隧洞工程施工監(jiān)控量測管理體系研究

菊爽飛

（中鐵貴州工程有限公司，貴陽 550003）

1 工程概況

馱英水庫灌區(qū)客蘭東干渠竹琴2#隧洞長1 658.66 m。埋深9～20 m 之間、圍巖類型為Ⅴ類。洞頂?shù)貏菹鄬ζ教?，有住房、魚塘；山體基巖出露，巖體垂直裂隙較發(fā)育，圍巖情況差。軸線左側(cè)發(fā)育一較大天坑，天坑最大直徑約225 m，相對最大深度179 m：坑底高程131.3 m，渠底高程115.0 m左右，低于天坑底部約16 m，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該地區(qū)為巖溶較發(fā)育區(qū)，因此該段存在發(fā)生巖溶突水、突泥的可能。

2 監(jiān)控量測的目的、意義

施工中的監(jiān)控量測是施工安全的保障，在施工過程中必須按要求進(jìn)行。根據(jù)隧洞的基本原理，在隧道施工中對圍巖實(shí)時(shí)監(jiān)控量測其目的在于掌握圍巖的動態(tài)，對圍巖穩(wěn)定性作出評價(jià)，為確定支護(hù)的型式、支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時(shí)間提供依據(jù)。評價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性和安全性，為施工提供指導(dǎo)，以確保施工運(yùn)營的安全并防止地表下沉。具有如下重要意義：

（1）在施工過程中對開挖工作面附近圍巖的巖石性質(zhì)、狀態(tài)進(jìn)行目測，掌握圍巖動態(tài)，以及圍巖的施工力學(xué)性能，了解支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同情況時(shí)的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布，及時(shí)改進(jìn)支護(hù)，對圍巖穩(wěn)定性、安全性作出評價(jià)來指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（2）驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)型式、支護(hù)參數(shù)的合理性，對支護(hù)結(jié)構(gòu)施工方法的合理性及其安全性作出評價(jià)及建議，為確定二次支護(hù)時(shí)間提供依據(jù)。

（3）有效地避免塌方等工程事故。

3 監(jiān)控量測項(xiàng)目選擇

（1）主要監(jiān)控量測項(xiàng)目見表1。

（2）選測項(xiàng)目：圍巖壓力量測、鋼支撐內(nèi)及外力測量、圍巖內(nèi)部位移測量、錨桿軸力、滲水壓力、兩層支護(hù)間壓力量測、支護(hù)襯砌內(nèi)應(yīng)力。

項(xiàng)目地表沉降拱頂下沉凈空收斂錨桿抗拉拔力儀器設(shè)備高精度全站儀高精度全站儀高精度全站儀錨桿拉拔器目的了解施工過程中地表下沉情況了解施工過程中結(jié)構(gòu)變位情況了解施工過程中結(jié)構(gòu)變位情況檢查錨桿錨固效果布設(shè)原則洞口淺埋段沿隧洞中線每隔5～10 m布設(shè)一個(gè)測點(diǎn)沿隧洞拱頂每隔5～10 m布設(shè)測點(diǎn)與拱頂下沉點(diǎn)對應(yīng)于邊墻上布設(shè)一對測線錨桿抗拉拔力頻率開挖初期1～2次/d,開挖后期1次/(2～3 d)開挖初期1～2次/d,開挖后期1次/(2～3d)開挖初期1～2次/d,開挖后期1次/(2～3 d)開挖初期1次/(1～2 d),開挖后期1次/(1～2周)備注在開挖前提前及時(shí)埋設(shè)測點(diǎn)工作面開挖后及時(shí)埋設(shè)測點(diǎn)工作面開挖后及時(shí)埋設(shè)測點(diǎn)一次支護(hù)后及時(shí)測試

