圍巖應力及位移監(jiān)測在隧道施工中的應用

趙明亮

摘要：本文結合三江至南川線擴能改造工程項目中白塔寺隧道出口開挖施工情況，對圍巖應力及位移監(jiān)測在淺埋偏壓和不良地質隧道中的應用進行論述，根據(jù)監(jiān)測結果采取相應的支護措施，為隧道施工提供了充分的理論依據(jù)，以供類似工程借鑒。

關鍵詞：隧道 淺埋偏壓及不良地質 應力及位移監(jiān)測 理論依據(jù)

0 引言

隨著我國鐵路與公路隧道施工長度的加長，不良地質圍巖隧道越來越多，對安全措施的要求也越來越高。目前我國隧道初期支護基本采用新奧法，格柵鋼架或型鋼鋼架結合系統(tǒng)錨桿并噴射混凝土封閉。但對一些淺埋偏壓隧道及不良地質圍巖隧道還需采取其它相應的支護措施，這就要求要充分地掌握圍巖內(nèi)部應力變化及位移情況，根據(jù)實際情況采取相應的支護措施，做到有的放矢。

1 工程概況

白塔寺隧道全長2857米，最大埋深206米，該隧道位于重慶市萬盛區(qū)境內(nèi)，并且穿越一道脊狀山梁，進口里程、出口里程、中心里程分別為D1K24+690、D1K27+547、D1K26+118.5。對于白塔寺隧道來說，其出口端淺埋段需要穿越突出山脊，屬于地形偏壓，出口覆蓋2～6m碎石層。D1K27+390～D1K27+542段屬于淺埋、地形嚴重偏壓地段，其洞口如圖1所示。

2 監(jiān)控量測的目的

①根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，為監(jiān)控設計提供參考依據(jù)和信息，進一步掌握圍巖力學形態(tài)的變化規(guī)律，同時可以熟悉掌握支護結構的工作狀態(tài)，并及時反饋相應的信息，進而為隧道施工提供指導性建議和意見；通過對圍巖的應力狀態(tài)進行監(jiān)測，綜合評價圍巖的穩(wěn)定性。

②了解支護結構的應力狀態(tài)，熟悉圍巖的壓力狀態(tài)；同時對支護參數(shù)、支護時間等參數(shù)進行了解和掌握，并且對復合式襯砌中二次襯砌的施工時間進行確定，為了確定合理的支護形式，需要根據(jù)監(jiān)測結果對隧道支護參數(shù)進行調整和修改。

③及時預測預報隧道圍巖、襯砌應力場等監(jiān)測信息的異常狀態(tài)，對現(xiàn)場施工進行指導。將險情的預報、監(jiān)視等，作為隧道開挖期間的工程預報，同時將此作為施工的對策和工程措施，確保工程施工的順利進行。如果監(jiān)測的結果與設計要求存在較大的差別時，有必要對支護或錨桿的布置做出調整與修改。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

