沈家壩2號(hào)隧道監(jiān)控量測(cè)方案設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

陳錦生 韓 峰

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

監(jiān)控量測(cè)是指在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，運(yùn)用各種儀器儀表對(duì)地表下沉、圍巖變形、應(yīng)力應(yīng)變等進(jìn)行量測(cè)的過(guò)程[1]。隧道監(jiān)控量測(cè)旨在收集和反映施工過(guò)程中圍巖的動(dòng)態(tài)信息，用以判斷隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工的合理性。量測(cè)項(xiàng)目包括必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目?jī)纱箢怺2]。必測(cè)項(xiàng)目有周邊收斂量測(cè)、拱頂下沉量測(cè)、錨桿內(nèi)力量測(cè)等。選測(cè)項(xiàng)目有地表下沉量測(cè)、圍巖內(nèi)部位移量測(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)等[3]。具體測(cè)量項(xiàng)目應(yīng)該根據(jù)隧道圍巖等級(jí)和施工實(shí)際合理選擇，做到經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行。

1 工程概況

沈家壩2號(hào)隧道是成昆鐵路峨米段擴(kuò)能改造工程的一處在建隧道，位于涼山州冕寧-月華西區(qū)間，隧道進(jìn)口里程為DK389+678，出口里程為DK390+220，全長(zhǎng)542 m，該隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線、8‰的單面下坡。沈家壩2號(hào)隧道所在地區(qū)屬于中山河谷地貌，地形起伏較大，溝谷下切較深，相對(duì)高差60～100 m。隧道區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積層粉質(zhì)黏土，中、上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，角礫土及碎石土，下伏基巖為第三系上新統(tǒng)昔格達(dá)組泥巖夾砂巖、頁(yè)巖，三疊系花崗巖和石英閃長(zhǎng)巖。DK389+678～DK389+900段為Ⅴ級(jí)圍巖，DK389+900～DK390+000段為Ⅳ級(jí)圍巖，DK390+000～DK390+220段為Ⅴ級(jí)圍巖，隧道洞身段全、強(qiáng)風(fēng)化層較厚，拱頂、側(cè)壁易坍塌；隧道出口位于中上更新統(tǒng)土層中，拱頂易坍塌，設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

2 隧道監(jiān)控量測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

該隧道洞口位置圍巖較差，洞身段位于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖交界處，拱頂側(cè)壁易坍塌。監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目主要包括拱頂下沉量測(cè)和水平收斂量測(cè)，出口段應(yīng)增加地表下沉量測(cè)。本隧道拱頂位置為薄弱環(huán)節(jié)，以下主要討論隧道洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)，洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)可分為拱頂下沉和水平收斂測(cè)量?jī)身?xiàng)[4]。

(1)埋設(shè)時(shí)間

拱頂下沉及水平收斂觀測(cè)標(biāo)應(yīng)在隧道開(kāi)挖后12 h內(nèi)布設(shè)，并及時(shí)讀取數(shù)據(jù)。

(2)斷面布置

頂拱下沉測(cè)點(diǎn)和凈空變化測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在同一斷面上。拱頂下沉測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在隧道軸線上，偏差不大于3 cm；拱頂下沉及水平收斂測(cè)點(diǎn)斷面按表1布置。根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB10121—2007)，隧道Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開(kāi)挖，V級(jí)圍巖采用三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖，頂拱下沉測(cè)點(diǎn)及水平收斂測(cè)點(diǎn)埋設(shè)形式見(jiàn)圖1和圖2[5]。

表1 圍巖等級(jí)與斷面間距

圖1 臺(tái)階法量測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置

圖2 三臺(tái)階法量測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)置

(3)觀測(cè)標(biāo)埋設(shè)

洞內(nèi)觀測(cè)標(biāo)埋設(shè)必須深入基巖不小于20 cm，使用鉆機(jī)鉆孔后插入觀測(cè)標(biāo)并固定，禁止觀測(cè)標(biāo)與鋼拱架及鋼筋網(wǎng)片焊接固定。初支混凝土噴射完成后，應(yīng)及時(shí)將反射片粘貼到觀測(cè)標(biāo)志鋼板上并確保粘貼牢固可靠。洞內(nèi)觀測(cè)標(biāo)反射片均面向洞口，以便采集測(cè)量數(shù)據(jù)(如圖3)。

圖3 觀測(cè)標(biāo)埋設(shè)示意(單位：cm)

(4)觀測(cè)標(biāo)志保護(hù)

