大跨度長(zhǎng)隧道監(jiān)控量測(cè)及應(yīng)用

張昊 中交二航局市政建設(shè)有限公司

1.工程概況

陽(yáng)坡里隧道設(shè)計(jì)形式為雙洞分離式，其為大跨度長(zhǎng)隧道，左右測(cè)設(shè)線間距為19.1～53.6m。隧道入口處地形較為陡峭，坡度約為45°，該區(qū)域基巖基本處于裸露狀態(tài)；而隧道出口處地形則相對(duì)平緩，坡度約為20°。地面絕對(duì)高程1087.48～1190.91m，相對(duì)高差35～105m，最大埋深為140m。隧道進(jìn)、出口均處于一斜坡上，隧道軸線與巖層坡面斜交，邊坡切面與洞口非對(duì)稱，屬斜面斜交型，存在偏壓影響。通過(guò)對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行修正，綜合評(píng)定隧道圍巖基本質(zhì)量級(jí)別為V級(jí)和IV級(jí)。

2.監(jiān)控量測(cè)的內(nèi)容及目的

監(jiān)控量測(cè)即指隧道施工過(guò)程中，使用各類儀表和儀器，對(duì)襯砌、支護(hù)和圍巖和受力變形以及相互間的力學(xué)關(guān)系、應(yīng)力影響，進(jìn)行觀察和評(píng)估，使施工方在掌子面開挖后正確了解圍巖的動(dòng)態(tài)變化，從而保證隧道結(jié)構(gòu)安全和施工安全，通過(guò)分析處理可及時(shí)調(diào)整爆破、初支和二次襯砌相關(guān)參數(shù)，掌握臨時(shí)支護(hù)的安拆時(shí)間及二次襯砌合理施作，從而進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工方案，達(dá)到可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的目標(biāo)。

3.監(jiān)控量測(cè)方法

3.1 斷面及測(cè)點(diǎn)布置原則

（1）為了能夠及時(shí)了解隧道在開挖過(guò)程中的穩(wěn)定性，通過(guò)監(jiān)測(cè)不穩(wěn)定的圍巖塊體，在有代表性的地段設(shè)置觀測(cè)斷面，在特殊的工程部位設(shè)置觀測(cè)斷面進(jìn)行量測(cè)。

（2）拱頂下沉、隧道水平收斂、地表沉降觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)該盡量布設(shè)在同一斷面上，以使量測(cè)結(jié)果互相對(duì)照，互相檢驗(yàn)。

（3）針對(duì)隧道進(jìn)、出口淺埋段需進(jìn)行量測(cè)，進(jìn)行方案優(yōu)化，及時(shí)反饋相關(guān)消息，指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。

3.2 量測(cè)項(xiàng)目選定

根據(jù)本項(xiàng)目隧道圍巖等級(jí)，可選擇地表沉降、周邊收斂位移和拱頂下沉為三個(gè)必測(cè)項(xiàng)目。根據(jù)隧道地質(zhì)條件及埋深情況，本條隧道施工過(guò)程中存在偏壓影響，故增設(shè)圍巖體內(nèi)位移監(jiān)測(cè)。

3.3 洞口地表沉降

（1）在進(jìn)行洞口地表下沉監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)控量測(cè)工作范圍橫向應(yīng)擴(kuò)大到隧道中線兩側(cè)（1～2）（b/2+h+h0），縱向應(yīng)在掌子面前后（1～2）（h+h0），（b為隧道開挖寬度，h為隧道開挖高度，h0為隧道埋深）。每個(gè)監(jiān)控量測(cè)斷面之間的距離以2～5m為宜，具體情況根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)、周邊的施工條件和地質(zhì)狀況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

（2）洞口地表下沉應(yīng)根據(jù)隧道的實(shí)際施工進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)以開挖面為起點(diǎn)，至隧道二次襯砌全部施工完畢為終點(diǎn)。

