隧道監(jiān)控量測施工技術(shù)

郭繼東，劉李超

(遼寧省水利廳辦公室，沈陽110003)

0 引言

隧洞新奧法的基本原則為“少擾動(dòng)、早噴錨、快封閉、勤測量”。十二字真言中“勤量測”對新奧法隧道施工是非常重要的。監(jiān)控量測工作是量測圍巖一段時(shí)間內(nèi)圍巖的變形位移。伴隨新奧法隧道施工的各個(gè)階段，量測是對圍巖的監(jiān)視，及時(shí)提出可靠的、數(shù)量足夠的量測信息，動(dòng)態(tài)修正設(shè)計(jì)參數(shù)和變動(dòng)施工方法，為混凝土襯砌支護(hù)時(shí)間提供信息依據(jù)，從而指導(dǎo)施工和修改設(shè)計(jì)。

1 概述

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，量測項(xiàng)目分為必測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目。一般而言，隧道施工必測項(xiàng)目為:①必須進(jìn)行洞內(nèi)外觀察:洞外觀察包括地表情況、地表沉陷、邊坡及仰坡的穩(wěn)定、地表水滲透的觀察。洞內(nèi)觀察為施工中對隧洞掌子面開挖后進(jìn)行工程地質(zhì)與水文地質(zhì)觀察，描述圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、力學(xué)屬性、節(jié)理裂隙形態(tài)及充填物、含水情況以及支護(hù)裂隙觀察或描述，并繪制地質(zhì)素描圖;檢查噴射混凝土有無裂損及發(fā)展，錨桿有無松動(dòng)，拱架支護(hù)狀態(tài)觀察等。②進(jìn)行水平收斂位移量測。③進(jìn)行拱頂下沉位移量測。④必要時(shí)進(jìn)行底板鼓起量測。⑤洞口淺埋洞段和土洞段，應(yīng)進(jìn)行地表下沉監(jiān)測。

本文主要論述本工程中必測項(xiàng)目中的水平收斂位移量測和拱頂下沉位移量測。

2 量測準(zhǔn)備工作及數(shù)據(jù)采集

2.1 監(jiān)控量測斷面及測點(diǎn)布置

監(jiān)控量測斷面布置點(diǎn)數(shù)及斷面間距一般由設(shè)計(jì)單位確定，施工單位按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行斷面及測點(diǎn)的布置即可［1］。一般量測斷面間距隨著圍巖類別的不同而不同;一個(gè)斷面收斂變形觀測點(diǎn)至少3個(gè)以上，拱頂收斂觀測點(diǎn)可兼做拱頂沉降量測點(diǎn)見圖1。

2.2 測點(diǎn)安裝

一般而言，監(jiān)控量測測點(diǎn)安裝方法由設(shè)計(jì)單位提出，其典型安裝方法如下:

1)在設(shè)定現(xiàn)場臨時(shí)監(jiān)測斷面上測量，進(jìn)行測點(diǎn)定位。

2)在定位測點(diǎn)巖面鉆設(shè)測點(diǎn)預(yù)埋件安裝孔。

3)收斂固定點(diǎn)鉆孔直徑為38 mm左右，孔深240 mm，將不銹鋼錨固環(huán)的螺栓固定在Φ 18 mm長225螺紋鋼筋的一端，再將鋼筋用M 20水泥砂漿固定在各測點(diǎn)的鉆孔中。

4)待水泥砂漿凝固、測點(diǎn)預(yù)埋件穩(wěn)固后即可量測。

圖1 監(jiān)控量測點(diǎn)典型布置位置圖

2.3 測點(diǎn)安裝部位及測取初始讀數(shù)時(shí)機(jī)和要求

測點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在距開挖面1m范圍之內(nèi)，并在工作面開挖后12h內(nèi)和下一次開挖之前，完成測點(diǎn)安裝并測取初始讀數(shù)。測試中按各項(xiàng)量測操作規(guī)程安裝好儀器儀表，每測點(diǎn)一般測讀三次，取算術(shù)平均值作為觀測值;每次測試都要認(rèn)真做好原始數(shù)據(jù)記錄，并記錄開挖里程、支護(hù)施工情況以及環(huán)境溫度等，保持原始記錄的準(zhǔn)確性。

