重慶某鐵路隧道圍巖開挖變形特征及監(jiān)控方法

孫順應

（蘭州交通大學工程檢測有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

圍巖變形實時監(jiān)測是隧道安全施工的關(guān)鍵，合理的監(jiān)測方法有助于及時發(fā)現(xiàn)可能存在的問題。通過新奧法施工對隧道變形進行實時監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，能夠有效預測圍巖變形情況，指導隧道施工[1]。馬永峰實測了開挖過程淺埋連拱隧道的變形發(fā)展規(guī)律，分析了施工工序等對隧道變形的影響，可為工序安排提供借鑒[2]。王成橋針對汶川-馬爾康隧道，對實測數(shù)據(jù)進行了分析，研究了隧道開挖變形規(guī)律，評估了支護等的影響[3]。陳建勛研究了大斷面淺埋黃土暗挖隧道過程變形規(guī)律，為黃土隧道施工提供了參考[4]。

由于地質(zhì)情況復雜，隧道施工變形監(jiān)測并不是一成不變的，要根據(jù)具體地質(zhì)條件、支護情況及開挖進度等進行具體設(shè)計。本文總結(jié)了重慶地區(qū)某鐵路隧道施工過程中的變形監(jiān)測技術(shù)，分析了拱頂、洞口及地表的變形規(guī)律，可為類似工程實踐提供參考。

1 工程概況

該項目為重慶某鐵路隧道監(jiān)控量測項目，起點為DK118+216.35，終點為DK135+345.61，正線長度17.404km（標段含木耳貨場、黃茅坪支線20.388km）。主要工程數(shù)量為：路基9493.73 m；橋梁11325.27m/21座，其中連續(xù)梁7聯(lián)，道岔連續(xù)梁4聯(lián)；隧道16993m/11座；涵洞1583.15橫延米；車站2座（木耳站、黃茅坪站）；隧道地段無砟道床（彈性支撐塊）6.92km。隧道監(jiān)控量測是隧道施工的重要環(huán)節(jié)，是保證隧道施工安全和隧道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定的有效手段。該項目主要是對管段內(nèi)隧道洞內(nèi)外進行監(jiān)控量測，包含了洞內(nèi)拱頂下沉量變化監(jiān)測、拱墻周邊收斂數(shù)據(jù)的監(jiān)測以及隧道洞門邊坡和地表沉降的監(jiān)測。在隧道施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況、隧道工程的規(guī)模、不同地質(zhì)情況、支護類型和參數(shù)及開挖方法對其實施監(jiān)控量測。該項目隧道施工監(jiān)測必測項目見表1。

表1 隧道施工監(jiān)測項目

一般根據(jù)圍巖類型、開挖形式以及開挖順序，在同一個里程斷面布置7個測點（三臺階）或者5個測點（兩臺階）。測點如果被現(xiàn)場破壞，應在被破壞測點附近補設(shè)。如果出現(xiàn)松動，則應及時加固。觀測應在埋設(shè)點穩(wěn)定后進行。測點布設(shè)如圖1所示。

圖1 斷面沉測點布置

2 監(jiān)測方法

2.1 洞內(nèi)監(jiān)控量測方法

隧道洞內(nèi)采用全站儀自由設(shè)站非接觸量測技術(shù)進行監(jiān)測工作，即在外業(yè)觀測中，采用全站儀任意測站及坐標測量的方法，直接獲取各監(jiān)測點的空間三維坐標。該監(jiān)測方法簡單、易操作，可對變化異常的關(guān)鍵節(jié)點反復對比測量，增加監(jiān)測頻次。采用水準儀與全站儀對洞外地表及邊坡進行監(jiān)測，存在異常時，兩者間可相互驗證，確保數(shù)據(jù)準確。