當(dāng)隧道地形高差變化較大時(shí)，應(yīng)采用精密電子水準(zhǔn)儀測(cè)量，其測(cè)量的最小精度應(yīng)控制在±1mm，此時(shí)也可采用高精度全站儀近距量測(cè)。在地形平坦地區(qū)，其量測(cè)精度為±0.1mm。

由于本項(xiàng)目隧道地表高程變化較大（h≤40m），根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，應(yīng)在相應(yīng)位置布設(shè)地表下沉工作點(diǎn)并滿足水準(zhǔn)測(cè)量的要求；其次，在可能出現(xiàn)破裂面以外4倍洞徑位置處埋設(shè)基準(zhǔn)高程點(diǎn)，通過(guò)后續(xù)量測(cè)的結(jié)果，從而得到各觀測(cè)點(diǎn)的下沉量。

3.4 周邊收斂量測(cè)

對(duì)于隧道周邊位移采用收斂計(jì)觀察的方法，通過(guò)兩次測(cè)量的結(jié)果，計(jì)算其收斂差值就可以得到隧道周邊在兩次量測(cè)期間所產(chǎn)生的收斂值，量測(cè)時(shí)讀數(shù)精度為±0.01mm。

在現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)過(guò)程中，采用彈簧秤、鋼絲繩、滑管在鋼尺一端施加固定的水平張力，同時(shí)通過(guò)百分表讀取本次量測(cè)的初始值；由于初始值應(yīng)具有可比性的特點(diǎn)，其量測(cè)結(jié)果應(yīng)多次測(cè)讀；當(dāng)連續(xù)三次量測(cè)結(jié)果計(jì)算的誤差R≤0.18mm（R值根據(jù)收斂計(jì)不同而異）時(shí)方可進(jìn)行下步施工作業(yè)。同時(shí)可以運(yùn)用相同的方法量測(cè)出間隔時(shí)間t后的t時(shí)刻的值，則t時(shí)刻量測(cè)的周邊收斂值即為百分表兩次量測(cè)的讀數(shù)差。

隧道周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置選擇全斷面5點(diǎn)式布置，形成AB測(cè)線、AC測(cè)線、BC測(cè)線、AB’測(cè)線、AC’測(cè)線、B’C’測(cè)線。如圖1所示。

3.5 拱頂下沉量測(cè)

拱頂設(shè)置測(cè)點(diǎn)與周邊收斂在同一斷面上。對(duì)于量測(cè)拱頂下沉?xí)r可以采用精密電子水準(zhǔn)儀、標(biāo)準(zhǔn)鋼尺等測(cè)量設(shè)備，待觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)完成后，及時(shí)進(jìn)行初始數(shù)據(jù)記錄。具體方法為，首先量測(cè)出各觀測(cè)點(diǎn)的初始高程值，其次在間隔時(shí)間后量測(cè)出對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的的當(dāng)前高程值，則測(cè)量的高差△H=H0-Hn即拱頂下沉值。

3.6 圍巖體內(nèi)位移

隧道軸線與巖層坡面斜交，邊坡切面與洞門非對(duì)稱，屬坡面斜交型，存在偏壓影響。同時(shí)由于隧道在偏壓淺埋段，圍巖巖體較破碎，巖質(zhì)松軟，邊坡及仰坡開挖時(shí)易造成圍巖松動(dòng)及偏位。為了分析隧道施工安全，掌握隧道圍巖動(dòng)態(tài)變化信息，本隧道增設(shè)圍巖體內(nèi)位移監(jiān)控量測(cè)，采用全站儀三維坐標(biāo)法觀測(cè)分布在某斷面的周邊收斂和拱頂下沉的反射棱鏡片進(jìn)行量測(cè)工作。其原理為全站儀的自由設(shè)站，即通過(guò)觀測(cè)兩個(gè)以上的后視點(diǎn)（已知坐標(biāo)及高程），反算出設(shè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)，及觀測(cè)點(diǎn)的邊、角值計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，采用傳統(tǒng)振弦式多點(diǎn)位移計(jì)與全站儀三維坐標(biāo)法分別進(jìn)行洞內(nèi)圍巖體內(nèi)位移進(jìn)行觀測(cè)，采用全站儀三維坐標(biāo)法進(jìn)行洞內(nèi)圍巖體內(nèi)位移監(jiān)測(cè)方便、快捷，可以做到時(shí)時(shí)監(jiān)控更為直觀的反應(yīng)圍巖條件不好地段的圍巖情況。

