絕對(duì)位移測(cè)量在隧道監(jiān)控量測(cè)中的應(yīng)用

蔣暉光

（蒙西華中鐵路股份有限公司，北京100073）

1 引言

監(jiān)控量測(cè)可視為隧道施工的眼睛，直觀地反映圍巖變形及穩(wěn)定情況，為動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)、及時(shí)采取加固措施及適時(shí)施作二襯提供依據(jù)，其重要性不言而喻。相對(duì)位移監(jiān)控量測(cè)技術(shù)雖然能夠監(jiān)測(cè)出拱頂下沉量和周邊收斂量，但無法監(jiān)測(cè)出隧道具體變形情況。國內(nèi)外專家從理論到實(shí)踐做了許多探索和研究，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，這些文獻(xiàn)主要研究了監(jiān)控量測(cè)在新奧法施工隧道中的應(yīng)用，通過加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)能夠優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù), 指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工[1～4]；研究了全站儀三維自由設(shè)站隧道非接觸監(jiān)控量測(cè)原理及精度分析[5]；分析了監(jiān)控量測(cè)在隧道洞口滑坡段的預(yù)測(cè)[6]。本文以某隧道工程為研究背景，對(duì)淺埋偏壓、地層順層隧道采用絕對(duì)位移監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行細(xì)致分析，詳細(xì)說明絕對(duì)位移測(cè)量技術(shù)在隧道監(jiān)控量測(cè)過程中的應(yīng)用及其重要意義。

2 工程概況

某標(biāo)段工程地處河南省境內(nèi)，隧道共計(jì)16.8km/26 座隧道，線位高且短隧道數(shù)量多，多數(shù)隧道為淺埋偏壓、順層隧道。隧道圍巖以云母石英片巖為主，局部含絹云母片巖，圍巖軟弱破碎。斷面形式為單洞雙線隧道，主要開挖方法為兩臺(tái)階、三臺(tái)階法。為保障施工安全，及時(shí)掌握圍巖變形規(guī)律，實(shí)時(shí)判斷圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，為調(diào)整施工方法、及時(shí)采取加固措施提供依據(jù)，在隧道施工過程中，必須開展合理、實(shí)用有效的監(jiān)控量測(cè)工作。

3 絕對(duì)位移與相對(duì)位移的關(guān)系

隧道絕對(duì)位移是通過對(duì)比不同時(shí)刻測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)[x（t），y（t），z（t）]，獲得該測(cè)點(diǎn)在該時(shí)刻的三維位移變化量（相對(duì)于初測(cè)狀態(tài)）。相對(duì)位移量測(cè)是通過布設(shè)于洞室周邊上2 固定點(diǎn)，每次測(cè)出2 點(diǎn)的三維坐標(biāo)并計(jì)算測(cè)點(diǎn)距離，求出2 次測(cè)量的距離變化值，即為相對(duì)位移值。由于y（t），z（t）對(duì)測(cè)線長(zhǎng)度的影響微乎其微，可以忽略不計(jì)，那么對(duì)于同一條測(cè)線，2 固定點(diǎn)在同一時(shí)間段垂直于洞軸線方向的絕對(duì)位移變化值之和就等于相對(duì)位移變化值，等式如下：

式中，SAB為AB測(cè)線初始值；SA憶B憶為AB測(cè)線量測(cè)值；SAA憶為A測(cè)點(diǎn)垂直于洞軸線方向的絕對(duì)位移測(cè)量變化值；SBB憶為B測(cè)點(diǎn)垂直于洞軸線方向的絕對(duì)位移測(cè)量變化值。絕對(duì)位移與相對(duì)位移的關(guān)系如圖1 和圖2 所示。

圖1 絕對(duì)位移與相對(duì)位移關(guān)系曲線圖

圖2 絕對(duì)位移與相對(duì)位移關(guān)系立面圖

地質(zhì)條件好的硬巖或均勻介質(zhì)隧道，圍巖正常變形情況如圖2 所示，左右邊墻變形基本趨于對(duì)稱，常規(guī)的相對(duì)位移量測(cè)也把隧道左右邊墻的變形視為對(duì)稱。但在一些淺埋偏壓、地層順層或非均勻介質(zhì)等軟弱圍巖隧道中，隧道在開挖時(shí)左右邊墻產(chǎn)生變形往往是非對(duì)稱變形，一側(cè)變形大，一側(cè)變形小，或都向某一側(cè)位移。有時(shí)初支已經(jīng)出現(xiàn)局部變形開裂、剝落的現(xiàn)象，但相對(duì)位移量測(cè)的變形值或變形數(shù)率仍處于正常狀態(tài)，并沒有發(fā)生預(yù)警，此時(shí)采用相對(duì)位移量測(cè)就不能夠真實(shí)反映圍巖變形情況，需要采用絕對(duì)位移測(cè)量才能監(jiān)測(cè)出圍巖真實(shí)的變形情況。圍巖產(chǎn)生非對(duì)稱變形情況如圖3 所示，圍巖產(chǎn)生整體偏移變形的情況如圖4 所示。

