圍巖監(jiān)控量測技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用

摘要：本文以圍巖監(jiān)控量測技術(shù)在橫山隧道施工中的應(yīng)用為例，介紹了量測的實(shí)施過程、量測數(shù)據(jù)的分析、信息反饋及采取相應(yīng)措施后的效果。

關(guān)鍵詞：隧道 監(jiān)控量測 周邊收斂 拱頂沉降 回歸分析

0 引言

圍巖監(jiān)控量測指的是在隧道施工時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測支護(hù)系統(tǒng)及圍巖的穩(wěn)定性能和變化情況，以進(jìn)一步優(yōu)化施工方案，并對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整。在新奧法施工中，這個(gè)環(huán)節(jié)的工作非常關(guān)鍵。新奧法屬于一種全新的隧道施工理念，它主要通過開挖法、支護(hù)形式及輔助手段，盡量利用圍巖自身的承載能力來提高隧道施工的安全系數(shù)，同時(shí)使其更為經(jīng)濟(jì)合理。而其安全性、經(jīng)濟(jì)性和合理性，主要體現(xiàn)在能及時(shí)為下一環(huán)境的設(shè)計(jì)即施工提供有效的圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)。所以，采用新奧法施工的重點(diǎn)在于準(zhǔn)確、及時(shí)、快速地進(jìn)行圍巖檢測即信息反饋。

通過新奧法施工的一個(gè)案例就是太中銀鐵路橫山隧道施工項(xiàng)目，該項(xiàng)目施工很好的運(yùn)用了圍巖監(jiān)測技術(shù)，并由此獲得的預(yù)期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 工程概況

橫山隧道位于陜西省橫山縣境內(nèi)，是全線范圍的重點(diǎn)控制工程。隧道起迄里程為DK333+265～DK344+713，全長11448m；隧道設(shè)計(jì)為雙線隧道。隧道最大埋深為283.68m。

隧道平面進(jìn)口DK333+265至DK334+966.83段為半徑為3500m的右曲線上，從DK334+966.83至隧道出口DK344+713段為直線；隧道內(nèi)縱坡為單坡道，自隧道進(jìn)口至DK335+070為5‰的上坡，DK335+050至隧道出口為11‰的上坡。隧道圍巖情況總體情況較好，Ⅲ級圍巖分布總長度為9710m，占隧道總長的85%；Ⅳ級圍巖分布總長度為1513m，占隧道總長的13%；Ⅴ級圍巖分布總長度為225m，占隧道總長的2%。

2 施工監(jiān)控量測

2.1 現(xiàn)場監(jiān)控量測的目的

在施工過程中，加強(qiáng)圍巖的監(jiān)控量測，及時(shí)準(zhǔn)確反饋初支收斂情況，是調(diào)整施工支護(hù)參數(shù)，優(yōu)化施工方案，確保施工安全的重要手段。在橫山隧道施工過程中，我們嚴(yán)格按照新奧法要求施工，通過量測數(shù)據(jù)收集、整理和分析達(dá)到以下幾個(gè)目的:

2.1.1 了解圍巖、支護(hù)變形情況，以便及時(shí)調(diào)整和修正支護(hù)參數(shù)，保證圍巖穩(wěn)定和施工安全；

2.1.2 提供判斷圍巖和支護(hù)系統(tǒng)基本穩(wěn)定的依據(jù)，確定二次襯砌施作時(shí)間；

2.1.3 依據(jù)量測信息采取相應(yīng)措施，優(yōu)化施工方案，在保證施工安全的前提下加快施工進(jìn)度。

2.2 圍巖監(jiān)控量測的基本情況

2.2.1 工具

ZW20型收斂儀，用于隧道斷面水平位移測量觀測。最小讀數(shù)0.1度的溫度計(jì)，用于測量隧道環(huán)境溫度，溫度變化對收斂儀測量影響很大。高精度水準(zhǔn)儀，用于測量隧道拱頂下沉觀測。

2.2.2 測點(diǎn)埋設(shè)及要求

隧道凈空變化、拱頂下沉量測項(xiàng)目設(shè)置在同一斷面，量測斷面的間距及測點(diǎn)數(shù)量設(shè)定主要依據(jù)圍巖類別，一般量測斷面的布設(shè)要求見表1。

表1

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注：洞口及淺埋地段斷面間距取小值。

測點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)盡可能靠近掌子面，一般距工作面0.5m～2.0m。測點(diǎn)埋好后，應(yīng)在下一循環(huán)爆破前量取第一次讀數(shù)。

2.3 現(xiàn)場監(jiān)控量測要求

2.3.1 噴錨支護(hù)施作2h后即埋設(shè)測點(diǎn)，進(jìn)行第一次量測數(shù)據(jù)采集。

2.3.2 測試前檢查儀表設(shè)備是否完好，如發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)及時(shí)修理或更換;確認(rèn)測點(diǎn)是否松動(dòng)或人為損壞，只有測點(diǎn)狀態(tài)良好時(shí)方可進(jìn)行測試工作。

2.3.3 測試時(shí)，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測流程提前裝設(shè)儀器儀表，一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)要測讀3次。如果3次數(shù)值差距不大，觀測結(jié)果則取其平均值；如果3次的數(shù)值差距較大，就要對量測儀器儀表進(jìn)行檢查，確保其安裝無誤、測點(diǎn)不松動(dòng)后再重新測量。認(rèn)真記錄每一次量測的環(huán)境溫度、支護(hù)狀況和掘進(jìn)里程等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場粗略的對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如變位過大，則要盡快告知現(xiàn)場施工負(fù)責(zé)人進(jìn)行處理，以免出現(xiàn)問題。