3.1.1 地表監(jiān)測

①地表沉降監(jiān)測：掌握隧道開挖山體地表沉降；

②山體水平位移監(jiān)測：掌握隧道開挖后，山體圍巖內(nèi)部水平變形情況；

③山體地中豎向位移監(jiān)測：掌握偏壓隧道開挖后， 山體圍巖內(nèi)部豎向變形情況。

3.1.2 洞內(nèi)監(jiān)測

①拱頂下沉：掌握隧道開挖后的位移隨時間、施工變化的規(guī)律；

②周邊收斂：掌握隧道開挖后的位移隨時間、施工變化的規(guī)律；

③量測圍巖壓力：掌握圍巖對隧道初支支護作用壓力；

④量測支護間層間壓力：掌握隧道初支支護與二次襯砌間作用壓力；

⑤圍巖體內(nèi)位移監(jiān)測：掌握圍巖內(nèi)部變形情況；

⑥鋼支撐應力監(jiān)測：掌握初期支護鋼拱架受力情況。

3.2 監(jiān)測斷面數(shù)量

根據(jù)白塔寺隧道出口情況，開展表1、2所示項目及斷面布置。

3.3 監(jiān)測頻率

地表監(jiān)測、隧道內(nèi)監(jiān)測根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》TB10201-2007要求以及設計院關于白塔寺隧道出口監(jiān)控量測要求，在測點埋設前一個月按每天監(jiān)測一次，1至2個月按每兩天監(jiān)測一次，2至3個月按每周監(jiān)測一次，3個月后按每月監(jiān)測1次，若遇變化，可適當加密。

4 監(jiān)測實施方法

4.1 地表沉降

4.1.1 監(jiān)測目的

掌握隧道上方地表沉降情況。

4.1.2 監(jiān)測儀器

儀器采用蘇光DSZ2水準儀，配套銦鋼尺等，或采用全站儀。

4.1.3 斷面布置與埋設

①測點埋設。

地表沉降監(jiān)測點的埋設用洛陽鏟進行探挖開挖成孔，然后放入相應的鋼筋，將鋼套筒孔內(nèi)對鋼筋與周邊的土體進行隔離，同時用砂土和木屑對上部進行回填。將保護蓋安設在測點上，并做好標記。如圖2所示。

②斷面布置。

在同一斷面上布置測點和拱頂下沉，監(jiān)測斷面測點從拱頂中央向兩側左右間隔測點。隧道范圍以小間距布點，范圍外以稍大間距布點，每個斷面不少于5個測點（圖3）。加強量測石質較差和特殊淺埋段，同時對量測信息進行及時的反饋，進而在一定程度上對施工方法進行調整，確保施工的順利進行。

淺埋地表下沉量測斷面間距：在D1K27+532、D1K27

+522設置兩個段面。

4.2 山體水平位移監(jiān)測

4.2.1 監(jiān)測目的

掌握隧道開挖后， 山體圍巖內(nèi)部水平變形情況。

4.2.2 監(jiān)測儀器

為了保證測量成果準確、可靠，達到精度要求，采用金土木JTM 6000系列活動式垂直測斜儀。如圖4所示。

4.2.3 斷面布置與埋設

4.2.3.1 測點埋設

①布置觀測點。

對于一個場地，觀測點應該因地制宜，合理布置。一般要求測斜管采用鉆孔埋設，管底超過仰拱底至少2m或嵌入基巖。施工過程中，確保鉆孔的垂直型，偏差角控制在2°，與測斜管外徑相比，終孔直徑應要超過其30mm。

②安裝測斜管。

為了提高測試效果，通常情況下需要確保測斜管的安裝質量，在安裝測試管的過程中，需要按照下列步驟進行安裝：

a在管底蓋上安裝測斜管，同時用螺絲或膠進行固定；

b按順序將測斜管逐根放入鉆孔中，用接管連接測斜管，同時用螺絲進行固定，檢測過程如圖5所示。

在安裝測斜管的過程中，需要注意導槽的方向，確保導槽方向與設計要求保持一致。按次序將組裝好的測斜管逐節(jié)放入鉆孔中，直至孔底；

c安裝完測斜管，經(jīng)過確認后，可以進行回填處理。在回填過程中，每填至3～5m，需要注一次水，通過注水的方式，使膨潤土球或原土沙與孔壁牢固地結合，直至孔口；