圖3 非對(duì)稱偏移變形示意圖

圖4 圍巖產(chǎn)生整體偏移變形示意圖

4 絕對(duì)位移測(cè)量

4.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

在淺埋偏壓、順層等軟弱圍巖隧道施工監(jiān)控量測(cè)中，采用絕對(duì)位移測(cè)量主要監(jiān)測(cè)拱頂下沉和水平凈空變化，在穿越疑似滑坡體或滑動(dòng)層的隧道增加拱頂偏移和洞軸線偏移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。詳細(xì)如表1 所示[7]。

表1 絕對(duì)位移測(cè)量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

4.2 斷面及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

絕對(duì)位移測(cè)量拱頂下沉、拱頂偏移和凈空變化監(jiān)測(cè)斷面間距及每斷面測(cè)點(diǎn)數(shù)量如表2 所示。測(cè)點(diǎn)布設(shè)可根據(jù)各臺(tái)階的高度情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，拱頂下沉和凈空變化測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在同一斷面上；初支應(yīng)與圍巖密貼，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在格柵等鋼架上，無鋼架時(shí)，埋設(shè)在圍巖中。測(cè)點(diǎn)應(yīng)在開挖后及時(shí)埋設(shè)并讀取初始讀數(shù)，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)須在開挖后12h 內(nèi)完成，初始讀數(shù)須在測(cè)點(diǎn)埋設(shè)后8h 內(nèi)完成。拱頂下沉測(cè)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在拱頂軸線上，數(shù)值采用絕對(duì)高程，周期性復(fù)核后視點(diǎn)，保證其數(shù)據(jù)可靠性。洞軸線偏移監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖5 所示[8]。

表2 監(jiān)測(cè)斷面間距及測(cè)點(diǎn)數(shù)量

4.3 監(jiān)測(cè)頻率

絕對(duì)位移監(jiān)測(cè)頻率根據(jù)測(cè)點(diǎn)距開挖面距離及位移速度分別按表3 和表4 控制，表3 中B代表最大開挖寬度。由距開挖面的距離決定的監(jiān)測(cè)頻率和由位移速度決定的監(jiān)測(cè)頻率之中，采用較高的頻率值,出現(xiàn)位移速度過大等異常情況時(shí)，要加大量測(cè)頻率。洞軸線監(jiān)測(cè)導(dǎo)線每周復(fù)測(cè)1 次[9]。

圖5 拱頂下沉和水平測(cè)線布置示意圖

表3 按距開挖面距離確定的監(jiān)測(cè)頻率

表4 按位移速度確定的監(jiān)測(cè)頻率

4.4 測(cè)量方法

洞內(nèi)布設(shè)三等以上導(dǎo)線點(diǎn)，控制點(diǎn)埋設(shè)要牢固可靠，導(dǎo)線點(diǎn)要定期復(fù)核，保證測(cè)量精度，以便真實(shí)地分析量測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況。為盡量減少誤差積累，采用固定導(dǎo)線點(diǎn)測(cè)量固定斷面的方法測(cè)量，盡量減少轉(zhuǎn)站。專人、固定儀器測(cè)設(shè)，專人計(jì)算、專人復(fù)核，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

而變頻調(diào)速的特性以及無可比擬的節(jié)能功效在機(jī)械調(diào)速領(lǐng)域脫穎而出。因此，怎樣更好地把變頻調(diào)速技術(shù)引入并應(yīng)用到起重機(jī)械行業(yè)中是一個(gè)值得探究的重要領(lǐng)域[1]。本文所研究的變頻工況下的起重機(jī)械起升機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與研究，就是在這個(gè)背景下提出的。

拱頂下沉、拱頂偏移和凈空測(cè)量采用全站儀配合反射膜片進(jìn)行。在隧道洞頂中線及左右邊墻已埋設(shè)測(cè)點(diǎn)處設(shè)置反光片，利用全站儀紅外線無棱鏡反射方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得拱頂點(diǎn)及兩側(cè)測(cè)點(diǎn)三維位坐標(biāo)。