2.4 量測頻率

水平收斂位移量測和拱頂下沉量測宜用相同測試頻率，主要根據(jù)位移速度及離工作面的距離確定，應(yīng)從表中根據(jù)變形速度和距開挖面的距離選擇較高的一個(gè)量測頻率見表1。

表1 量測頻率表

當(dāng)位移速率明顯下降，水平收斂速度 ＜0.2 mm/d，拱頂位移速度＜0.1 mm/d時(shí)，持續(xù)穩(wěn)定后1～3周，經(jīng)監(jiān)理人批準(zhǔn)，可停止量測。

2.5 量測儀器和工具

利用JSS30A數(shù)顯收斂計(jì)進(jìn)行收斂量測，利用DSZ2精密水準(zhǔn)儀監(jiān)測拱頂點(diǎn)的沉降。各類量測儀器和工具的性能應(yīng)準(zhǔn)確可靠，長期穩(wěn)定，保證精度。操作很簡單，這里就不論述。

3 量測數(shù)據(jù)處理

量測數(shù)據(jù)處理是量測工作的重點(diǎn)，現(xiàn)場量測所取得的原始數(shù)據(jù)，不可避免的會(huì)具有一定的離散性，其中包含著測量誤差［2］。因此，應(yīng)對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)處理。數(shù)學(xué)處理的目的是:將同一量測斷面的各種量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比、相互印證，以確定量測數(shù)據(jù)的可靠性;探求圍巖變形或支護(hù)系統(tǒng)的受力隨時(shí)間變化的規(guī)律，判定圍巖和初期支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)量測數(shù)據(jù)及時(shí)繪制水平收斂位移時(shí)態(tài)曲線和拱頂下沉位移時(shí)態(tài)曲線。當(dāng)位移時(shí)態(tài)曲線的曲率趨于平緩時(shí)，應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行回規(guī)分析，推算最終位移值，確定位移變化規(guī)律。

3.1 繪制收斂變形觀測位移時(shí)態(tài)散點(diǎn)曲線

先把圍巖收斂記錄表中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于收斂計(jì)的鋼尺受溫度變化的影響會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮，而每次觀測的環(huán)境溫度不盡相同，即要對觀測值進(jìn)行溫度修正，以消除變溫引起的誤差。

式中:L為量測的真實(shí)值;L’為量測的實(shí)測3次讀數(shù)的平均值;ΔL為修正值;α為鋼尺的膨脹系數(shù);T1為第一次量測的環(huán)境溫度;Ti為第i次量測的環(huán)境溫度;S為鋼尺測長度。

得到鋼尺的真實(shí)值L后，U=Li-L1，U即為收斂位移值，現(xiàn)在得到兩個(gè)有用的數(shù)據(jù)，收斂位移值U和時(shí)間T，把U和T輸入到excel表格里，每個(gè)位移值U對應(yīng)一個(gè)時(shí)間T。用鼠標(biāo)選中U和T，在excel工具欄進(jìn)入“插入”菜單，選中“圖表”，會(huì)出現(xiàn)“圖表類型”對話框，在“標(biāo)準(zhǔn)類型”中，選“XY散點(diǎn)圖”，再點(diǎn)擊“完成”，即可以生成收斂變形觀測位移時(shí)態(tài)散點(diǎn)曲線。

