藍(lán)志杰，張成良

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093）

隧道施工中監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究

藍(lán)志杰，張成良

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093）

在隧道施工中進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，通過對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析可對(duì)隧道整體安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)隧道施工組織和安排起到非常重要的作用，能有效避免安全事故的發(fā)生。文中通過對(duì)宣威至功南高速公路胡家地隧道圍巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，及時(shí)了解初期支護(hù)和二次襯砌的受力情況，對(duì)支護(hù)體系的穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)估。

隧道；監(jiān)控量測(cè)；圍巖；支護(hù)體系

高速公路隧道施工過程中首要考慮的因素是施工過程中的安全性和穩(wěn)定性。監(jiān)控量測(cè)作為新奧法施工的關(guān)鍵要素，是保證隧道現(xiàn)場施工安全和信息化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，能及時(shí)掌握隧道圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用情況，對(duì)施工進(jìn)度、工程質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)投入都有非常重要的影響。該文結(jié)合宣威至功南高速公路胡家地隧道，探討監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在隧道工程施工中的應(yīng)用。

1　工程概況

1.1地質(zhì)狀況

胡家地隧道進(jìn)口開挖掌子面圍巖為淺黃色砂巖夾泥巖，強(qiáng)～中風(fēng)化，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎石狀，遇水易軟化，掌子面潮濕，圍巖完整性差，自穩(wěn)能力差。所處地段為瓦房村斷層與宣威斷層夾持帶，與兩斷層近同向的居舍河背斜構(gòu)造的近西傾伏端，臨近于儲(chǔ)水段南東的局部補(bǔ)給、徑流段。整個(gè)隧道巖體破碎～極破碎，巖性復(fù)雜，對(duì)隧道施工不利。地質(zhì)狀況見圖1。隧道整體溶潛水富水性較強(qiáng)，地下水補(bǔ)給以大氣降水為主，雨季時(shí)受地表水補(bǔ)給充分而使地下水賦存相對(duì)較豐富。

圖1　胡家地隧道所在地的地質(zhì)狀況

1.2支護(hù)狀況

該隧道埋深小，地表覆蓋層較薄，巖體破碎，風(fēng)化程度高，巖體完整性差，自穩(wěn)能力弱，地表應(yīng)做好防排水處理并保證雨季來臨前洞外的支護(hù)及防水措施到位，確保隧道的安全。隧道地表多處被開挖、擾動(dòng)，破壞了隧道地表邊坡的原始形態(tài)和穩(wěn)定性，在隧道開挖過程中應(yīng)嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，減少超挖、控制欠挖，以利于巖體的穩(wěn)定。進(jìn)口處拱頂下沉位移過大，初期支護(hù)鋼支撐環(huán)向裂縫貫通，砼局部掉塊，裂縫有擴(kuò)展趨勢(shì)。支護(hù)狀況見圖2。

圖2　胡家地隧道支護(hù)狀況

2　施工監(jiān)控量測(cè)方案

周邊收斂、拱頂下沉和地表沉降是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的最直觀反映，通過監(jiān)測(cè)獲得的可靠信息有助于判斷隧道空間的穩(wěn)定性，確保隧道施工安全。主要監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和監(jiān)控量測(cè)頻率見表1、表2。

2.1地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀察

使用數(shù)碼相機(jī)、羅盤、放大鏡、鋼卷尺等設(shè)備對(duì)開挖后掌子面及支護(hù)和襯砌的外觀進(jìn)行觀察和記錄，并用錘擊法進(jìn)行圍巖彈性波測(cè)試。

表1　胡家地隧道主要監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備

2.2拱頂下沉與周邊收斂量測(cè)

2.2.1測(cè)點(diǎn)埋設(shè)

拱頂下沉與周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面，分別布置在拱頂及兩側(cè)，埋設(shè)位置見圖3。在避免爆破作業(yè)破壞測(cè)點(diǎn)的前提下，各測(cè)點(diǎn)盡可能靠近工作面埋設(shè)，距離一般為0.5～2.0m，并在下一次爆破循環(huán)前獲得初始讀數(shù)。初讀數(shù)在開挖后12h內(nèi)讀取，最遲不超過24h，且在下一循環(huán)開挖前完成初期變形值讀取。

表2　胡家地隧道監(jiān)控量測(cè)頻率

圖3　胡家地隧道周邊收斂與拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置

采用收斂計(jì)方法測(cè)量拱頂下沉?xí)r，凈空收斂與拱頂下沉一般布設(shè)在同一個(gè)斷面。用水平邊BC值的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)凈空水平收斂的量測(cè)，用h值的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)拱頂下沉的量測(cè)。如圖4所示，令BC=L、AB=m、AC=n、BD=Xa、CD=Xb、AD=h，由勾股定理可得：

