隧道工程监控量测技术的应用

1、隧道工程监控量测技术的应用（中水四局 朱广琼 刘培玉 王福鼎）摘 要：根据宝鸡至兰州客运专线十标段苏家川隧道工程监控量测实例，介绍苏家川隧道的现场监控量测工作、量测方法、量测数据处理和分析以及实行监控量测所产生的效果。关键词：监控量测 地表沉降 拱顶沉降 净空收敛1 隧道概况宝兰客运专线通渭至榆中段苏家川隧道位于定西市安定区，隧道起讫里DK929+205DK929+964，隧道长759m，为双线隧道，隧道洞深最大埋深55m。苏家川隧道地处黄土高原西北部，东河左岸，黄土梁峁区，地面高程19402000m，相对高差2060m，在水流切割侵蚀作用下冲沟发育，沟深坡陡。隧道洞身均位于直线上，洞内坡度为

2、3的单面上坡。根据设计资料隧道洞身通过的地层主要为第四系上更新统砂质黄土、砾砂、上第三系泥岩，详述如下：第四系上更新统1）砂质黄土（Q3eol3）：主要分布于梁顶，浅黄-灰黄色，厚度20-50m，土质均一，颗粒以粉粒为主，土体较疏松，垂直节理发育，虫孔及针状孔隙发育，表层含有植物根系，硬塑，级普通土，0=150kPa。2）砂砾（Q3eol5）：主要分布在隧道进口砂质黄土以下，褐色，厚2-5m，成分以石英、长石为主，中密，潮湿，级松通土，0=300kPa。3）细圆砾土（Q3ol6）：浅灰色，青灰色，厚度1-2m，主要成份为花岗岩、砂岩等，；粒径20-60mm的约占20%，2-20mm的约占60%

3、，其余为砂土充填，浑圆状，中密，饱和，级普通土，0=400kPa。第四系中更新统（Q2）1）砂质黄土（Q3eol3）：主要分布于上更新统风积砂质黄土层以下，厚度10-20m，灰黄色，土质均一，颗具虫孔及大孔隙，垂直节理发育，潮湿，硬塑，级硬土，0=180kPa。2）砾岩（Q2Pl5）:褐黄色，厚15m，成分以石英、长石为主，潮湿饱和，级松通土，0=300kPa。上第三系（N2）上第三系泥岩（N2Ms）pa；级硬土，0=300kPa；完整基岩，级软岩，0=400kPa，具若膨胀性。隧道位于陇西系内旋褶带，隧道洞身通过第四系上更新统砂质黄土，地层稳定，未见明显构造迹象。苏家川隧道进口、出口均为东河

4、的支沟，平时干涸无水，仅在暴雨季节有暂时性水流，水量一般不大。隧道洞身穿越黄土层，区内地下水主要为黄土孔隙裂隙水，赋存于第四系砂质黄土孔隙裂隙水中，区内降雨量少，地下水受大气降水季节性补给，补给条件有限。地下水对混凝土存在氯盐、硫酸盐及镁盐侵蚀性，侵蚀性等级为L2、H3和H1。2 监控量测目的现场监控量测是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术之一，其信息反馈资料是指导施工、动态设计的基础，其主要目的为：（1）及时掌握、反馈围岩力学动态及稳定程度，支护、衬砌的可靠性等信息，预测可能出现的施工隐患，防患于未然，保障围岩稳定和施工安全。（2）根据“新奥法”原理，通过围岩量测，确定初期支护和二次衬砌的

5、合理施作时间。（3）确定支护结构形式，参数和支护时间，掌握支护结构的工作状态；及时修改支护参数，优化施工方案。（4）积累经验，为施工中调整围岩级别、修改支护措施、变更施工工法方法提供参考依据。根据设计要求及实际地质情况，苏家川隧道监控量测的项目定为：洞外观察（地质及支护状况观察），隧道周边位移量测（拱顶下沉量测和水平净空收敛量测）。3 量测方法3.1 洞内、外观察采用肉眼观察、地质素描、地质罗盘量测、数码摄像记录等方法。( 1 )洞内观察。通常分为开挖工作面观察和施已施工地段观察2部分， 开挖工作面观察在每次开挖后初喷混凝土之前进行1次 ，当地质情况基本无变化时可每天进行1次，重点观察记录工作

6、面的工程地质与水文情况，并绘制 开挖面略图(地质素描)，填写工作面状态记录表及围岩级别判定卡；地质复杂地段留有影像资料，观察中发现围岩条件恶化时立即采取相应处理措施。开挖工作面地质描述图包括：地层、岩石分布、岩层走向、倾角，固结程度、风化及变质程度、软硬程度；裂隙方向及频率、填充物及性质，断层位置及走向、倾 角、破碎程度；涌水位置及涌水量，塌方位置及形态。对初期支护完成区段的观察每天至少进行1次。观察内容包括 ：锚杆。安装位置及方向；灌浆是否饱满；垫板的松紧状态； 喷射混凝土。厚度及其 与围岩密贴情况、裂纹发生位置、种类、宽度及长度；涌水处所及涌水量。钢架。架设位置是否正确，不得侵入衬砌断面；

7、背后是否与围岩密贴；背后回填不 得用土块及干砌片石，应用喷射混凝土填满。( 2 )洞外观察 重点在洞口段和洞身浅埋段。 常情况下每2天观察1次 ， 特殊情况下如洞口附近施工、雨季时，每天1次。 观察内容包括对洞口地表情况、地表沉陷裂缝、 边坡及仰坡的稳定、地表水渗透的观察，并做好记录。3.2 地表沉降量测隧洞明洞段边仰坡开挖前，在隧道出入口各设3个量测断面，间距5m，测点沿地面布置在隧道轴线及其两侧35个点，测点间距25 m（中间间距小，两边间距大），采用全站仪测量。测点埋入地表以下3050cm,采用混凝土灌注，外露钢筋头34cm。开挖前进行初始值测量，施工过程中全程监控，直到沉降稳定以后停止

