除按正常量測(cè)項(xiàng)目外，專(zhuān)門(mén)增加一項(xiàng)用全站儀作“非接觸量測(cè)”來(lái)測(cè)定三維位移向量，以預(yù)報(bào)前方圍巖情況。隧道各項(xiàng)觀測(cè)監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施方法詳見(jiàn)表1。收斂?jī)x使用JSS30-10/15A型數(shù)顯式收斂?jī)x和鐵科院西南分院研制的監(jiān)控量測(cè)分析軟件。

2.2.2 監(jiān)控量測(cè)施工流程

見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)控量測(cè)施工流程圖

2.2.3 量測(cè)方法及斷面測(cè)點(diǎn)布置

（1）拱頂下沉量測(cè)和水平收斂量測(cè)。一般使用水準(zhǔn)儀、電子水平尺、收斂計(jì)等按照設(shè)計(jì)要求布置、量測(cè)。

（2）圍巖內(nèi)部位移量測(cè)。圍巖內(nèi)部位移測(cè)孔一般是沿隧道圍巖周邊，例如分別在拱頂、拱腰和邊墻共設(shè)5個(gè)（連拱隧道單洞為4個(gè)）測(cè)孔，孔深3.7～5 m，孔徑為Ф50 mm。多點(diǎn)位移計(jì)分電測(cè)式位移計(jì)和機(jī)械式位移計(jì)，一般采用5點(diǎn)桿式多點(diǎn)位移量測(cè)，一個(gè)斷面共25個(gè)測(cè)點(diǎn)（連拱隧道單洞為20個(gè)）。

（3）錨桿軸力量測(cè)。錨桿軸力量測(cè)沿隧道周邊，例如在拱頂、拱腰和邊墻設(shè)5個(gè)（連拱隧道單洞為4個(gè)）測(cè)孔，孔深3.7～5 m，孔徑為50 mm。一個(gè)測(cè)孔內(nèi)設(shè)4個(gè)傳感器，每個(gè)斷面20個(gè)（連拱隧道單洞為16個(gè)）測(cè)點(diǎn)。隧道錨桿軸向力量測(cè)方法有電測(cè)法和機(jī)械法，它們都是通過(guò)量測(cè)錨桿，先測(cè)出隧道圍巖內(nèi)不同深度的應(yīng)變（或變形），然后通過(guò)有關(guān)計(jì)算轉(zhuǎn)求應(yīng)力的量測(cè)方法?？紤]量測(cè)方便，一般多采用電測(cè)法的鋼筋計(jì)量測(cè)。

（4）噴射混凝土應(yīng)力量測(cè)。經(jīng)常采用量測(cè)噴層切向應(yīng)力的方法，主要有應(yīng)力（應(yīng)變）計(jì)量測(cè)法和應(yīng)變磚量測(cè)法。應(yīng)力（應(yīng)變）計(jì)量測(cè)法是通過(guò)鋼弦頻率測(cè)定儀測(cè)出應(yīng)力計(jì)受力后的振動(dòng)頻率，然后從事先標(biāo)定出的頻率-應(yīng)力曲線上求出作用在噴層上的應(yīng)力。

噴層應(yīng)力計(jì)的埋設(shè)方法為：圍巖初噴以后，在初噴面上將應(yīng)力計(jì)固定，再?gòu)?fù)噴，將應(yīng)力計(jì)全部覆蓋并使應(yīng)力計(jì)居于噴層的中央，方向?yàn)榍邢颉４龂娚浠炷吝_(dá)到初凝時(shí)開(kāi)始測(cè)取讀數(shù)。量測(cè)斷面上應(yīng)力計(jì)的布設(shè)位置為：沿隧道的拱頂、拱腰和邊墻在噴射混凝土內(nèi)共埋設(shè)5個(gè)（單洞）。

（5）二次襯砌應(yīng)力量測(cè)。二次襯砌應(yīng)力量測(cè)與噴射混凝土應(yīng)力量測(cè)相同，應(yīng)力傳感器埋設(shè)在二次襯砌混凝土內(nèi)，單洞一個(gè)斷面5個(gè)測(cè)點(diǎn)。量測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置位置及每斷面應(yīng)力計(jì)數(shù)量與噴射混凝土應(yīng)力量測(cè)相同。

（6）圍巖與噴射混凝土及噴射混凝土與二次襯砌間接觸壓力量測(cè)。圍巖壓力及接觸壓力量測(cè)常采用雙膜鋼弦式壓力盒，其量測(cè)原理是將應(yīng)力、應(yīng)變、荷載以及其他參數(shù)測(cè)量的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率進(jìn)行量測(cè)，故具有抗干擾能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)，適合長(zhǎng)距離傳送。圍巖與噴射混凝土之間的壓力盒是在噴混凝土施工以前埋設(shè)，噴射混凝土與二次襯砌之間的壓力盒是在掛防水板之前進(jìn)行安裝，分別測(cè)取圍巖對(duì)噴射混凝土壓力，噴射混凝土對(duì)二次襯砌的壓力，埋設(shè)方向均為法向。混凝土達(dá)到初凝強(qiáng)度以后開(kāi)始測(cè)取讀數(shù)，量測(cè)斷面宜與周邊位移量測(cè)在同一斷面上。