3.2 對數(shù)據(jù)進(jìn)行回規(guī)分析，推算最終位移值

根據(jù)測試數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布規(guī)律，選用指數(shù)函數(shù)公式u=a×e-b/t作為回歸函數(shù)較為合理。U和T為已知值，a和b為待求的回歸常數(shù)值，回歸過程即用已知值去估計(jì)常數(shù)值。由于指數(shù)函數(shù)為非線性函數(shù)，可先將其線性化。等號兩邊同時(shí)取自然對數(shù)，得Inu，得 u'=Ina+bt'，這函數(shù)是線性函數(shù)，可對其線性回歸分析。為得u'對u進(jìn)行取自然對數(shù)處理。對t取負(fù)倒數(shù)處理得t'。由于每個(gè)位移值U對應(yīng)一個(gè)時(shí)間T，同樣每個(gè)u'值對應(yīng)一個(gè)t'值［2］。利用Excel對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，要使用Excel的數(shù)據(jù)分析工具，使用數(shù)據(jù)分析工具之前，要確認(rèn)“分析工具庫”處于加載狀態(tài)，勾選“分析工具庫”、“分析工具庫-VAB函數(shù)”、“規(guī)劃求解”，再確定即可。點(diǎn)擊Excel菜單中的“工具”→“數(shù)據(jù)分析”，出現(xiàn)數(shù)據(jù)分析窗口，選擇“回歸”，確定后出現(xiàn)回歸分析窗口，在Y值輸入?yún)^(qū)域選擇:u'值的區(qū)域;在X值輸入?yún)^(qū)域選擇:t'值的區(qū)域，選擇“確定”，得到回歸分析結(jié)果。得好分析結(jié)果有用的數(shù)據(jù)為 lna，b，R2 ，a=eIna，即求得了待求值 a、b。R2 為判定系數(shù)即為擬合優(yōu)度，取值范圍:0-1，擬合優(yōu)度越大，自變量對因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動(dòng)占總變動(dòng)的百分比高。觀察點(diǎn)在回歸直線附近越密集?，F(xiàn)得函數(shù) u=a×e-b/t，當(dāng) t→ ∞ ，，在工程實(shí)用上的意義是經(jīng)一段t時(shí)間的變形，圍巖的變形最終值為a。

采用新奧法隧道施工不僅關(guān)系圍巖變形量U，更關(guān)系變形速率和變形速率變化率。V=Δu/Δt是實(shí)際的變形速率，對u=a×e-b/t求t的一次導(dǎo)數(shù)是理論分析的變形速率，由理論分析得隨著時(shí)間t是變小的。對u=a×e-b/t求t的二次導(dǎo)數(shù)，由此分析得出正常安全圍巖實(shí)際的變形速率是隨著時(shí)間推移變小的，特別在圍巖開挖完1～6 d變形速率很大，一周以后變形速率很小。可以認(rèn)為圍巖經(jīng)過一段時(shí)間段t變形后停止變形，變形位移趨向最終位移值。即變形速率的變化率，對于指導(dǎo)施工和修改設(shè)計(jì)參數(shù)也非常重要。一般有3種情況:

3.3 周邊位置相對值

量測工作另一重要參數(shù)周邊位移相對值，它是指兩測點(diǎn)間實(shí)測位移累計(jì)值(或用回歸分析推算的最終位移值)與兩測點(diǎn)間距離之比，或拱頂實(shí)測位移值與隧道寬度之比。正常安全隧道的周邊位移相對值應(yīng)小于隧道周邊允許位移相對值，如果測得的周邊位移相對值超過允許位移相對值，說明初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)偏小，應(yīng)增加噴層厚度，或增加錨桿數(shù)量和長度加強(qiáng)支護(hù)。如果測得的周邊位移相對值遠(yuǎn)小于允許位移相對值時(shí)，可降低其他地段初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)?？梢灾苓呂灰葡鄬χ狄嗫梢灾笇?dǎo)施工。位移應(yīng)控制在允許位移之內(nèi)，實(shí)測水平收斂位移和拱頂下沉位移的相對值或用回歸分析推算的最終位移相對值，均應(yīng)小于所列允許位移相對值見表2。

表2 隧洞周邊允許位移相對值 %

4 結(jié)論

量測工作是監(jiān)視設(shè)計(jì)、施工是否正確的眼鏡，是監(jiān)視圍巖是否安全穩(wěn)定的手段。伴隨著新奧法的施工的全過程。特別是周邊位移相對值、變形速率、變形速率變化率這3個(gè)重要參數(shù)對工程施工的指導(dǎo)有非凡的意義。只有“位移值小于規(guī)范限值，變形速率(速率)隨著時(shí)間的推移遞減，變形速率變化率(加速度)＜0”同時(shí)滿足才能確保圍巖的穩(wěn)定性。應(yīng)該踏實(shí)落實(shí)好量測工作，同時(shí)積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為工程施工的安全和穩(wěn)步發(fā)展更好地服務(wù)。

［1］于波.隧道新奧法施工中圍巖的監(jiān)控量測技術(shù)［J］.山西建筑，2004，30(07):129-130.

［2］金理強(qiáng)，喻樂華.監(jiān)控量測技術(shù)在龍鳳山隧道施工中的應(yīng)用［J］. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25(04):15-18.