d對于測斜管來說，為了確保管口和管口轉角的穩(wěn)定性，需要對地表管口段澆注混凝土，通過混凝土墩臺對其進行保護，同時將位移和沉降觀測標點設置在墩臺上；

e保護露在地表上的測斜管，同時蓋上相應的管蓋，防止物體落入；

f測斜管安裝完成后，通過模擬測斜儀進行試放。

③組裝測斜儀。

進行測試前，檢驗校正測斜儀，同時做好準備工作，確保組裝的順利進行。

④量測與計算。

測試方式需要遵循兩點：當測斜管下部可靠地固定在基巖中，在這種情況下可以認為基巖沒有發(fā)生位移。當測斜管底部出現(xiàn)懸掛時，此時由上向下進行測量。

在測試過程中，沿預先埋好的測斜管沿垂直于線路方向（A向）導槽（自下而上每隔0.5米測讀一次直至孔口，得各測點位置上讀數(shù)Ai（+）、Ai（-）。

4.2.3.2 測點斷面圖

測斜布置如圖6所示，在D1K27+532、D1K27+522每斷面各1個測斜孔，第一測斜孔深22m，第二測斜孔深27m。

4.3 山體豎向位移監(jiān)測

4.3.1 監(jiān)測目的。掌握隧道開挖后，山體圍巖內(nèi)部豎向變形情況。

4.3.2 監(jiān)測儀器。多點位移計。

4.3.3 斷面布置與埋設

①測點埋設。利用地質鉆進行成孔處理，孔直徑一般要大于76mm，成孔后將導管緩慢地放入孔中，直到最低觀測點，然后利用專用工具將錨頭依次埋入設計的位置，將鉆孔中巖渣、積水等雜物清除，并灌入水泥砂漿，注滿鉆孔后，在鉆孔中插入桿式位移計；將孔口定位體與周圍巖體通過干硬性水泥砂漿進行固結處理；在地表保護傳輸電纜線。待水泥砂漿固結后進行初始讀數(shù)。地中位移監(jiān)測如圖7所示。

②斷面布置。地中豎向位移測孔布置如圖6所示，在D1K27+532、D1K27+522每斷面各1個地中位移孔，第一測斜孔深10m，第二測斜孔深15m。每個測孔5個測點。

4.4 圍巖壓力量測

4.4.1 監(jiān)測目的

所謂圍巖壓力量測，通常情況下是指測試圍巖與支護間的接觸壓力。其目的主要表現(xiàn)為：

了解圍巖壓力的量值及分布狀態(tài)；

對圍巖和支護的穩(wěn)定性進行判斷。

4.4.2 監(jiān)測儀器

接觸壓力量測儀器根據(jù)測試原理和測力計結構不同分為液壓式測力計和電測式測力計。電測式優(yōu)點是測量精度高，可遠距離和長期觀測。根據(jù)合同要求，該次采用電測式測力計。

采用儀器與元件：鋼弦式壓力盒WY-2型，振弦頻率檢測儀PZX-2型。（圖8）

4.4.3 壓力盒布置與埋設

①壓力盒的埋設。

當開挖、出渣完成，可選擇埋設壓力盒的位置，選擇較為平整的圍巖處，若沒有采用人工找平，把壓力盒放在帖巖面處，再在壓力盒上面蓋上一塊厚6mm、直徑與壓力盒直徑大小相等的鋼板，鋼板上事先焊接四個φ10的鋼筋頭，把鋼筋頭固定在巖體上，或若掛有鋼筋網(wǎng)的，可將其幫扎在鋼筋網(wǎng)上將其固定。保證壓力盒接觸緊密和平穩(wěn)，且不滑移。

若初期支護已經(jīng)完成，采用在初支鑿孔進行埋設。

根據(jù)施工工藝，采用的是臺階法施工，為減少對施工的干擾，同時保護好壓力盒引線，因此，在圍巖接觸壓力量測時，把壓力盒的電纜引線沿圍巖面固定，將其線集中到上臺階離地0.5m處（若為全斷面開挖直接在墻腳離地0.5m處），在那將其預留線與接頭放在一個10cm×10cm×6cm的鐵皮箱里面，臨時集中管理與測設，對接線頭采用纏有數(shù)字的膠帶標記，方便集中測設與長期管理。

②壓力盒的布置。

測試斷面布置與其他測試布置在同一斷面，主要在D1K27+490、D1K27+470、D1K27+450已完成初支設置3個斷面，在未開挖掌子面設置2個斷面。每個斷面布設7個測點，分別在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腳等處，測點布置詳見圖9。