（7）鋼架應(yīng)力量測(cè)。型鋼鋼架、格柵鋼架應(yīng)力量測(cè)僅限于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段，采用鋼筋計(jì)量測(cè)，把鋼筋計(jì)焊接在鋼架上，量測(cè)鋼架內(nèi)力，鋼架安裝完以后即可測(cè)取讀數(shù)。量測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置位置與噴射混凝土應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置位置相同，單洞每個(gè)斷面5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（8）襯砌裂縫及表面應(yīng)力量測(cè)。采用手持應(yīng)變儀量測(cè)襯砌表面應(yīng)力和襯砌裂縫，重點(diǎn)是連拱隧道中隔墻的表面應(yīng)力，根據(jù)需要檢測(cè)。

2.2.4 測(cè)試要點(diǎn)

（1）洞內(nèi)外地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察。洞內(nèi)主要觀察工作面狀態(tài)、圍巖變形、風(fēng)化變質(zhì)情況、節(jié)理裂隙、斷層分布和形態(tài)、地下水情況以及初期支護(hù)效果。觀察后及時(shí)繪制地質(zhì)素描圖，填寫(xiě)工作面狀態(tài)記錄表和圍巖類(lèi)別判定卡。對(duì)已施工區(qū)段噴砼、錨桿、鋼架的狀況每天至少觀察1次；洞外觀察包括對(duì)洞口地表情況、地表沉陷、邊坡及仰坡的穩(wěn)定以及地表水滲透等的觀察。

（2）地表下沉。隧道洞頂?shù)乇沓两翟谒淼郎形撮_(kāi)挖前就開(kāi)始進(jìn)行，借以獲得開(kāi)挖過(guò)程中全位移曲線。地表沉降監(jiān)測(cè)可采用普通水平儀，配合水平尺進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)和拱頂下沉量測(cè)布置在同一斷面上。

（2）采購(gòu)階段。該階段包含智慧物流園區(qū)設(shè)備采購(gòu)、信息化服務(wù)采購(gòu)以及安裝施工等工作安排。在采購(gòu)環(huán)節(jié)囊括了絕大部分分包招標(biāo)、合同簽署、分包合同執(zhí)行等事務(wù)工作，智慧物流園區(qū)涉及的采購(gòu)資材和服務(wù)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)軟件、人工智能化設(shè)備、人機(jī)交互系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)、云服務(wù)等，要求相比普通的物流園區(qū)技術(shù)含量更高，要求更為復(fù)雜。

（3）周邊位移、拱頂下沉量測(cè)。周邊位移選用JSS30-10/15A型數(shù)顯式收斂?jī)x及專(zhuān)用測(cè)點(diǎn)量測(cè)，拱頂下沉量測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀配合水準(zhǔn)尺、鋼尺進(jìn)行，兩者在同一量測(cè)斷面內(nèi)進(jìn)行。

量測(cè)斷面布置間距及量測(cè)頻率一般情況按設(shè)計(jì)要求辦理，洞口段、斷層破碎帶或圍巖發(fā)生變化處，加密布置。測(cè)點(diǎn)在避免爆破破壞的前提下盡可能靠近工作面布置，一般為0.5～2 m，并在下次爆破循環(huán)前獲得初始數(shù)據(jù)。

2.3 量測(cè)數(shù)的處理和應(yīng)用

2.3.1 數(shù)據(jù)整理

施工時(shí)，將各項(xiàng)量測(cè)情況填入記錄中，及時(shí)繪制位移—時(shí)間曲線和相關(guān)圖表，并注明當(dāng)前施工工序及開(kāi)挖面離量測(cè)斷面的距離。

當(dāng)位移—時(shí)間曲線趨于平緩時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和回歸分析，推算最終位移和變化規(guī)律；當(dāng)位移—時(shí)間曲線出現(xiàn)反常的急驟變化時(shí)，表明此時(shí)的圍巖、支護(hù)系統(tǒng)已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須立即停止開(kāi)挖、對(duì)危險(xiǎn)地段加強(qiáng)支護(hù)，確保已開(kāi)挖段的安全。

將原始觀測(cè)記錄進(jìn)行整理，計(jì)算出一測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間，測(cè)點(diǎn)距掌子面不同距離時(shí)的位移值U，以此計(jì)算出位移速度間長(zhǎng)（L）散點(diǎn)圖、位移速度時(shí)間t+（L）散點(diǎn)圖，由于量測(cè)的偶然誤差所造成的離散性，繪制的散點(diǎn)圖總是上下波動(dòng)和不規(guī)則的，因此必須進(jìn)行數(shù)字處理才能獲得合理典型數(shù)據(jù)，并以相應(yīng)數(shù)字公式進(jìn)行描述，其中回歸分析是處理測(cè)讀數(shù)據(jù)最終繪制典型圖線的一種較好方法。