2.3.4 結(jié)束量測以后，對儀器、儀表進(jìn)行檢查，并按要求對儀器進(jìn)行保管和養(yǎng)護(hù)；認(rèn)真整理監(jiān)控量測資料等施工材料。

3 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用

根據(jù)各點(diǎn)的累計(jì)位移及變形曲線，對量測資料進(jìn)行非線性回歸分析?；貧w分析是對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，繪制成典型曲線的一種方式?；貧w分析實(shí)際是對一系列具有一定規(guī)律的量測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，并由此分析出兩個(gè)變量間的函數(shù)式關(guān)系。通過函數(shù)式繪制的曲線代表測試數(shù)據(jù)的散點(diǎn)分布，同時(shí)對變量的極限值進(jìn)行推算。我們可通過指數(shù)函數(shù)來對拱頂下沉及周邊收斂的量測信息進(jìn)行回歸分析。分析量測信息的過程中，必須綜合分析實(shí)際的觀測數(shù)據(jù)和相關(guān)情況，以隧道施工總體安排為依據(jù)施做二次襯砌，或加強(qiáng)圍巖支護(hù)。以下是參照橫山隧道周邊收斂與時(shí)間關(guān)系以及拱頂下沉與時(shí)間關(guān)系兩條曲線，選擇其中一個(gè)特殊斷面的周邊收斂即拱頂下沉開展回歸分析工作。圖1為DK343+190周邊收斂的回歸曲線(回歸分析的極限值8.0127mm，相關(guān)系數(shù)0.9956)，圖2為拱頂下沉曲線(回歸分析的極限值11.775mm，相關(guān)系數(shù)0.9984)。

4 對圍巖監(jiān)控量測技術(shù)中問題的認(rèn)識

在新奧法施工過程中，大部分施工單位都采用圍巖監(jiān)測技術(shù)來分析圍巖的穩(wěn)定性。采用圍巖監(jiān)控量測技術(shù)進(jìn)行隧道施工能避免塌方現(xiàn)象，增加支護(hù)的穩(wěn)定性能，提高隧道施工的安全系數(shù)。開挖支護(hù)以后，操作人員可通過圍巖監(jiān)控量測技術(shù)來判定支護(hù)的強(qiáng)度、圍巖的穩(wěn)定性以及變形穩(wěn)定的時(shí)間。

技術(shù)人員在對圍巖情況進(jìn)行現(xiàn)場觀測后發(fā)現(xiàn)，Ⅱ-Ⅲ級圍巖在開挖后，其穩(wěn)定性良好，穩(wěn)定性持續(xù)時(shí)間較長，而且沒有發(fā)生較大的變形，現(xiàn)場施工過程中可適當(dāng)減少對圍巖變形情況的監(jiān)測次數(shù)，如果情況較好，可不進(jìn)行監(jiān)測。

Ⅳ-Ⅴ級圍巖地段圍堰性能不好，因此必須對其進(jìn)行監(jiān)控量測。這一地段的地質(zhì)狀況不好，而且存在某些不可預(yù)見的因素，極有可能發(fā)生塌方等突發(fā)事件，在圍巖監(jiān)控量測過程中，變形病害不可避免。在這種情況下，應(yīng)堅(jiān)持早襯砌的原則，確保施工安全，防止塌方發(fā)生，而不能機(jī)械地按照新奧法施工要求，在圍巖變形“明顯下降，收斂量達(dá)總收斂量80-90%，收斂速度<0.2mm/d”時(shí)施做二次襯砌。

因?yàn)閲鷰r比較軟弱，且地質(zhì)構(gòu)造不均勻，局部變形問題不可避免，因此，為全面掌握圍巖的變形情況，施工單位除了要采用圍巖監(jiān)控量測儀開展施工活動(dòng)，還應(yīng)該利用水平儀等儀器對現(xiàn)場施工情況進(jìn)行觀察。

隧道施工過程中，我們常常會(huì)思考應(yīng)該采用哪種支護(hù)體系，在不違反施工規(guī)范的前提下保證其經(jīng)濟(jì)實(shí)用。根據(jù)這一要求，采用新奧法開展隧道施工，可根據(jù)圍巖類型每隔2米一個(gè)斷面對拱頂下沉情況進(jìn)行觀測，每10米進(jìn)行1次三點(diǎn)收斂量測。但從技術(shù)角度來分析，我們并不能保證這樣的支護(hù)體系絕對安全，完成初期支護(hù)后，變形問題也是不可避免的：當(dāng)現(xiàn)有支護(hù)體系無法對圍巖變形程度進(jìn)行有力的控制，致使變形病害進(jìn)一步蔓延，就要盡快采取補(bǔ)救措施。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對橫山隧道進(jìn)行實(shí)地圍巖監(jiān)控量測，我們進(jìn)一步掌握了圍巖監(jiān)控量測技術(shù)的操作規(guī)程，同時(shí)也在隧道施工過程中積累了大量圍巖監(jiān)控量測的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過隧道監(jiān)控量測，及時(shí)掌握圍巖的動(dòng)態(tài)，預(yù)測圍巖的變形量，判斷圍巖的穩(wěn)定，分析施工方案的正確性，是十分必要的，因此圍巖監(jiān)控量測是隧道施工中是不可缺少的施工手段。另一方面，通過圍巖監(jiān)控量測，進(jìn)行信息反饋，可以及時(shí)修改施工設(shè)計(jì)，從而達(dá)到快速、優(yōu)質(zhì)、低耗、安全地施工。

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