解式（1）得：

2.2.2拱頂下沉、凈空收斂數(shù)據(jù)處理

回歸分析時(shí)，一般采用3種函數(shù)，通過對(duì)比，推算最終位移時(shí)采用3種函數(shù)中回歸精度（擬合程度）較高的函數(shù)，不同測(cè)點(diǎn)的回歸函數(shù)可能不同。最后繪制拱頂下沉及周邊收斂的位移與時(shí)間（U-t）曲線和位移速率與時(shí)間（v-t）曲線。

圖4　凈空收斂與拱頂下沉的計(jì)算示意圖

2.3淺埋段地表下沉量測(cè)

如圖5所示，以隧道開挖輪廓的兩拱角為基點(diǎn)，以45°向地表延伸，該區(qū)域內(nèi)為隧道施工影響區(qū)域，也是地表下沉觀測(cè)的范圍。地表沉降測(cè)點(diǎn)主要根據(jù)隧道施工進(jìn)度及隧道所處山體情況和環(huán)境變化布置，從隧道開工到結(jié)束，根據(jù)實(shí)際情況及施工需要在隧道進(jìn)口淺埋段布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)橫斷面上布置7個(gè)以上測(cè)點(diǎn)，分別布置在隧道軸線及軸線兩側(cè)，隧道中線附近測(cè)點(diǎn)較密，遠(yuǎn)離隧道中線處測(cè)點(diǎn)較稀。

圖5　胡家地隧道地表沉降測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.4錨桿拉拔試驗(yàn)

錨桿拉拔力是錨桿材料、加工和施工安裝質(zhì)量的綜合反映，根據(jù)錨桿拉拔試驗(yàn)直接讀取?，F(xiàn)場進(jìn)行錨桿拉拔試驗(yàn)，按照300根至少抽取1組（3根）的要求，用錨桿拉拔儀測(cè)試所抽取錨桿的拉拔力。設(shè)計(jì)拉拔力為70kN，要求28d拉拔力平均值≥設(shè)計(jì)值，最小拉拔力≥0.9設(shè)計(jì)值。按照上述標(biāo)準(zhǔn)，所監(jiān)測(cè)的2組錨桿拉拔力全部合格。

2.5選測(cè)項(xiàng)目

選測(cè)項(xiàng)目是對(duì)一些有特殊意義和具有代表性的區(qū)段及試驗(yàn)區(qū)段進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試，應(yīng)盡可能選在特殊地段，如圍巖差的地方、加寬帶、進(jìn)出口的淺埋段等，主要監(jiān)測(cè)圍巖內(nèi)部移動(dòng)與二次襯砌砼受力情況。監(jiān)測(cè)儀器有壓力盒、鋼筋計(jì)、位移計(jì)、錨桿軸力計(jì)、砼應(yīng)變計(jì)。其中：壓力盒主要埋設(shè)在初期支護(hù)與圍巖間（見圖6），主要監(jiān)測(cè)圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力；砼應(yīng)變計(jì)主要埋設(shè)在二次襯砌砼內(nèi)，用于量測(cè)二次襯砌砼的內(nèi)力變化。

圖6　胡家地隧道壓力盒測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3　監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀察

胡家地隧道地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀察結(jié)果如下：隧道上方有一采石場，經(jīng)過長時(shí)間的采石作業(yè)及地表破壞，其上方已形成較大采空區(qū)，雖然已經(jīng)過回填，但其滲水保護(hù)層已被破壞，易造成地表水下滲，對(duì)隧道施工不利，特別是容易造成塌方甚至冒頂，應(yīng)引起特別注意并加強(qiáng)支護(hù)。隧道中部圍巖為強(qiáng)風(fēng)化白云巖夾玄武巖，巖石節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎～極破碎，層間結(jié)合力差。開挖后圍巖無自穩(wěn)能力，易產(chǎn)生坍塌甚至冒頂，下雨時(shí)隧道淺埋段可能出現(xiàn)較大涌水。

3.2拱頂下沉和周邊收斂

在胡家地隧道布置拱頂下沉監(jiān)測(cè)斷面，共布置202個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，各斷面在隧道二次襯砌澆灌前拱頂累計(jì)下沉量和隧道周邊收斂都小于最大預(yù)留變形量的1/3，即50mm，位移速率小于4.15mm/d。圖7為K12+843斷面周邊收斂曲線，從中可見位移速率和位移累計(jì)都符合要求。