4.量測(cè)數(shù)據(jù)分析處理

4.1 量測(cè)數(shù)據(jù)分析處理

量測(cè)數(shù)據(jù)在分析處理時(shí)，只有在量測(cè)工作全部完成后，通過(guò)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析從而得到最終收斂值，這樣就無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度的需求。在量測(cè)的過(guò)程中必須及時(shí)收集每次量測(cè)的結(jié)果，來(lái)繪制時(shí)間-數(shù)據(jù)的變化曲線。通過(guò)繪制的圖表，可以實(shí)時(shí)了解各部位的變化趨勢(shì)，來(lái)判斷施工過(guò)程中的安全性，借此來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

4.2 量測(cè)數(shù)據(jù)反饋

一般情況下，圍巖失穩(wěn)的表現(xiàn)與信息特征：圍巖不收斂或變形有加大的趨勢(shì)，噴層開裂有發(fā)展趨勢(shì)，圍巖穩(wěn)定信息特征是：周邊收斂＜0.2mm/d，拱頂下沉位移＜0.15mm/d；變化趨勢(shì)逐漸平緩；相對(duì)位移值達(dá)到計(jì)算總位移80%。在實(shí)際施工中，通過(guò)對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，特別是對(duì)淺埋、偏壓段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，收集量測(cè)數(shù)據(jù)，繪制圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)復(fù)合襯砌設(shè)計(jì)以及施工。同時(shí)，量測(cè)數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，使其能夠?qū)崟r(shí)了解圍巖力學(xué)形態(tài)的變化及其規(guī)律，從而判斷圍巖在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性。

5.隧道監(jiān)控量測(cè)注意事項(xiàng)

（1）監(jiān)測(cè)過(guò)程中，由于受到中隔墻的影響，其水平收斂數(shù)據(jù)會(huì)變小，且拱頂下沉大于水平收斂值。收斂值、位移值受裂隙水的影響較大，在裂隙水較大位置位移值較大，而且穩(wěn)定時(shí)間較緩，在反饋結(jié)果時(shí)要注意。在淺埋、偏壓段，由于開挖后5d變形較大，因此，施工期間應(yīng)遵循“短掘進(jìn)、弱爆破、快支護(hù)”的原則，以此減少圍巖擾動(dòng)。

圖1 全斷面周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置圖

（2）為確保量測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，監(jiān)測(cè)使用的量測(cè)設(shè)備其精度應(yīng)符合工程要求，且需經(jīng)過(guò)檢定合格后方可投入使用。此外，還應(yīng)詳細(xì)記錄各項(xiàng)內(nèi)容，圍巖、支護(hù)數(shù)據(jù)以及天氣情況等應(yīng)形成圖表，以備查閱，確保量測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

（3）量測(cè)數(shù)據(jù)的分析要及時(shí)、準(zhǔn)確，保證數(shù)據(jù)真實(shí)有效，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）量測(cè)人員應(yīng)具有豐富的施工測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)工作。

6.結(jié)束語(yǔ)

在大跨度長(zhǎng)隧道的施工過(guò)程中，監(jiān)控量測(cè)是安全施工的重要手段與組成部分，其量測(cè)結(jié)果是在施工過(guò)程中獲取到的定量數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，了解圍巖在施工中的變化情況和對(duì)各項(xiàng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，有利于判斷符合施工需要的支護(hù)參數(shù)，通過(guò)測(cè)量可以預(yù)見(jiàn)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程中的事故及隱患，做到防患于未然。