4.4.1 測(cè)點(diǎn)埋設(shè)

拱頂及邊墻測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在格柵鋼架上，采用準(zhǔn)20mm 鋼筋，尾端朝向洞口方向進(jìn)行45毅斜切形成斜切面并焊接鋼板，鋼板上面粘貼測(cè)量專用反射膜片（不小于2cm伊2cm）。反光片統(tǒng)一定做，自帶十字絲。導(dǎo)線點(diǎn)埋設(shè)在隧道地板基巖或仰拱上，盡量沿洞軸線布設(shè)。

4.4.2 標(biāo)識(shí)要求

測(cè)點(diǎn)布設(shè)以后，在測(cè)點(diǎn)位置做統(tǒng)一的醒目標(biāo)識(shí)，每個(gè)斷面左右側(cè)各布設(shè)1 個(gè)標(biāo)示牌，及時(shí)記錄展示相關(guān)信息。

4.4.3 保護(hù)要求

測(cè)點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行布設(shè)，并做好保護(hù)，防止破壞?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與施工必須緊密配合，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)提供監(jiān)測(cè)工作時(shí)間，保證監(jiān)測(cè)工作的正常進(jìn)行，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)計(jì)劃應(yīng)列入工程施工進(jìn)度控制計(jì)劃中。

4.4.4 失效測(cè)點(diǎn)處理要求

如果測(cè)點(diǎn)被破壞，應(yīng)在被破壞測(cè)點(diǎn)附近補(bǔ)埋，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；如果測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)松動(dòng)，則應(yīng)及時(shí)加固，重新讀取初讀數(shù)。失效測(cè)點(diǎn)應(yīng)在6h 之內(nèi)恢復(fù)，前期累計(jì)變形值作為處理后測(cè)點(diǎn)的初始變形量。

4.5 測(cè)量精度

采用高精度、穩(wěn)定性好的觀測(cè)儀器，測(cè)量精度為1.0mm。采用測(cè)距精度為1.5mm+2伊10-6mm、測(cè)角精度為1義級(jí)以上的全站儀，施測(cè)時(shí)設(shè)站點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離不宜過大，應(yīng)控制在70m 范圍以內(nèi)，同時(shí)保障測(cè)試環(huán)境的其他要求。導(dǎo)線測(cè)量嚴(yán)格按照測(cè)量規(guī)范要求測(cè)設(shè)。

4.6 數(shù)據(jù)處理

每次測(cè)量的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)與初始坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算測(cè)點(diǎn)距離變化值，并計(jì)算其垂直于洞軸線方向的距離，作為該測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移值。每次觀測(cè)后立即對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)和整理，繪制時(shí)態(tài)曲線并進(jìn)行回歸分析。

4.7 預(yù)警值設(shè)置及處置措施

根據(jù)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比，一般水平測(cè)點(diǎn)每天絕對(duì)位移超過6mm 時(shí)，按照黃色預(yù)警進(jìn)行處置；超過10mm 時(shí)，按照紅色預(yù)警進(jìn)行處置。每次發(fā)生預(yù)警時(shí)必須查明原因。當(dāng)發(fā)生黃色預(yù)警時(shí)，要加強(qiáng)初支表象觀察，加快初支仰拱成環(huán)速度。發(fā)生紅色預(yù)警時(shí)，對(duì)預(yù)警部位采取增加鎖腳錨管、注漿補(bǔ)強(qiáng)等加固措施，必要時(shí)采取增加臨時(shí)橫撐或臨時(shí)仰拱等措施。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析顯示，80%的變形量發(fā)生在初支成環(huán)之前，加快初支仰拱成環(huán)速度，縮短初支成環(huán)時(shí)間是控制變形的最有效手段。持續(xù)發(fā)生紅色預(yù)警時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。

一旦監(jiān)測(cè)到洞軸線發(fā)生偏移，應(yīng)立即停止施工，加強(qiáng)地表觀測(cè)，并采取地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等多種手段查明洞軸線偏移原因，進(jìn)而采取針對(duì)性措施。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 初支變形情況

某隧道為單洞雙線隧道，全長(zhǎng)518m。隧道進(jìn)口DK846+156耀DK+450 段下伏基巖為云母石英片巖、鈣質(zhì)云母石英片巖、石英片巖，全～強(qiáng)化風(fēng)，片狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀20毅蟻62毅，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，地形左低右高，埋深較淺，已施工段最大埋深27m，隧道偏壓嚴(yán)重。