監(jiān)控量測(cè)標(biāo)志必須嚴(yán)格按照要求進(jìn)行埋設(shè)，以確保埋設(shè)穩(wěn)固可靠；其上禁止懸掛電線等其它物品，以防止觀測(cè)標(biāo)被破壞；初支混凝土噴射施工前，及時(shí)使用塑料袋對(duì)觀測(cè)標(biāo)進(jìn)行包裹保護(hù)，防止觀測(cè)標(biāo)遭施工破壞。觀測(cè)標(biāo)反射片被混凝土或灰塵遮擋后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清理恢復(fù)。監(jiān)控量測(cè)觀測(cè)標(biāo)應(yīng)由專人負(fù)責(zé)保護(hù)和維護(hù)，并隨時(shí)提醒洞內(nèi)施工作業(yè)人員及機(jī)械操作人員注意保護(hù)。

2.2 量測(cè)儀器選擇

以往隧道監(jiān)控量測(cè)一般采用水準(zhǔn)儀、鋼掛尺、收斂計(jì)等進(jìn)行測(cè)量，但水準(zhǔn)儀、鋼掛尺、收斂計(jì)等測(cè)量精度不高，受外界影響較大。全站儀的應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得隧道監(jiān)控量測(cè)可以有更多選擇[6]。徠卡系列全站儀TS09 plus，擁有比TS09及TS06更高的測(cè)距精度，可搭載無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)，配備精致的測(cè)角系統(tǒng)和測(cè)距系統(tǒng)，其無(wú)棱鏡測(cè)程大于1 000 m，有棱鏡測(cè)距精度為0.01 mm，并帶有自動(dòng)補(bǔ)償功能。本隧道要求量測(cè)數(shù)據(jù)精確到毫米，TS09 plus滿足測(cè)量精度要求，故選取其為主要測(cè)量?jī)x器。

2.3 量測(cè)方法

拱頂下沉速率是指隧道拱頂單位時(shí)間內(nèi)的下沉量，用于監(jiān)測(cè)隧道開(kāi)挖后拱頂?shù)南鲁廖灰疲袛嗨淼拦绊數(shù)姆€(wěn)定性。拱頂下沉應(yīng)重復(fù)測(cè)3次并取平均值，設(shè)3次觀測(cè)值分別為h1，h2，h3，設(shè)T1時(shí)的觀測(cè)值為H1，T2時(shí)的觀測(cè)值為H2，則拱頂下沉和下沉速率公式為[7-8]

ΔH=H1-H2

(1)

v(t)=ΔH/Δt(Δt=T2-T1)

(2)

H1=(h1+h2+h3)/3

(3)

(4)

式中，ΔH為下沉量，V(t)為下沉速率。

量測(cè)n次后得到的下沉總量為

(5)

水平收斂量測(cè)是指隧道開(kāi)挖后，沿隧道周邊的拱腰(或?qū)Ф垂把?和邊墻部位分別埋設(shè)觀測(cè)標(biāo)，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚?cè)距離變化監(jiān)測(cè)隧道凈空的改變。周邊收斂量測(cè)方法與拱頂下沉量測(cè)方法類似。

2.4 控制基準(zhǔn)

依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB10121—2007)，應(yīng)嚴(yán)格遵循位移速率和量測(cè)頻率的關(guān)系實(shí)施量測(cè)。一般隧道開(kāi)挖后前幾天的位移變化速率較大，可以根據(jù)具體情況增加量測(cè)頻率。依據(jù)相關(guān)規(guī)定，本隧道先按最不利情況(位移速率>5 mm/d)確定監(jiān)控量測(cè)頻率為2次/d，連續(xù)量測(cè)一個(gè)月后發(fā)現(xiàn)位移速率基本保持在5 mm/d之內(nèi)，故調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率為1次/d；當(dāng)位移變化速率小0.2 mm/d時(shí)，表明變形趨于穩(wěn)定[9]。鐵路隧道圍巖變形總量和變形速率應(yīng)在正常范圍之內(nèi)，如果出現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)分析原因，確定安全等級(jí)：若為綠色(變形總量<75 mm，變形速率<5 mm/d)，可正常施工；若為黃色(75 mm<變形總量<150 mm，5 mm/d<變形速率<10 mm/d)，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采用網(wǎng)噴混凝土等方式補(bǔ)強(qiáng)；若為紅色(變形總量>150 mm，變形速率>10 mm/d)，應(yīng)暫停施工，增設(shè)橫、豎支撐，后續(xù)施工應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)并調(diào)整施工方法[10]。通常來(lái)說(shuō)，水平收斂和拱頂下沉變形不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間急劇增大，若出現(xiàn)異常，應(yīng)采取緊急措施以防變形擴(kuò)大，當(dāng)位移時(shí)間曲線趨于穩(wěn)定時(shí)，說(shuō)明圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)又達(dá)到了新的平衡。