4.5 支護間層間壓力量測

4.5.1 監(jiān)測目的

掌握初期支護與二次襯砌間圍巖壓力。

4.5.2 監(jiān)測儀器

采用儀器與元件：鋼弦式壓力盒 WY-2型，振弦頻率檢測儀PZX-2型。

4.5.3 壓力盒布置與埋設

①壓力盒的埋設。

壓力盒埋設同圍巖壓力埋設相同。

②壓力盒的布置。

測試斷面布置與其他測試布置在同一斷面，主要在D1K27+490、D1K27+470、D1K27+450已完成初支設置3個斷面，每個斷面布設7個測點，分別在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腳等處，測點布置詳見圖10。在未開挖掌子面設置2個斷面，每個斷面布設9個測點，分別在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腳、仰拱等處。

4.6 鋼架內(nèi)力量測

4.6.1 監(jiān)測目的

①了解鋼架與噴混凝土對圍巖的組合支護效果；

②了解鋼架的實際工作狀態(tài)，同時根據(jù)實際情況采取相應的加固措施；

③對初期支護承載能力進行判斷，同時保證施工的安全性，對支護參數(shù)進行優(yōu)化。

4.6.2 監(jiān)測儀器

采用儀器與元件：鋼弦式表面應變計 WY-2型，振弦頻率檢測儀PZX-2型。

4.6.3 元器件布置與埋設

①埋設儀器。

在實際監(jiān)測過程中，采用不同的元件對不同的鋼支撐進行量測，如果鋼支撐為型鋼，在這種情況下，需要采用表面應變計。在隧道鋼架施工過程中，將應變計基座螺母焊結于鋼架測點內(nèi)、外壁處，然后取下定型連桿，將鋼架應變計安裝在相應測點處，并用螺母擰緊。最后，將保護外殼點焊于測點處，對應變計進行相應保護。具體見圖11。

②布置斷面。

測試斷面布置與其他測試布置在同一斷面，主要在現(xiàn)未開挖掌子面設置2個斷面，每個斷面布設7個測點，分別在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腳等處。

4.7 圍巖體內(nèi)位移監(jiān)測

4.7.1 監(jiān)測目的

①了解錨桿受力狀態(tài)及內(nèi)力的大小。

②掌握巖體內(nèi)應力重分布的過程。

4.7.2 監(jiān)測儀器

采用儀器與元件：電測多點位移計（量程：0-50mm，精度：0.01mm）；其原理為：埋設在巖體鉆孔不同深度的各測點和定位體，通過位移計套筒、定位塊、水泥砂漿與周圍巖體連接為一體，共同變形，但固定在各定位塊的測桿在位移計套筒中是自由的，不隨巖體變形而變形，通過測試裝置可量測出相對位移變化。振弦頻率檢測儀PZX-2型。

4.7.3 元器件布置與埋設

①元件埋設。

采用普通風鉆（電鉆）鉆孔徑φ40～50mm，長度較位移計長50～100mm的鉆孔，清除鉆孔內(nèi)巖渣和積水，灌入水泥砂漿（1：1）亦可用錨固劑，注滿全鉆孔后，將事先拼裝好的桿式位移計插入鉆孔中，用干硬性水泥砂漿將孔口定位體與周圍巖體固結牢靠。待水泥砂漿固結后進行讀數(shù)。噴射混凝土時注意不要把錨固端頭埋掉，噴射完成將端頭螺帽處清理干凈，以便量測。

②布置斷面。

測試斷面布置與其他測試布置在同一斷面，主要在D1K27+490、D1K27+470、D1K27+450已完成初支設置3個斷面，每個斷面布設4個測孔，每個測孔3個測點。在已施工二次襯砌段設置2斷面，每個斷面布設2個測孔（考慮對既有襯砌減少破壞），每個測孔3個測點。測點布置詳見圖12所示。