某日，隧道進(jìn)口左側(cè)DK846+207耀DK846+250 段43m、右側(cè)DK846+203耀DK846+250 段47m，中下臺(tái)階鋼架連接板附近出現(xiàn)1耀2mm 縱向裂縫。經(jīng)取芯發(fā)現(xiàn)裂紋已貫通初支厚度。隧道左側(cè)DK846+245耀DK846+257 段上中臺(tái)階連接板附近噴混凝土連續(xù)剝落，格柵骨架外露變形；隧道右側(cè)DK846+237耀DK846+244 段中下臺(tái)階連接板上部0.5m 噴混凝土連續(xù)剝落；左 側(cè)DK846 +205 耀DK846 +207、DK846 +265 耀DK846 +273、

DK846+285耀DK846+290 拱頂左側(cè)1.5m 位置出現(xiàn)局部剝落；右側(cè)DK846+210耀DK846+260 下臺(tái)階與仰拱連接板附近出現(xiàn)局部剝落。

5.2 監(jiān)控量測(cè)情況

前期采用相對(duì)位移進(jìn)行隧道監(jiān)控量測(cè)，水平收斂值一直處于正常收斂狀態(tài)，監(jiān)控量測(cè)信息系統(tǒng)未預(yù)警。初支變形后，通過測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移量，準(zhǔn)確判斷出隧道偏移方向和偏移量，監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)絕對(duì)位移值顯示，DK846+166.8耀DK846+200.5 段隧道左右測(cè)點(diǎn)均向隧道內(nèi)側(cè)位移。DK846+200.5耀DK846+305 段隧道整體向線路方向左側(cè)偏移。其中左側(cè)最大偏移值82mm 平均偏移值20mm，右側(cè)最大偏移值106mm，平均偏移值62mm。

5.3 變形處置及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

通過絕對(duì)位移測(cè)量確定隧道位移情況后，采用鋼架套拱封閉成環(huán)、小導(dǎo)管注漿加固等措施有效控制了初支變形，使隧道變形趨于穩(wěn)定。通過對(duì)隧道洞軸線的監(jiān)測(cè)，結(jié)合物探及地質(zhì)補(bǔ)勘，綜合判斷隧道沒有整體偏移的可能，采取洞內(nèi)加固措施是可行的。隧道變形的主要原因是淺埋偏壓與地層順層所致，原設(shè)計(jì)初支強(qiáng)度不足，后期施工時(shí)初期支護(hù)增加了系統(tǒng)錨桿，格柵鋼架由H230 變更為H280，初支噴射混凝土厚度由30cm增加至35cm。

5.4 絕對(duì)位移測(cè)量情況

鑒于此隧道淺埋偏壓嚴(yán)重，地層為順層，圍巖破碎，后續(xù)施工增加絕對(duì)位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隧道左、右邊墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)均向隧道左側(cè)偏移，根據(jù)變形規(guī)律，隧道右側(cè)開挖預(yù)留變形值按照200mm 預(yù)留，左側(cè)不預(yù)留變形量只考慮50mm 施工誤差。對(duì)隧道右側(cè)鋼架連接部位增加鎖腳錨管數(shù)量，抑制變形。

6 結(jié)論與建議

1）絕對(duì)位移測(cè)量適合在隧道洞口淺埋段、淺埋偏壓段、地層順層及掌子面不均勻介質(zhì)等地段的監(jiān)控量測(cè)中使用，其他地質(zhì)條件好的地段不需要采用絕對(duì)位移測(cè)量進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。

2）通過對(duì)絕對(duì)位移測(cè)量結(jié)果分析，準(zhǔn)確掌握初支變形的具體部位及變形規(guī)律，為動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)、采取局部加固措施、初支適時(shí)封閉成環(huán)等提供依據(jù)。通過洞軸線監(jiān)測(cè)，能夠初步判定隧道是否存在整體位移的可能，以便及時(shí)采取對(duì)策，確保隧道永久安全。

3）根據(jù)絕對(duì)位移監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，有針對(duì)性的調(diào)整隧道開挖預(yù)留變形量，減少二襯混凝土超耗，預(yù)防初支侵限，節(jié)約施工成本。

4）絕對(duì)位移測(cè)量過程中需要布設(shè)精密導(dǎo)線，受觀測(cè)距離影響難免增加轉(zhuǎn)站次數(shù)、測(cè)量誤差相對(duì)較大，因此，要與相對(duì)位移監(jiān)控量測(cè)配合使用，相互印證。