2.3.2 位移值U判斷穩(wěn)定性

當(dāng)圍巖和支護(hù)位移值若超過(guò)某一臨界值即認(rèn)為圍巖不穩(wěn)定應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

（1）以各類(lèi)圍巖允許相對(duì)位移值，見(jiàn)表2。相對(duì)位移值系指實(shí)測(cè)位移與兩測(cè)點(diǎn)間距離之比，或拱頂位移實(shí)測(cè)值與隧道寬度之比。脆性圍巖取表中較小值，塑性圍巖取表中較大值。

表2 隧道周邊允許相對(duì)位移值 /%

表3 變形管理等級(jí)

2.3.3 位移速率判斷穩(wěn)定性

（1）當(dāng)周邊收斂速度大于1 mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變形階段，需加強(qiáng)觀測(cè)，若位移速率長(zhǎng)期不下降則加強(qiáng)支護(hù)。

（2）當(dāng)周邊收斂速度0.2～1 mm/d時(shí)，圍巖處于緩慢變形階段并趨于穩(wěn)定。

（3）當(dāng)周邊收斂速度小于0.2 mm/d或拱頂下沉小于0.07～0.15 mm/d時(shí)，圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定，可進(jìn)行二次襯砌。

位移加速度是通過(guò)U（位移）-t（時(shí)間）曲線的形態(tài)來(lái)判斷圍巖的穩(wěn)定性。

2.3.5 量測(cè)的管理

（1）項(xiàng)目經(jīng)理部成立隧道監(jiān)控量測(cè)領(lǐng)導(dǎo)小組，建立以項(xiàng)目總工任組長(zhǎng)，工程技術(shù)部部長(zhǎng)為副組長(zhǎng)，量測(cè)監(jiān)控中心專(zhuān)職負(fù)責(zé)，隊(duì)技術(shù)組參加的管理體系；并于工程技術(shù)部中專(zhuān)門(mén)設(shè)立了量測(cè)監(jiān)控中心，以加強(qiáng)隧道監(jiān)控量測(cè)工作管理力度。量測(cè)監(jiān)控中心負(fù)責(zé)日常量測(cè)、數(shù)據(jù)處理、儀器保養(yǎng)維修工作及數(shù)據(jù)的信息反饋，量測(cè)監(jiān)控中心負(fù)責(zé)人專(zhuān)職檢查落實(shí)，隊(duì)技術(shù)組設(shè)專(zhuān)職量測(cè)小組，每小組人員6～8人，負(fù)責(zé)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)，配合項(xiàng)目部進(jìn)行日常量測(cè)工作。

（2）量測(cè)小組負(fù)責(zé)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)、日常量測(cè)、數(shù)據(jù)處理和儀器保養(yǎng)維修工作，做到“三勤、一及時(shí)”，即量測(cè)勤、數(shù)據(jù)勤、分析勤，并及時(shí)將量測(cè)信息反饋于施工和設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。

（3）施工前據(jù)圍巖條件、支護(hù)類(lèi)型參數(shù)、施工方法及所確定的量測(cè)目的專(zhuān)門(mén)制定詳細(xì)的監(jiān)控量測(cè)計(jì)劃，與實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)同時(shí)提交給監(jiān)理工程師。計(jì)劃中包含量測(cè)內(nèi)容、方法、使用儀器、測(cè)點(diǎn)布置、量測(cè)頻率、數(shù)據(jù)處理、量測(cè)人員及其負(fù)責(zé)人，并經(jīng)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)后執(zhí)行。

（4）施工時(shí)要及時(shí)埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，下沉測(cè)點(diǎn)及收斂測(cè)點(diǎn)盡量布置在同一斷面上。各預(yù)埋測(cè)點(diǎn)要牢固可靠，設(shè)置專(zhuān)用標(biāo)識(shí)牌，標(biāo)明測(cè)點(diǎn)的名稱(chēng)、部位、編號(hào)、埋設(shè)日期等，易于識(shí)別并妥善保護(hù)，并教育所有進(jìn)洞人員不得隨意撤換和破壞。

（5）爆破開(kāi)挖后立即進(jìn)行工程地質(zhì)和水文地質(zhì)狀況的觀察記錄，并進(jìn)行地質(zhì)描述。地質(zhì)變化處和重要地段，有照片記錄。初期支護(hù)完成后進(jìn)行噴層表面的觀察和記錄，并進(jìn)行裂縫描述。

（6）整理量測(cè)資料做到認(rèn)真、及時(shí)、完整、準(zhǔn)確；服從監(jiān)理工程師的指令，無(wú)條件認(rèn)真配合其工作，定期向監(jiān)理工程師。