3 數(shù)據(jù)處理及計(jì)算模型的選擇

3.1 數(shù)據(jù)采集

新奧法要求在整個(gè)施工過(guò)程中對(duì)圍巖形態(tài)進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形狀態(tài)做出分析評(píng)估和反饋[11]。依據(jù)本隧道圍巖情況，拱頂處于薄弱環(huán)節(jié)，DK390+000處為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖分界，圍巖變化前后拱頂下沉數(shù)據(jù)顯得尤為重要，按照監(jiān)控量測(cè)細(xì)則要求，應(yīng)按時(shí)觀測(cè)并及時(shí)上傳數(shù)據(jù)[12]。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)初步處理，得到DK389+996斷面拱頂下沉數(shù)據(jù)(如表2)， DK390+001斷面拱頂下沉數(shù)據(jù)(如表3)。

表2 DK389+996斷面拱頂下沉數(shù)據(jù)

表3 DK390+001斷面拱頂下沉數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)處理與模型選擇

初期支護(hù)中現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)所得數(shù)據(jù)，不可避免會(huì)具有一定的離散性，其中包含著系統(tǒng)誤差及偶然誤差，不能直接利用，回歸分析是目前處理量測(cè)數(shù)據(jù)比較有效的方法[13]。選用Origin軟件，利用其強(qiáng)大的回歸分析功能，對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析。首先對(duì)DK390+001斷面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合、指數(shù)函數(shù)擬合、對(duì)數(shù)函數(shù)擬合、三次多項(xiàng)式擬合(如表4)。其中，指數(shù)函數(shù)模擬時(shí)R-Square與Prob>F同時(shí)處于領(lǐng)先水平，因而選擇指數(shù)函數(shù)模型作為本測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算模型，表達(dá)式為y1=21.788 6-26.738 5e-0.222 3x。

要分析兩種不同圍巖等級(jí)情況下拱頂?shù)南鲁磷兓?，必須選取同一種計(jì)算模型才有意義?？衫肙rigin數(shù)據(jù)集比對(duì)功能(Compare Datasets)，分析DK389+996和DK390+001斷面數(shù)據(jù)是否適合于同一種計(jì)算模型，若F-test分析表中的Prob>F值等于零，說(shuō)明兩組斷面數(shù)據(jù)同時(shí)適用于指數(shù)函數(shù)模型且擬合效果顯著。用指數(shù)函數(shù)模擬DK389+996斷面數(shù)據(jù)，得到回歸方程y2=16.519 9-21.727 5e-0.259 6x。至此，確定最佳的計(jì)算模型為指數(shù)函數(shù)(如圖4)。

表4 DK390+001斷面拱頂回歸方程

注：(1)Adj-R-Square指修正的相關(guān)系數(shù)平方，其值越靠近1，說(shuō)明數(shù)據(jù)與曲線相關(guān)性越好。(2)Prob>F是置信概率，越接近0，說(shuō)明擬合效果越顯著。

圖4 拱頂下沉曲線與實(shí)測(cè)散點(diǎn)

3.3 結(jié)果分析

當(dāng)隧道拱頂下沉和水平收斂變形到達(dá)穩(wěn)定時(shí)，結(jié)合施工實(shí)際，需要在初支結(jié)構(gòu)上布設(shè)土工布和防水布，為仰拱和二次襯砌的推進(jìn)做準(zhǔn)備，而這些結(jié)構(gòu)物會(huì)遮擋監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)，以致于不能及時(shí)觀測(cè)后續(xù)數(shù)據(jù)。為此，將計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化，以對(duì)該測(cè)點(diǎn)的后續(xù)變形做出預(yù)測(cè)。如當(dāng)x1=21 d時(shí)，y1=21.54 mm；當(dāng)x2=16 d時(shí)，y2=16.17 mm，由預(yù)測(cè)值可知，累計(jì)變形沒(méi)有超出極限值75 mm。由圖4可知，在前一周，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖拱頂下沉量迅速增長(zhǎng)，Ⅴ級(jí)圍巖拱頂下沉總量約為Ⅳ級(jí)圍巖的1.2倍；Ⅳ級(jí)圍巖拱頂下沉從第9 d后趨于穩(wěn)定，15 d后保持穩(wěn)定狀態(tài)，前9 d變形量占總變形量的90%以上；Ⅴ級(jí)圍巖拱頂下沉從第12 d后趨于穩(wěn)定，20 d后保持穩(wěn)定狀態(tài)，前12 d下沉量占總下沉量的90%以上。

4 結(jié)論

(1)監(jiān)控量測(cè)工作具有時(shí)效性、連續(xù)性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，監(jiān)控量測(cè)實(shí)施人員必須熟知監(jiān)控量測(cè)實(shí)施要點(diǎn)和管理程序。

(2)借助曲線回歸方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，改進(jìn)計(jì)算模型，得到圍巖變形的初步發(fā)展規(guī)律和分布特征并能預(yù)測(cè)后續(xù)變形。

(3)隨著隧道施工進(jìn)入深埋地段，若圍巖巖性出現(xiàn)交替，巖石軟弱、風(fēng)化嚴(yán)重，巖性變化前后圍巖變形有明顯差異，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并放慢施工進(jìn)度。

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