2.2 拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測

（1）一般為1次/d。

（2）臺階法施工，下部開挖過程中，監(jiān)測頻率為1次/d。

（3）出現(xiàn)變形非線性增大或者異常波動時，要縮短監(jiān)測時間，增加監(jiān)測頻率。

（4）變形發(fā)展速率較為穩(wěn)定時，可以按照表2進行監(jiān)控。

表2 地表下沉降的監(jiān)測頻率

（5）初期支護完成后，根據(jù)實際情況可以停止對應斷面的實時監(jiān)測，但至少應該滿足以下條件：

①初期支護表觀現(xiàn)象正常；

②施工項目及周邊變形速度大大降低，并且趨于穩(wěn)定，水平收斂較小，隧道拱頂部的沉降速度減小，累計位移已經(jīng)較大；

③變形時態(tài)曲線已經(jīng)收斂。

2.3 監(jiān)測測點的布置

在隧道開挖之前，就應布置沉降觀測點，且對于重點工程應布置足夠數(shù)量的觀測點備用。隧道內(nèi)的觀測點應該和地表沉降點在同一個斷面，進而排除斷面位置差異的影響。觀測點的間距可參考表3。

表3 地表沉降測點縱向間距

（1）如圖2所示，地表沉降的觀測點間距在2～5m范圍，越靠近隧道中線，測點間距應越小，以提高測量精度。

圖2 地表測點布置

（2）在測點布置中，隧道拱頂?shù)某两涤^測點和洞內(nèi)的凈空觀測點也應布置在同一個斷面上。且測點應盡量左右對稱布置，以便觀測閉合，相互印證自洽。但現(xiàn)場并非理想狀態(tài)，遇到開挖裝備、管線等其他干擾時，可以適當調(diào)整。

3 數(shù)據(jù)分析處理

實測拱頂累計變形量如圖3和圖4所示。在隧道出口正洞DK130+630-GD00處，開挖階段前20d，變形發(fā)展迅速，累計達到8mm，變形速率約4mm/d，變形勻速發(fā)展，并未出現(xiàn)非線性增長型失穩(wěn)。在20～30d時，隨著支護進行，變形曲線出現(xiàn)一個小平臺。第30d后，隨著開挖持續(xù)進行，累計變形持續(xù)發(fā)展，但中間由于支護等的進行，曲線有波動，到第60d后變形基本穩(wěn)定。第二階段的變形速率約2mm/d，變形速率約為初始階段的一半，呈現(xiàn)收斂狀態(tài)。

圖3 隧道出口正洞DK130+630-GD00

圖4 隧道進口正洞HMDK3+617-SL01-SL02

隧道進口正洞變形規(guī)律與出口處有所不同，在第30d后累計變形便基本保持穩(wěn)定。但與出口處類似的是，在20～30d階段，變形迅速發(fā)展，變形速率約2mm/d。

由圖3和圖4可知，在開挖初始階段變形速率很大，處于相對危險期，需要加密監(jiān)測。在達到穩(wěn)定前的第二階段，變形波動較大，對于收斂的判斷難度較大，一般曲線都要來回波動幾次才能進入穩(wěn)定區(qū)間，此時萬萬不可大意。

地表沉降觀測點布置如圖2所示，其中洞頂部測點數(shù)據(jù)如圖5所示。地表沉降規(guī)律與隧道進出口位置變形規(guī)律并不一樣，地表沉降更加雜亂和隨機，在開挖0～25d范圍內(nèi)，地表沉降快速發(fā)展，隨后受支護、地應力釋放等因素影響，變形又有所恢復，隨后在0～2mm范圍內(nèi)穩(wěn)定波動，與隧道進出口一樣進入穩(wěn)定期。由此可見，地表沉降規(guī)律復雜，在實際施工監(jiān)測中可作為輔助監(jiān)測。

圖5 地表累計變形規(guī)律

4 結(jié)論

在項目開挖過程中，圍巖變形速度在初始10～20d內(nèi)較大，需要重點監(jiān)控。在30～60d的第二階段，圍巖繼續(xù)變形，但變形速率低于10～20d階段，且受其他因素干擾，累計變形曲線波動較大，多次回頭，較難預測達到平穩(wěn)階段的時間。在約60d后，變形趨于平穩(wěn)，累計位移曲線形成一個平臺，圍巖變形基本完成，隧道確認安全。地表沉降規(guī)律波動較大，受支護、地應力逐漸釋放等因素影響明顯，在60d左右波動逐步穩(wěn)定。

隧道圍巖變形情況監(jiān)測中，要根據(jù)具體支護情況、開挖進度等，設(shè)計針對性的監(jiān)控方法。測點布置要能夠相互印證，自我閉合。在地質(zhì)條件較差、施工工序復雜、擾動較多地段，應增大測點的空間密度。在變形速度較快階段，應增加測量頻率，以防出現(xiàn)異常情況。