③數(shù)據(jù)處理。

繪制孔內(nèi)各測點（L1，L2….）位移與時間關系曲線；

繪制不同時間（t1，t2、t3….）位移與深度（測點位置l）關系曲線。（圖13）

4.8 拱頂下沉、周邊收斂量測

4.8.1 監(jiān)測目的

掌握初期支護、二次襯砌洞內(nèi)位移變化情況。

4.8.2 監(jiān)測儀器

采用儀器與元件：R-32X2N全站儀。

4.8.3 斷面布置與埋設

①元件埋設、及斷面布置。

在襯砌或初期支護上設置反光膜片。從暗洞洞口里程開始（DK27+542），每5m一個斷面，每個斷面5個點，拱頂一個，拱腰兩個，邊墻兩個，對該五個點進行位移監(jiān)測。具體布置情況見隧道監(jiān)控量測布置圖，監(jiān)測斷面圖如圖14所示。

②測試方法。

利用高精度二維測量方法，同時結合數(shù)據(jù)處理技術，采用全站儀雙站自由設站二維坐標非接觸量測、雙站獨立坐標測線方法進行測量，進而在一定程度上確保監(jiān)測結果的精度和可靠性，將測量點位精度控制在10-1mm，進一步滿足隧道圍巖變形監(jiān)測的需要。

全站儀非接觸測量原理為全站儀自由設站法，即通過觀測兩個以上后視點的已知坐標點，反算出儀器中心的坐標，根據(jù)儀器中心點的坐標、被測點的坐標變換等，進一步求出被測點的坐標，從而在不同時段得出被測目標點的位移變形。在觀測過程中，利用自動全站儀，這種觀測儀器有著自身獨特的優(yōu)越性，在一定程度上可以大大提高觀測效率。在機載軟件控制下，利用專用的自動全站儀機載軟件，通常情況下，可以自動完成觀測。通過嚴密平差各期觀測值，在同一坐標系下計算出所有測點的二維坐標，同時比較不同期測點的二維坐標，即可得到觀測點的二維位移量ΔX、ΔY、ΔZ。

5 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理與應用

在觀測過程中，由于現(xiàn)場量測的原始數(shù)據(jù)，存在一定的離散性，并且包含測量誤差等。對于這些數(shù)據(jù)來說，如果不經(jīng)過整理和數(shù)學處理，難以直接利用。為了充分利用數(shù)據(jù)，通常情況下，需要對數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理，其目的主要表現(xiàn)為：分析對比同一量測斷面的各種量測數(shù)據(jù)，同時對其進行相互應證，進一步確保量測結果的可靠性；探求圍巖變形或支護系統(tǒng)的受力隨時間變化規(guī)律，判定圍巖的狀態(tài)。

5.1 測量數(shù)據(jù)的整理

通常情況下，隨著隨時間、空間的變化，現(xiàn)場的量測數(shù)據(jù)也會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為時間和空間效應，通過曲線關系圖表示量測現(xiàn)場的變化，即量測數(shù)據(jù)隨時間的變化規(guī)律-時態(tài)曲線或繪被測量與距離之間的關系曲線；繪制位移、應力與時間t的關系曲線-時態(tài)曲線；繪制位移速度、應力速率與時間t關系曲線。

5.2 測試數(shù)據(jù)處理-回歸分析

為消除測試數(shù)據(jù)存在的偶然誤差及散點圖的上下波動，進行數(shù)學處理，采用一元非線性回歸。

對數(shù)函數(shù)：U=A+Bln（l+t）；

指數(shù)函數(shù)：u=Ae-B/t；

式中：u——位移值（mm）；

A、B——回歸系數(shù)；

T——量測時間。

6 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反饋

6.1 量測數(shù)據(jù)反饋流程

量測數(shù)據(jù)反饋流程見圖16。

6.2 隧道監(jiān)控量測管理基準

6.2.1 變形監(jiān)測項目管理基準

建立監(jiān)測變形管理等級標準，其等級劃分及相應基準值如表3、表4所示。通過比較和分析監(jiān)測結果，進一步對支護結構的穩(wěn)定性和安全性進行判定，同時為施工提供參考依據(jù)。