3.1 地表下沉量測

淺埋隧洞開挖時(shí)必然引起地面沉陷，量測的目的是了解地面下沉范圍和數(shù)值、地面下沉隨工作面推進(jìn)的規(guī)律、地面下沉穩(wěn)定的時(shí)間。一般用精密水準(zhǔn)儀量測，儀器精度要求為≤±0.1 mm，測點(diǎn)沿縱向（隧洞中線方向）布置：當(dāng)埋深為深埋時(shí)，其間距為20～50 m；當(dāng)埋深為淺埋時(shí)，為5～10 m；當(dāng)埋深介于深、淺埋之間時(shí)，為10～20 m。在隧洞進(jìn)出口地段及富含地下水段埋設(shè)斷面，橫向間距范圍為2～5 m，每斷面至少布置11個(gè)測點(diǎn)，隧洞中線附近密些，遠(yuǎn)離中線處疏些。測點(diǎn)應(yīng)在開挖形成下沉之前埋設(shè)，一直測到下沉穩(wěn)定。為了在開始下沉前進(jìn)行量測，要從工作面前方H+h 處或2D 處開始量測（H 為埋深；h 為上半斷面高度；D 為開挖寬度）。量測頻率按照開挖面距量測斷面前后距離L≤2D時(shí)，每日1～2 次；2D＜L≤5D 時(shí)，每日一次；L＞5D 時(shí)，每周一次予以控制。

3.2 拱頂下沉量測

量測目的為監(jiān)視隧洞拱頂?shù)慕^對下沉量，掌握斷面的變形動態(tài)，判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，一般采用全站儀進(jìn)行量測，精度要求≤±0.1 mm。

3.3 凈空收斂

凈空變形量測，又稱凈空位移量測、收斂量測。用收斂計(jì)測量開挖后隧道周邊輪廓向內(nèi)側(cè)發(fā)生的相對位移。收斂量測已成為研究隧道施工的安全性、支護(hù)效果、支護(hù)施工時(shí)機(jī)、支護(hù)方法等的簡便而有效的基本施工管理量測方法，是圍巖監(jiān)控量測的必測項(xiàng)目之一。測線的布置與被測斷面的形狀和尺寸、圍巖條件及開挖方式有關(guān)。當(dāng)斷面較大且圍巖軟弱時(shí)，測線布置略多。

3.4 錨桿抗拔力

錨桿拉拔試驗(yàn)主要以錨桿的抗拉拔力檢查錨固力，施作錨桿地段每10～30 m 或100～150 根檢查1組，每組至少做3 根錨桿拉拔試驗(yàn)，采用錨桿抗拔器進(jìn)行檢測。

3.5 選測項(xiàng)目

選測項(xiàng)目是對一些有特殊意義和具有代表性的區(qū)段進(jìn)行補(bǔ)充測試，因此，每個(gè)隧道要根據(jù)其具體情況選擇合適的選測項(xiàng)目，一般在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖段及不良地質(zhì)段設(shè)置，其主要目的：①及時(shí)掌握圍巖的力學(xué)強(qiáng)度，對圍巖的穩(wěn)定、安全性作出評價(jià)；②了解和掌握隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)型式、支護(hù)參數(shù)的合理性，確定二次支護(hù)的時(shí)間；③對支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工方法的安全性作出評價(jià)及建議，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工；④為變更設(shè)計(jì)、調(diào)整施工方法提供科學(xué)依據(jù)；⑤有效避免塌方等工程事故。

4 監(jiān)控量測管理體系建立

針對隧洞工程監(jiān)測的特點(diǎn)建立專業(yè)小組，由項(xiàng)目工程部派駐現(xiàn)場2～4 人建立監(jiān)測小組，由具有豐富隧道施工經(jīng)驗(yàn)、監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)及有結(jié)構(gòu)受力計(jì)算、分析能力的技術(shù)人員擔(dān)任組長，其余人員在組長指導(dǎo)下負(fù)責(zé)地面、地下的日常監(jiān)測及資料整理[1]。

產(chǎn)房、保育及育肥前期是最需要保暖的地方，特別要注意豬舍溫度的穩(wěn)定，不能溫差過大 （不超過5℃），造成仔豬應(yīng)激，引起疾病。保育和產(chǎn)房要儲備一定量的電熱板和取暖燈，以防有損壞并能及時(shí)的補(bǔ)充上。育肥前期的豬只可鋪墊草或墊板取暖。同時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備額外的例如燃油暖風(fēng)機(jī)等臨時(shí)加溫機(jī)器，以備臨時(shí)升溫用。

為保證量測數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠及連續(xù)性，應(yīng)制定以下各項(xiàng)措施：

