隧道穩(wěn)定性監(jiān)測在施工中的實施方法

胡林翼

（湖南省馬安高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410011）

隧道穩(wěn)定性監(jiān)測在施工中的實施方法

胡林翼

（湖南省馬安高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410011）

結(jié)合隧道施工監(jiān)控測量經(jīng)驗，從監(jiān)測斷面和測點布置，周邊收斂、拱頂下沉、地表沉降等數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理方面分析了監(jiān)控測量在隧道施工中的實施方法，以及時判斷隧道圍巖的穩(wěn)定狀況并確定支護方案，確保隧道施工的順利進行和安全。

隧道；監(jiān)控測量；穩(wěn)定性

由于地質(zhì)環(huán)境具有很大不確定性，隧道圍巖的變化錯綜復(fù)雜，加上開挖方式多樣，可能導(dǎo)致隧道施工過程中出現(xiàn)坍塌、冒頂、突水、涌沙等現(xiàn)象，甚至在隧道建成后出現(xiàn)滲漏及變形等質(zhì)量問題。因此，在隧道施工過程中進行隧道穩(wěn)定性監(jiān)測和分析對隧道安全穩(wěn)定具有重要意義。

1 隧道施工監(jiān)控測量的實施

監(jiān)控測量應(yīng)貫穿隧道施工全過程，監(jiān)測內(nèi)容有必測項目、選測項目兩大類。必測項目是指為確保圍巖穩(wěn)定、判斷支護結(jié)構(gòu)狀態(tài)而必須經(jīng)常性測量的項目，包括周邊收斂、拱頂下沉、隧道內(nèi)目測觀察等，對指導(dǎo)設(shè)計、施工有巨大作用；選測項目是對一些具有代表性的區(qū)段進行補充監(jiān)測，視具體情況主要包括地表下沉、圍巖壓力、鋼支撐內(nèi)力等。

1.1監(jiān)控測量斷面的布置

隧道監(jiān)控測量的必測項目如周邊收斂、拱頂下沉、凈空變化等的測點原則上需設(shè)置在同一斷面，測量斷面間距及測點數(shù)量根據(jù)實際情況按表1確定。

表1　必測項目監(jiān)測斷面布置間距和測點數(shù)量

同一處拱頂下沉、周邊收斂測量應(yīng)設(shè)在同一斷面，以便于相互印證，斷面布點見圖1。拱頂及地表下沉測量基點應(yīng)與洞內(nèi)、外水準基點建立測量體系。

圖1?、跫墖鷰r測量斷面布點示意圖

隧道淺埋地段下沉測點布置要求：1）應(yīng)布置在隧道中心及兩側(cè)間距2～5 m處；2）應(yīng)布置在隧道開挖影響范圍以外，隧道中間附近應(yīng)適當加密；3）每個斷面設(shè)7～11個監(jiān)測點。地表沉降監(jiān)控斷面監(jiān)測點布置見2。

圖2?、跫墖鷰r測量斷面布點示意圖（單位：m）

1.2地表沉降的監(jiān)測

通過水準基點對地表沉降量進行測量，需注意的是同一工程每段都應(yīng)使用同樣的水準點埋設(shè)方法，在不受影響的地方用電錘鉆孔，下設(shè)150φ12鋼筋，澆筑水泥，露出2mm鋼筋頭。

在地表下沉量未達到穩(wěn)定要求、隧道襯砌施作未完成前需一直進行地表沉降量監(jiān)測，后續(xù)監(jiān)測要根據(jù)前幾次監(jiān)測結(jié)果進行，觀測值變化較大時需加強觀測。觀測中應(yīng)注意地表沉降量與拱頂下沉和凈空變化的關(guān)系，盡量保持三者測量頻次相同（見表2）。按照國家二等水準測量要求（必要時采用三等水準測量要求），確定基準高度后用精密水準儀與水準尺配合進行監(jiān)測。需一站測量，不能轉(zhuǎn)換觀測站，每個測點測量3次，取平均值作為監(jiān)測結(jié)果。

