監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在軟巖隧道施工中的應(yīng)用

程巧建

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)隧道工程廣泛采用新奧法設(shè)計(jì)與施工，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)已成為隧道施工中不可缺少的重要組成部分[1-3]。勤測(cè)量和動(dòng)態(tài)監(jiān)控是隧道工程的施工原則之一，以量測(cè)數(shù)據(jù)反饋?zhàn)冃魏褪芰π畔?，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工，是保證安全優(yōu)質(zhì)高效的基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的監(jiān)控量測(cè)及在此基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)分析，能直觀地判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性，更好地服務(wù)隧道施工[1]。

軟巖隧道工程圍巖穩(wěn)定性差，工程建設(shè)過(guò)程中需要引起足夠的重視。隧道圍巖不穩(wěn)定將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人員傷亡。當(dāng)隧道的初期支護(hù)措施不足以抵抗圍巖荷載時(shí)，在圍巖荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的變形，當(dāng)變形量超出預(yù)留變形量時(shí)會(huì)造成初支侵限，需要采取換拱等措施處理；當(dāng)變形量超過(guò)初期支護(hù)的變形限度時(shí)會(huì)引起隧道塌方[4-5]。

由于初支的變形量與支護(hù)措施呈負(fù)相關(guān)，因此在隧道施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)初支的變形量來(lái)及時(shí)調(diào)整支護(hù)措施，以達(dá)到控制初支的變形、確保隧道安全的目的，初支的變形量可通過(guò)有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)合監(jiān)控量測(cè)方法獲取。本文基于云桂鐵路那莫1 號(hào)隧道出口的施工實(shí)踐，通過(guò)介紹初支變形的監(jiān)測(cè)方法和分析變形數(shù)據(jù)，探討監(jiān)控量測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)施工中的應(yīng)用。

1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法

1.1 監(jiān)控量測(cè)的內(nèi)容

隧道監(jiān)控量測(cè)的內(nèi)容包括淺埋隧道的地表沉降、洞內(nèi)的拱頂下沉、拱腳收斂和斷面變形，圍巖壓力和鋼架內(nèi)力等。本文主要針對(duì)洞內(nèi)拱頂下沉變形、拱腳收斂情況和斷面變形3 個(gè)方面，探討監(jiān)控量測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)施工中的應(yīng)用。

1.2 監(jiān)控量測(cè)的方法

拱頂下沉和拱腳變形的監(jiān)控測(cè)量須預(yù)先在圍巖上埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，然后在監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)上貼反光膜，最后用全站儀對(duì)反光膜中心進(jìn)行觀測(cè)來(lái)采集數(shù)據(jù)。拱頂沉降是采用全站儀測(cè)量拱頂觀測(cè)點(diǎn)的高程，通過(guò)高程計(jì)算出沉降量和累計(jì)沉降量；拱腳收斂情況的判斷是采用全站儀測(cè)量同一斷面同一臺(tái)階兩側(cè)拱腳觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)靶中心之間的距離，通過(guò)距離的變化計(jì)算出收斂值和累計(jì)收斂值。

斷面變形測(cè)量是使用全站儀測(cè)量任意斷面初支表面任意點(diǎn)的空間坐標(biāo)，將同一斷面若干測(cè)點(diǎn)用曲線連接起來(lái)得到初支斷面圖，通過(guò)初支斷面圖與設(shè)計(jì)斷面圖比較判斷初支斷面是否侵限，不同時(shí)間的初支斷面圖疊加和比較能夠形象掌握初支的變形情況。

測(cè)點(diǎn)一般布置在拱頂和每個(gè)臺(tái)階的拱腳處，Ⅴ級(jí)圍巖每5 m 設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，Ⅳ級(jí)圍巖每10 m 設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，Ⅲ級(jí)圍巖每30 m 設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，同一監(jiān)測(cè)斷面的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)基本對(duì)齊。云桂鐵路那莫1 號(hào)隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，測(cè)點(diǎn)在斷面上的布置見圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)斷面布置圖Fig.1 Section layout of measuring points

在隧道開挖至監(jiān)測(cè)埋設(shè)斷面后，在斷面上布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其布設(shè)要點(diǎn)為：1）在圍巖上鉆孔；2）在孔內(nèi)埋入直徑20 mm 的螺紋鋼，外露長(zhǎng)度為100 mm；3）用快凝水泥或錨固劑將螺紋鋼錨固在圍巖上，其埋入圍巖深度不小于20 cm；4）初支的噴射混凝土完成后，在外露的螺紋鋼上焊接1 塊邊長(zhǎng)50 mm 的正三角形鋼板；5）在鋼板上貼1 塊帶有測(cè)點(diǎn)標(biāo)靶的反光膜。需要注意的是監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)必須埋在圍巖里，不能直接焊在初支鋼架上，否則當(dāng)初支背后有脫空時(shí)，鋼架和圍巖的變形不一致，將導(dǎo)致監(jiān)控量測(cè)不能及時(shí)測(cè)出圍巖的變形。