圖7　胡家地隧道K12+843斷面周邊收斂曲線

3.3地表下沉

表3為部分測(cè)點(diǎn)地表下沉檢測(cè)結(jié)果，從中可見地表沉降已趨于穩(wěn)定。

3.4監(jiān)測(cè)結(jié)果分析和建議

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，該隧道拱頂下沉、周邊收斂值較小，其中K12+843拱頂下沉平均位移速率為1.09 mm/d，累計(jì)下沉量為45mm。隧道開挖擾動(dòng)過大時(shí)仍會(huì)加快隧道拱頂下沉和周邊收斂，甚至引起塌方，需控制隧道開挖強(qiáng)度、開挖進(jìn)尺和臺(tái)階高度，錯(cuò)臺(tái)施工，根據(jù)隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工工藝并加強(qiáng)支護(hù)，保證隧道的穩(wěn)定。地表累計(jì)最大位移為135mm，日沉降最大變化速率為6.14mm，未超過規(guī)范允許值。

表3　胡家地隧道部分地表下沉檢測(cè)結(jié)果

從拱頂下沉、周邊收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，洞內(nèi)整體變形相對(duì)較小，圍巖趨于穩(wěn)定，表明采用的支護(hù)參數(shù)可確保安全。通過對(duì)隧道出口地表的監(jiān)測(cè)，去除測(cè)量誤差影響后，總體上各監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉量較小。但在隧道下斷面開挖處，受施工影響，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移還會(huì)有一定波動(dòng)，未加蓋二次襯砌時(shí)還需要繼續(xù)觀測(cè)。開挖時(shí)應(yīng)及時(shí)支護(hù)，防止?jié)B水導(dǎo)致圍巖粘性不足而發(fā)生掉塊甚至塌方，并加強(qiáng)排水，以免出現(xiàn)滲水現(xiàn)象影響正常施工。施工中應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)成果，在隧道圍巖變形穩(wěn)定后再進(jìn)行二次襯砌施工，將掌子面與二次襯砌工作面之間的距離控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

4　結(jié)語

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，胡家地隧道的圍巖和支護(hù)體系皆滿足公路隧道相關(guān)規(guī)范的要求，可保證施工的順利進(jìn)行。由于在隧道開挖過程中會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生多次擾動(dòng)，對(duì)隧道的穩(wěn)定性不利，應(yīng)采用“多臺(tái)階、短進(jìn)尺、弱擾動(dòng)、及支護(hù)、早成環(huán)”的方式進(jìn)行施工。施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，并注意保護(hù)監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，以免因測(cè)點(diǎn)被破壞或復(fù)噴覆蓋而造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失。

圍巖穩(wěn)定性判斷是一項(xiàng)復(fù)雜且非常重要的工作，必須結(jié)合具體工程情況，根據(jù)所測(cè)得的位移量或回歸分析所得的位移量、位移速度及變化趨勢(shì)、隧道埋深、開挖斷面大小、圍巖等級(jí)、支護(hù)所受壓力、應(yīng)力應(yīng)變等進(jìn)行綜合分析判斷。隧道施工中必須加強(qiáng)山體變化及初期支護(hù)和二次襯砌的受力情況監(jiān)控，及時(shí)掌握隧道整體穩(wěn)定情況，并實(shí)時(shí)作出調(diào)整，避免不安全事故的發(fā)生。

［1］ 冉小兵.談監(jiān)控量測(cè)在隧道信息化施工中的應(yīng)用［J］.資源環(huán)境與工程，2015，25（3）.

［2］ 何洪濤.談高速公路隧道施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)［J］.四川水泥，2015（5）.

［3］ 李智榮.監(jiān)控量測(cè)在高速公路隧道施工中的應(yīng)用［J］.科學(xué)之友，2012（14）.

［4］ 李晉全.隧道新奧法施工中監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的應(yīng)用探析［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（10）.

［5］ 郭海.淺析監(jiān)控量測(cè)在新奧法構(gòu)筑隧道中的應(yīng)用［J］.中國西部科技，2011（16）.

［6］ 姚志飛.季節(jié)性寒區(qū)大斷面淺埋土質(zhì)隧道施工期位移特性研究［D］.西安：西安建科技大學(xué)，2009.

［7］ 孟巖.新奧法隧道施工中的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)研究［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013（14）.

［8］ 喻偉.淺埋偏壓隧道施工圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2012.

［9］ 曾星巨，戴劍鋒，蔣振梁，等.監(jiān)控量測(cè)在軟巖隧道信息化施工中的應(yīng)用研究［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（21）.

［10］ 王剛.道施工期間的變形監(jiān)測(cè)［J］.交通世界，2011 （5）.

［11］ 王文光.偏壓邊坡下軟弱圍巖連拱隧道穩(wěn)定性數(shù)值模擬［D］.西安：長安大學(xué)，20098.

［12］ 劉青.福祿嶺隧道監(jiān)控量測(cè)與分析研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

U456.3

A

1671-2668（2016）04-0268-04

2016-01-21