表2　地表下沉監(jiān)測頻率

1.3拱頂下沉的監(jiān)測

采用新奧法施工時需對拱項下沉量進行觀測，以定量衡量拱頂圍巖穩(wěn)定程度。通常情況下需在拱軸線位置設(shè)置拱頂下沉觀測點，跨度較大的隧道需在拱部設(shè)置沉降觀測點。測量儀器包括水準儀與鋼掛尺或全站儀配合操作。水準儀放置在拱頂觀測點之下、標準高程點之上。對鋼尺需進行調(diào)平，調(diào)平后記下鋼尺度數(shù)（前視鋼尺度數(shù)）H1，再在張拉力相同的情況下記下后視鋼卷尺的度數(shù)H2，拱頂測量點高程為H0+H1+H2（H0為標準高程點的高程）。前后兩次測量的拱頂高程差為該時間段的拱頂下降量，即拱頂沉降量。隧道拱頂下沉測量方法見圖3。

圖3　拱頂沉降監(jiān)控測量方法示意圖

如果隧道的斷面較大，拱頂較高，不能使用水準儀與鋼掛尺，最好使用全站儀進行測量。在拱頂預(yù)埋下沉觀測點，布置φ22鋼筋，鋼筋在支護面外露2 cm，鋼筋頭保持平整。沉降觀測站可自由建立，高程測量不計算儀器高度，但觀測站后視讀數(shù)應(yīng)至少有2個高程基準點參照。

拱頂沉降的測量頻率與收斂點相同，如果按表3、表4所示頻次進行觀測時偏差較大或觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常甚至達到報警指標，則應(yīng)提高觀測頻率，穩(wěn)定后方可降低頻率；若觀測時遇到膨脹性與擠壓性圍巖，則應(yīng)定期觀測位移量，如其位移沒有消減趨勢，還應(yīng)適當延長監(jiān)測周期。

表3　拱頂下沉測量頻率（按位移速度）

表4　拱頂下沉測量頻率（按與開挖面的距離）

1.4周邊收斂的監(jiān)測

周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)能直接反映隧道周圍的變化，為隧道提供更加可靠的地質(zhì)信息；根據(jù)速度變化可判斷圍巖是否穩(wěn)定，為襯砌提供合理支撐時機。在隧道周邊、拱腰和邊墻部位分別埋設(shè)測樁，樁深31 cm，直徑約43 cm，采用JSS30A型數(shù)顯式收斂儀采集收斂值。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理

施工過程中難免會出現(xiàn)偶然誤差，使監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生離散，需進行數(shù)學(xué)處理，找出其一般規(guī)律和數(shù)學(xué)表達式，為監(jiān)控設(shè)計和預(yù)測、預(yù)報提供可靠信息。

2.1實測數(shù)據(jù)回歸分析

常采用對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析。對數(shù)函數(shù)的表達式為：指數(shù)函數(shù)的表達式為：

雙曲函數(shù)的表達式為：

式中：u為位移值（mm）；t為初讀數(shù)后的時間（d）；A、B為回歸常數(shù)。

在數(shù)據(jù)回歸分析中將各種測量數(shù)據(jù)相互印證，以確定測量結(jié)果的可靠性，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)隨時間的變化規(guī)律，使用較理想的數(shù)據(jù)進行回歸分析，選擇一組與實測數(shù)據(jù)系列性擬合較好的回歸函數(shù)對最終值或變化速率進行預(yù)測、預(yù)報。

2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用

在隧道監(jiān)測中，數(shù)據(jù)測量及數(shù)據(jù)分析、整理、反饋等環(huán)節(jié)極為重要。每次測量之后，根據(jù)所得結(jié)果繪制圖像。在繪圖初期，利用圖形進行回歸分析，根據(jù)圖像的變化預(yù)測應(yīng)該出現(xiàn)的最值及相關(guān)速度變化。若發(fā)現(xiàn)圖像出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)及時采取加厚噴層、增加密度、加長錨桿等加固措施。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，通過回歸分析得出位移值，對照表5、表6綜合判定隧道的穩(wěn)定程度，確定變形管理等級，以指導(dǎo)施工。