確定監(jiān)測(cè)斷面和布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，按照表1 所示的監(jiān)測(cè)頻率開展監(jiān)測(cè)工作，其中拱頂沉降和拱腳收斂的觀測(cè)頻率根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的位移速率來(lái)判定。

表1 監(jiān)測(cè)頻率Table 1 Monitoring frequency

1.3 監(jiān)控量測(cè)相關(guān)工程性質(zhì)判別

圍巖承載力判別：當(dāng)拱腳測(cè)點(diǎn)發(fā)生沉降時(shí)，可以判斷拱腳的地基承載力不足，應(yīng)采取措施提高拱腳地基承載力或增加拱腳面積來(lái)降低地基的應(yīng)力[6]。

初支鋼架剛度判別：當(dāng)拱頂?shù)某两盗颗c兩側(cè)拱腳沉降量的平均值相等時(shí)，可以判斷初支鋼架沒有變形，初支剛度滿足要求。當(dāng)拱頂?shù)某两盗看笥趦蓚?cè)拱腳沉降量的平均值時(shí)，可以判斷初支剛度不滿足要求，此時(shí)應(yīng)采取措施加大初支鋼架的剛度[7-9]。

初支穩(wěn)定性判別：根據(jù)監(jiān)控量測(cè)的時(shí)態(tài)曲線判斷初支是否穩(wěn)定，當(dāng)曲線趨于水平時(shí)說(shuō)明初支變形趨于穩(wěn)定隧道安全；當(dāng)曲線一直向上時(shí)說(shuō)明初支變形持續(xù)增加需要采取措施使初支穩(wěn)定；當(dāng)曲線急劇向上時(shí)說(shuō)明初支變形急劇增加，隧道即將發(fā)生坍塌，需要立即采取應(yīng)急措施。

2 那莫1 號(hào)隧道初支變形分析

對(duì)那莫1 號(hào)隧道進(jìn)行了FLAC3D 有限元模擬計(jì)算和隧道初支變形監(jiān)控量測(cè)，對(duì)模擬計(jì)算數(shù)值和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定隧道的變形規(guī)律和最大變形值，進(jìn)而確定進(jìn)行下一工序的施工時(shí)間。

2.1 隧道變形模擬計(jì)算分析

本次隧道開挖三維模擬計(jì)算巖土體本構(gòu)模型采用彈塑性模型，初襯、二襯和臨時(shí)支撐采用彈性模型；設(shè)置邊界條件時(shí)需要注意進(jìn)出洞口局部邊界不能忽略，因此邊界條件為：在整體模型左右前后邊界約束水平位移，底部約束三向位移；在洞口左右邊界和前邊界上約束水平位移。

以地面到隧道底部平均高度為依據(jù)，模型左右邊界各擴(kuò)展其高度的2 倍、前后邊界擴(kuò)展其平均高度的3 倍，以消除邊界影響。

由于現(xiàn)場(chǎng)條件和試驗(yàn)方法的限制，無(wú)法開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，只能參考室內(nèi)土工試驗(yàn)來(lái)評(píng)定參數(shù)，本次計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值Table 2 Recommended values of physical and mechanical indexes of each rock layer

那莫1 號(hào)隧道初值數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示，最大變形量可達(dá)到200 mm，出現(xiàn)在里程DK435+300 附近。

圖2 隧道襯砌變形云圖Fig.2 Cloud image of tunnel lining deformation

2.2 隧道變形監(jiān)控分析

基于拱頂沉降和拱腳收斂的測(cè)量結(jié)果，可以判斷初支是否穩(wěn)定；但當(dāng)拱頂沉降量較大時(shí)，則無(wú)法判斷拱頂?shù)某两凳怯捎诔踔дw下沉造成的還是初支變形造成的，無(wú)法直觀判斷支護(hù)是否合理。因此當(dāng)隧道的變形量較大時(shí)，應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果和對(duì)各臺(tái)階拱腳的測(cè)點(diǎn)增加沉降觀測(cè)的內(nèi)容，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算結(jié)果、拱頂和拱腳沉降量的比較判斷支護(hù)合理與否。

按照規(guī)范監(jiān)測(cè)頻率對(duì)拱頂沉降和拱腳收斂進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，對(duì)監(jiān)測(cè)頻率調(diào)整進(jìn)而指導(dǎo)施工。首先，記錄并處理數(shù)據(jù)得到單次測(cè)量位移量和累計(jì)位移量，以5 d 的短期測(cè)量記錄結(jié)果為例，如表3 所示：監(jiān)測(cè)里程DK435+310 監(jiān)測(cè)點(diǎn)78 號(hào)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為拱頂沉降，其中有2 d 的拱頂沉降速率大于5 mm/d，當(dāng)天監(jiān)測(cè)2 次進(jìn)行數(shù)據(jù)核對(duì)，分析拱頂沉降較大的原因并采取工程措施。