8、测量。地表沉降横向测点布置示意图备注：H-隧道拱顶开挖轮廓线至地表的间距；B-隧道开挖最大净空面尺寸3.3 拱顶下沉及水平收敛量测隧道开挖后，尽可能早的在隧道的拱顶、拱肩、拱腰等部位分别埋设观测标。测量监控断面每隔5m设置，每个断面埋设11个，分别布置与拱顶中心及拱顶中心两侧水平间距2.5m处，拱顶120°加角线处、开挖最大净空断面处、内规顶面处、仰拱中心两侧水平间距4.75m处。具体布置见隧道围岩监控量测测点布置示意图。隧道围岩监控量测测点布置示意图（1）测标要求在开挖后12h内完成初读书，最迟不得大于24h且在下一循环开挖前必须完成。（2）隧道浅埋地段地表下沉的量测宜与洞内净空变

9、化和拱顶下沉量测在同一横断面内，采用全站仪量测收敛变形。（3）观测标埋设深度50 cm左右，钻孔直径同锚杆，采用早强锚固剂固定，测标表面用保护罩防护；>500mm50X50X5mm钢板20mm钢筋基岩面50mm观测标埋设示意图3.4 监控量测结束标准（1）各项量测作业均应持续到变形速率明显下降并趋于缓和；水平净空收敛小于0.2mm、拱部下沉下沉速率小于0.15mm/d。（2）施作二衬前的累计位移值达已达极限位移值的90%以上。3.5 数据采集频率根据施工开挖监控量测设计图的要求，同时为了满足数据分析的需要，测量读数的频率不得小于规范的要求，其数据采集频率见表2。表2 数据采集频率项目名称

10、量测间隔时间地质及支护状态观察每次开挖后进行水平净空收敛、拱顶下沉量、地表沉降爆破后24小时内进行5mm15mm0.51mm0.20.5mm 0.2m2次/天1次/天1次/2天1次3天1次/周4 量测数据的整理与分析监控量测小组对隧道相应断面的测点进行净空水平收敛量测及拱顶下沉的同步量测、记录，并将所有监控量测数据上传至“监测信息管理平台”，由监控平台对数据进行整理和回归分析，进行非线性回归计算，得到相应围岩的收敛速度及变形加速度，并绘制净空水平收敛时态曲线、拱顶下沉时态曲线；施工单位、监理和业主，可通过登录监控量测系统随时随地掌握隧道围岩变形情况，对隧道已支护段施工提出相应的处理措施，保证施

11、工安全；并对工作面前方未开挖部分的地质情况作出了预报，便于施工中采取事先有效的预防措施，提高工程的进度和工效。(1) 拱顶下沉量测拱顶下沉采用全站仪量测，量测断面与周边位移量测断面相对应。数据上传“监测信息管理后平台”，平台根据测量数据进行分析，绘出拱顶下沉s与时间t的对应关系，同时进行一元非线性回归计算，绘出拱顶下沉s与时间t的圆滑变化曲线，判断拱顶下沉的变化速率相对较小，变形呈收敛趋势，围岩趋于稳定。如苏家川隧道DK929+610断面拱顶下沉量测时态曲线图。苏家川隧道出口DK929+610断面拱顶下沉量测时态曲线图从隧道DK929+610断面这个具有代表性的“隧道拱顶下沉时态曲线”可以判断

12、出，该隧道拱顶下沉绝对值相对较大（在142mm左右），隧道开挖过程中围岩一直在发生着变形，7天后仰拱闭合成环，基本趋于稳定。（2）水平净空收敛量测苏家川隧道水平净空收敛均采用全站仪量测，隧道净空水平收敛量测数据上传监控量测信息系统后，系统根据测量成果绘出周边位移s与时间t的对应分散点，同时进行一元非线性回归计算，绘出周边位移s与时间t的圆滑变化曲线。如苏家川隧道出口DK929+610断面净空水平收敛时态曲线图，可判断净空水平收敛的变化速率相对较小，变形呈收敛趋势，围岩趋于稳定。苏家川隧道出口DK929+610断面净空水平收敛时态曲线图(3)地表下沉量测地表沉降量测采用全站仪，根据测量记录，对量

13、测数据进行一元非线性回归分析，作出地表下沉时态曲线。(4)回归分析在实际量测中，由于量测人员、条件等因素的限制，必然产生偶然误差，量测散点在图中呈上下波动。由于监控量测数据一般不具有线性关系，而是曲线关系，需进行一元非线性回归分析。5 结束语通过对苏家川隧道的监控量测数据分析和隧道现场施工的情况，可以得到以下主要结论：(1) 当隧道水平位移收敛速度为13mm/d,拱顶下沉位移速度5mm/d时，可以认为围岩已基本稳定。二次衬砌按承受部分围岩压力设计,应根据量测结果确定二次衬砌施作的适当时间,施作过早可能使二次衬砌承受过大的荷载，施作过迟则可能使初期支护破坏；(2)隧道围岩整体相对较差，自稳性较弱，在仰拱开挖后、未施加初期支护的情况下，其拱顶变形量比较大，说明三台阶开挖施作的初期支护发挥的作用有限，应在开挖过程中可调整台阶长度，以加快仰拱闭合时间，保证施工