依據(jù)《鐵路隧道施工規(guī)范》（TB10204-2002）規(guī)定，判斷圍巖的穩(wěn)定性。

根據(jù)位移速度變化判別：凈空變化速度持續(xù)大于1.0mm/d時，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應加強初期支護系統(tǒng)；凈空變化速度小于0.2mm/d時，圍巖達到基本穩(wěn)定。

根據(jù)位移時態(tài)曲線的形態(tài)來判別：當圍巖位移速率不斷下降時（ 0），圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)；當圍巖位移速率保持不變時（ =0），圍巖不穩(wěn)定，應加強支護；當圍巖速率不斷上升時（ >0），圍巖進入危險狀態(tài)，在這種情況下，必須停止掘進，同時采取措施加強支護處理。

6.2.2 初期支護內(nèi)力量測管理基準

初期支護內(nèi)力量測主要是鋼支撐和格柵拱架量測，其管理基準一般按鋼材強度控制，具體見表5。

6.2.3 二次襯砌施工條件

在對隧道位移進行監(jiān)控的過程中，其量測結果必須同時滿足三項標準，在這種情況下，才能進行二次襯砌施作：①隧道周邊位移水平收斂速度小于0.2mm/d；拱頂或底板垂直位移速度小于0.1mm/d。②隧道周邊水平收斂速度；③隧道位移相對值已達到總相對位移量的90%以上。

6.3 量測數(shù)據(jù)反饋方法

為確保監(jiān)測結果的質量，加快信息反饋速度，全部監(jiān)測數(shù)據(jù)均由計算機管理，每次監(jiān)測必須有監(jiān)測結果，及時上報監(jiān)測日報表、周報表，并按期向有關單位提交監(jiān)測月報，對當月的施工情況進行評價并提出施工建議。

6.3.1 結構變異信息反饋

通過觀察初期支護的變異，如開裂、屈服、底部鼓起等，來判斷隧道結構的安全性。主要觀察已施工區(qū)段初期支護的各種異?，F(xiàn)象，根據(jù)這些異常現(xiàn)象對隧道穩(wěn)定性進行評價，然后根據(jù)評價結果進行設計的修正。結構變異信息反饋具體流程見圖17。

6.3.2 位移信息反饋

位移信息反饋能夠確切地預報隧道結構的破壞，一般根據(jù)量測數(shù)據(jù)，繪制出隧道凈空位移監(jiān)控曲線，而后根據(jù)設計確定的監(jiān)控基準，判定隧道的穩(wěn)定性及可能發(fā)生的異?，F(xiàn)象。具體流程見圖18。

6.3.3 初期支護內(nèi)力信息反饋

初期支護內(nèi)力量測主要是鋼支撐和格柵拱架應力量測，一般對內(nèi)緣和外緣應力進行量測，在獲得了鋼支撐和格柵拱架內(nèi)緣和外緣的應力后，可以按鋼材的容許應力對已施工區(qū)段鋼支撐支護的安全性進行評判。具體流程見圖19。

7 結束語

隧道圍巖地質情況復雜多變，各種不良地質所導致的工程事故屢見不鮮。因此在隧道新奧法施工中，監(jiān)控量測是必不可少的重要工作。監(jiān)控量測可以及時提供洞頂下沉、周邊收斂、鋼支撐受力情況等信息，判斷施工工藝的可行性、設計參數(shù)的合理性，提出更加恰當?shù)氖┕し椒ê秃侠淼闹ёo措施，實現(xiàn)隧道信息化動態(tài)施工控制，達到既能安全快速施工，又能節(jié)省工程造價的目的。

參考文獻：

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