表3 拱頂下沉量測(cè)分析Table 3 Measurement and analysis of vault settlement

其次，對(duì)每次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并繪制累計(jì)位移量和對(duì)應(yīng)位移速率的時(shí)態(tài)曲線，圖3為那莫1 號(hào)隧道DK435+310 斷面拱頂沉降變化曲線，該斷面2013 年5 月16 日埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)并觀測(cè)初始值，截止到6 月1 日最大沉降速率7 mm/d，累計(jì)沉降量44 mm，沉降量時(shí)態(tài)曲線平緩。從6 月2 日開始，沉降速率加大，沉降量時(shí)態(tài)曲線持續(xù)上揚(yáng)，初支拱頂沉降加速加大，并且沒有收斂的趨勢(shì)，最大沉降量超過(guò)110 mm，并且還在持續(xù)增加，這與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖3 DK435+310 拱頂沉降和累計(jì)沉降變化曲線Fig.3 Curves of DK435+310 vault settlement and cumulative settlement

最后，進(jìn)行初支斷面測(cè)量并及時(shí)繪制斷面圖以便對(duì)比使用，根據(jù)初支斷面圖判斷初支是否侵限。那莫1 號(hào)隧道DK435+297 初支斷面圖如圖4所示，實(shí)測(cè)斷面與設(shè)計(jì)斷面比較，該斷面所有測(cè)點(diǎn)都沒有侵限，最大預(yù)留變形量還有410 mm 位于左側(cè)拱腳處，最小預(yù)留變形量剩下3 mm 位于拱頂左側(cè)，該處即將侵限需要盡快施作二襯，否則初支繼續(xù)變形會(huì)造成侵限。

圖4 DK435+297 測(cè)量斷面圖Fig.4 Measurement section of DK435+297

從斷面圖中可以看出拱頂左側(cè)初支變形量比其他部位大，該處為初支的薄弱部位，后續(xù)施工時(shí)應(yīng)對(duì)該處加強(qiáng)措施控制初支變形。

由于鐵路對(duì)建筑限界的要求非常嚴(yán)格，任何建筑物侵入建筑限界將會(huì)影響列車運(yùn)營(yíng)安全，也無(wú)法通過(guò)動(dòng)態(tài)驗(yàn)收，因此二襯施工后必須使用相同的方法測(cè)量二襯斷面，檢驗(yàn)二襯是否侵限。

2.3 預(yù)留變形量的判斷

初支的變形是不可避免的，開挖時(shí)必須擴(kuò)挖出初支的預(yù)估變形量，使初支變形穩(wěn)定后不侵入二襯。初支的預(yù)估變形量可根據(jù)數(shù)值模擬技術(shù)和相鄰已經(jīng)穩(wěn)定的初支的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)確定。

初支的累積變形量可以作為預(yù)留變形量的依據(jù)，但監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)埋設(shè)后，由于太靠近掌子面經(jīng)常被施工機(jī)械破壞，因此一般埋點(diǎn)3 d 以后進(jìn)行首次觀測(cè)，而初支的變形量通常在施作后的前幾天比較大，因此實(shí)際變形量通常比監(jiān)控量測(cè)測(cè)得的累計(jì)變形量大得多。為了準(zhǔn)確測(cè)量初支的實(shí)際變形量，可采用斷面測(cè)量和沉降測(cè)量相結(jié)合的方法，即在初支完成后及時(shí)測(cè)出初支的斷面，首次沉降測(cè)量的同時(shí)再次測(cè)量初支斷面，通過(guò)兩次斷面圖的疊加比較可以測(cè)出首次沉降測(cè)量時(shí)初支已經(jīng)產(chǎn)生的沉降量。每次沉降測(cè)量測(cè)得的累計(jì)沉降量，再加上首次沉降測(cè)量時(shí)初支已經(jīng)產(chǎn)生的沉降量就可以得到初支的實(shí)際沉降量。

3 結(jié)語(yǔ)

初支變形的影響因素很多，隧道施工前可以根據(jù)有限元數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)估隧道變形量，結(jié)合施工中的監(jiān)控量測(cè)分析影響初支變形的主要原因。然后，基于初支變形的不同原因，采取有針對(duì)性的變形控制措施。

控制初支變形對(duì)軟巖隧道的施工意義重大。云桂鐵路軟巖隧道較多，施工過(guò)程中遭遇了不少挫折，在挫折中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，改進(jìn)監(jiān)控量測(cè)方法，加強(qiáng)對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，順利完成了軟巖隧道的施工任務(wù)。