（1）監(jiān)測組與監(jiān)理工程師密切配合工作，及時(shí)向監(jiān)理工程師報(bào)告情況和問題，并提供切實(shí)可靠的數(shù)據(jù)記錄。

（2）制定切實(shí)可行的監(jiān)測實(shí)施方案和相應(yīng)的測點(diǎn)埋設(shè)保護(hù)措施，并將其納入工程的施工進(jìn)度控制計(jì)劃中。

（3）量測項(xiàng)目人員要相對固定，以便保證數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性。

（4）量測儀器采用專人使用、專人保養(yǎng)、專人檢校的管理方式，使用前經(jīng)檢校合格后方可使用。

（5）各監(jiān)測項(xiàng)目在監(jiān)測過程中必須嚴(yán)格遵守相應(yīng)的實(shí)施細(xì)則。

（6）量測數(shù)據(jù)均要經(jīng)現(xiàn)場檢查，室內(nèi)兩級復(fù)核后方可上報(bào)。

（7）量測數(shù)據(jù)的存儲、計(jì)算、管理均采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

取得監(jiān)測數(shù)據(jù)后，要及時(shí)進(jìn)行整理分析，繪制位移隨時(shí)間或空間的變化曲線圖。在取得足夠數(shù)據(jù)后，還應(yīng)根據(jù)散點(diǎn)圖的數(shù)據(jù)分布情況，選擇合適的函數(shù)，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行回歸，以預(yù)測該測點(diǎn)可能出現(xiàn)的最終位移值及結(jié)構(gòu)的安全性，評價(jià)施工方法，確定工程措施。為確保監(jiān)測結(jié)果質(zhì)量，加快信息反饋速度，全部監(jiān)測數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)管理，并繪制測點(diǎn)位移時(shí)間變化曲線圖（如圖1）。

位移時(shí)間曲線的曲率趨于平緩時(shí)，應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析或其它數(shù)學(xué)方法分析，尋找一種能夠較好反映監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律和趨勢的函數(shù)關(guān)系式，對下一階段的監(jiān)測物理量進(jìn)行預(yù)測，防患于未然，預(yù)測最終位移值及結(jié)構(gòu)物的安全性，并據(jù)此確定工程技術(shù)措施等。因此，對每一測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果要根據(jù)管理基準(zhǔn)和位移變化速率等綜合判斷施工和支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的安全狀況。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制拱頂下沉、水平位移等隨時(shí)間及工作面距離變化的時(shí)態(tài)曲線，了解其變化趨勢，并對初期的時(shí)態(tài)曲線進(jìn)行回歸分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的最大值和變化速率。

圖1 位移～時(shí)間關(guān)系曲線

位移～時(shí)間關(guān)系曲線若如圖1（a）中出現(xiàn)反常，表明圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)暫停開挖并進(jìn)行施工處理；若如圖1（b）中所示趨于平緩時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或回歸分析，從而推算最終位移值和掌握位移變化規(guī)律?；貧w分析函數(shù)在下列函數(shù)中選擇：對數(shù)函數(shù)：U=a+b/lg（1+t）或U=a×lg（1+t）；指數(shù)函數(shù)：U=a×e-b/t或U=a×（1-e-b/t）；雙曲函數(shù)：U=t/a+b×t或U=a×［1-1/（1+b×t）2］。

式中：a、b 為回歸常數(shù)；t 為初讀數(shù)后的時(shí)間，d；U 為位移值，mm。

6 信息反饋及運(yùn)用

6.1 信息反饋

信息反饋與修正設(shè)計(jì)是指在隧洞開挖后，根據(jù)施工信息，對施工前預(yù)設(shè)計(jì)所確定的結(jié)構(gòu)型式、支護(hù)參數(shù)、預(yù)留變形量、施工工藝、施工方法以及各工序施作時(shí)間等的檢驗(yàn)和修正。信息反饋與修正設(shè)計(jì)的基本要求為隧洞施工時(shí)，設(shè)計(jì)及施工必須緊密配合，共同研究，綜合分析各項(xiàng)施工信息，及時(shí)進(jìn)行信息反饋，最終確定和修改設(shè)計(jì)方案。也是對各種信息進(jìn)行綜合分析、互相印證，對設(shè)計(jì)參數(shù)修正和施工方法的改進(jìn)是不可缺少的部分。監(jiān)控量測信息反饋流程見圖2。