表5　跨度B≤7 m隧道初期支護極限相對位移

表6　跨度7 m＜B≤12 m隧道初期支護極限相對位移

根據(jù)位移時態(tài)曲線（見圖4）的形態(tài)判別和分析圍巖的穩(wěn)定情況：當d u2/d2t＜0時，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖位移速率不斷下降；當d u2/d2t=0時，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖位移速率保持不變，應(yīng)加強支護；當d u2/d2t＞0時，圍巖進入危險狀態(tài)，圍巖位移速率不斷上升，必須立即停止掘進，并加強支護。

圖4　位移u-時間t關(guān)系曲線

若每天的凈空變化量一直不低于5.0mm，則表明四周的巖石在不斷加速變形，必須對最初支護系統(tǒng)進行強化。若每天的凈空變化量不高于0.2mm，則表明四周的巖石基本處于穩(wěn)固狀態(tài)。

當四周的巖石及最初的支護系統(tǒng)處于基本穩(wěn)固狀態(tài)并符合以下狀況時，可停止測量：1）隧道四周的收斂速度出現(xiàn)顯著減緩趨勢；2）收斂量不低于總數(shù)的4/5；3）每天的收斂量不大于0.15mm或拱頂位置處每天的變動量不大于0.1mm。

在開鑿過程中，若出現(xiàn)以下任何一種狀況，要馬上停止施工，并及時進行修整：1）隧道四周出現(xiàn)開挖塌方、滑坡及破裂；2）測量數(shù)據(jù)呈逐漸增長的變化狀態(tài)；3）支護系統(tǒng)出現(xiàn)較大變化；4）時態(tài)曲線穩(wěn)定不變。

二次襯砌的施作要在出現(xiàn)以下狀況時實施：1）每個測試項目的變化顯著變緩，隧道四周巖石基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；2）已出現(xiàn)的所有位移不低于其總量的4/5；3）隧道四周每天的位移量不大于0.1～0.2mm或拱頂每天的下沉量不大于0.07～0.10mm。

3 隧道施工監(jiān)測的管理

3.1隧道施工監(jiān)測組織

隧道施工現(xiàn)場的監(jiān)控測量必須嚴格按照測量計劃科學(xué)、有序地進行，同時與其他工序密切配合，確保施工的連續(xù)進行。每一工序的預(yù)埋測點必須穩(wěn)固、醒目、保管妥當，不可隨便更換和損壞。為滿足該要求，應(yīng)有周密可行的有效措施和制度作保證。

3.2測量資料整理

（1）詳細記錄每次測試結(jié)果，同時記錄周圍的環(huán)境狀況、溫度情況及開鑿程度和施工狀況等，要確保原始記錄的準確性。

（2）將測量數(shù)據(jù)填入相關(guān)表格中，以便掌握測量信息的變化狀態(tài)，有利于分析和比較不同測量位置、測量方式的差異。

（3）測量完成2 h內(nèi)對測量數(shù)據(jù)進行整理，應(yīng)用測量處理系統(tǒng)進行科學(xué)分析和計算。

4 結(jié)語

對隧道施工現(xiàn)場實施監(jiān)控測量，尤其是對那些具有特殊意義及突出性位置實施監(jiān)測，有利于掌握四周圍巖的穩(wěn)定狀況、支護系統(tǒng)的力學(xué)動態(tài)，根據(jù)測量結(jié)果進行力學(xué)分析和穩(wěn)定程度評價，為修改初期支護參數(shù)和確定二次襯砌施作時間提供依據(jù)，優(yōu)化施工方案，確保隧道施工質(zhì)量和安全。

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