6.2 信息的運(yùn)用

監(jiān)控量測信息運(yùn)用主要包括以下方面：

圖2 監(jiān)控信息反饋流程

（1）根據(jù)一個(gè)量測斷面的施工信息綜合分析處理結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)修正，只適用于該斷面前后不大于5 m 的同類圍巖地段。

（2）隧洞較長地段同類圍巖設(shè)計(jì)參數(shù)的修正，特別是降低設(shè)計(jì)參數(shù)，必須以不少于3 個(gè)斷面的施工信息綜合分析為依據(jù)。按修正后的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行開挖的地段，其設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性和合理性應(yīng)根據(jù)施工信息綜合分析予以驗(yàn)證。

（3）信息反饋與修正設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括施工方法變更的建議；施工工序的更改；預(yù)留變形量的修改或確認(rèn)；設(shè)計(jì)參數(shù)的修改或確認(rèn)；采用輔助施工措施的建議等。

（4）遇到隧洞開挖后，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、圍巖類別比預(yù)計(jì)的要差；噴射混凝土層裂縫多、裂縫大或不斷發(fā)展；實(shí)測位移值超過規(guī)定的允許值或類似條件下的隧洞位移值；位移速率無明顯下降，實(shí)測位移值已接近規(guī)定的允許值，位移量可能超過預(yù)留變形量，同時(shí)一次支護(hù)混凝土表面已出現(xiàn)明顯裂縫；或者實(shí)測位移速度出現(xiàn)急劇增長時(shí)，穩(wěn)定性特征出現(xiàn)異常狀態(tài)等情況之一時(shí)，應(yīng)立即采取補(bǔ)強(qiáng)措施，改變施工方法、程序或設(shè)計(jì)參數(shù)，需要增強(qiáng)一次支護(hù)技術(shù)措施，必要時(shí)應(yīng)立即停止開挖，進(jìn)行施工處理。

（5）遇到確認(rèn)圍巖類別、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件比預(yù)計(jì)有明顯好轉(zhuǎn)或有具體工程類比；一次支護(hù)未全部完成，位移已收斂，達(dá)到施作二次襯砌的指標(biāo)；經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)觀察評定，認(rèn)為在較大范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定性較好；一次支護(hù)全部施作完畢，位移量遠(yuǎn)小于規(guī)定允許位移值且穩(wěn)定速度快等情況之一時(shí)，應(yīng)改變設(shè)計(jì)參數(shù)，降低一次支護(hù)強(qiáng)度或技術(shù)措施。

（6）采用一次支護(hù)和二次襯砌復(fù)合式支護(hù)襯砌的隧洞工程，二次襯砌的施作應(yīng)在同時(shí)達(dá)到隧洞周邊水平收斂速度小于0.2 mm/d；拱頂或底板垂直位移速度小于0.1 mm/d；隧洞周邊水平收斂速度以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降；隧洞位移相對值已達(dá)到總相對位移量的90%以上等3 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行。

（7）監(jiān)測數(shù)據(jù)要及時(shí)以報(bào)表的形式上報(bào)技術(shù)、安全、施工、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及業(yè)主等部門，并編寫周、月匯總報(bào)表，及時(shí)反饋指導(dǎo)施工，調(diào)整施工參數(shù)，達(dá)到安全、高效施工之目的。

7 結(jié)語

隧洞工程施工監(jiān)控量測是確保安全、科學(xué)施工的重要手段。隧洞工程施工主要監(jiān)測項(xiàng)目為地表與拱頂下沉、凈空收斂、錨桿抗拉拔力等；選測項(xiàng)目為圍巖壓力量測、鋼支撐內(nèi)及外力測量、圍巖內(nèi)部位移測量、錨桿軸力、滲水壓力、兩層支護(hù)間壓力量測、支護(hù)襯砌內(nèi)應(yīng)力。按照圍巖等級和位移速度建立施工監(jiān)控量測管理體系，為施工安全提供指導(dǎo)。