隧道监控量测要点分析

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来源：《价值工程》2015年第10期

        摘要： 为确保隧道工程施工安全、施工质量和结构的长期稳定性，本文结合向莆铁路某隧道施工状况，重点阐述了Ⅴ类围岩采用三台阶七步开挖法施工阶段的监控量测，为二衬施工提供重要的科学依据。

        Abstract： In order to ensure the construction safety， construction quality and long-term stability of structure of the tunnel project， combined with the construction condition of a tunnel construction of Xiangtang-Putian Railway， this paper expounds the monitoring and measurement of V-type surrounding rock by three-step and seven-step excavation method in construction phase to provide important scientific basis for the second lining construction.

        关键词： 隧道工程;监控量测;数据分析、处理、反馈;预警值

        Key words： tunnel project;monitoring and measurement;data analysis， processing and feedback;warning value

        1; 监控量测目的

        把量测结果反映到设计施工中的目的，首先是确认施工的安全性，其次是提高工程的经济性。现场监控量测是新奥法施工的三大要素之一，是复合式衬砌设计、施工的核心技术。通过施工现场监控量测监视围岩变化，掌握支护结构在施工过程的力学状态和稳定程度，确保施工安全。为确定二次衬砌和仰拱施作时机，了解和掌握围岩变化规律，评价和修改支护参数及施工方法。为最终稳定时间等提供信息依据，并为以后设计、施工积累资料。因本隧道开挖断面大，必须加强围岩及支护的施工监控量测工作，并贯穿于施工全过程。其目的是：

        1.1 提供监控设计的依据和信息。掌握围岩力学形态的变化和规律，掌握支护的工作状态。

        1.2 指导施工，预报险情。作出工程预报，确立施工对策，做到监视险情、安全施工。

        1.3 通过回归分析，确定围岩变形收敛的准确时间和最大变形量，为隧道二次衬砌的施工时间提供一个科学依据。

        2; 监控量测人员及设备配备

        根据股司工（2011）103号《关于加强隧道工程监控量测管理工作的通知》及股司工（2011）110号《关于隧道施工组织管理的强制性规定》相关规定配备人员及设备。

        2.1 由向莆铁路项目经理部组建专门监控量测队，负责洋门隧道、梨壁山隧道、南洋隧道及南洋二号隧道施工的监控量测。

        2.2 监控量测队在项目总工程师的领导下开展工作，不得从事与监控量测无关的其它工作。

        2.3 根据项目规模，设置监控量测队长1名，下设2个监测小组（洋门隧道和梨壁山隧道为第1小组，人员配置3人;南洋隧道和南洋二号隧道为第2小组，人员配置3人），每个监测小组至少一名具有测量工证书的专业量测人员。

        2.4 监控量测小组配备精密水准仪、全站仪、收敛计、高空作业车等监控量测作业所需设备。

        3; 监控量测工作内容及量测方法

        3.1 监控量测的工作内容

        ①监控量测项目包括必测项目与选测项目。必测项目有：拱顶下沉、净空变化、地表沉降（隧道浅埋段）;选测项目为：围岩压力、围岩位移、钢架内力、锚杆轴力等，本标段。

        ②拱顶下沉、净空变化测点应在距开挖面2m的范围内尽快安设，并应保证爆破后24h内或下一次爆破前测读初次读数。拱顶下沉测点与净空变化测点应布置在同一断面，净空变化测点每个断面至少布置2对。量测断面间距III级围岩为30-50m、IV级围岩不得大于10m、V级围岩不得大于5m。

        ③隧道浅埋段地表沉降测点应在隧道开挖前布设，地表沉降测点和隧道内测点应布置在同一断面里程。地表沉降测点纵向间距为5-50m，根据隧道埋深与开挖宽度进行确定;地表沉降测点横向间距为2-5m，在隧道中线附近测点应适当加密，隧道中线两侧量测范围不应小于隧道埋深与隧道开挖宽度之和。

        ④对于选测项目，监控量测断面与测点按照设计与业主要求进行布置。

        ⑤监控量测测点的测试频率应根据围岩和支护的位移速率及测点距开挖面的距离确定，并应符合《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121—2007）的要求。

        ⑥洞内监控量测点测点的加工与埋设。

        洞内观测点，统一采用40cm长Φ22螺纹钢，在端头处焊接三角形挂钩，便于准确测量。样式如图1。

        拱顶下沉量测及净空变化量测的测线布置示意图（全断面开挖、上下台阶开挖、三台阶七步开挖及双侧壁开挖）如图2。

        3.2 监控量测方法; 重点阐述拱顶下沉和净空变化的量测方法：

        3.2.1 水准仪测拱顶下沉。在地表稳定处设一固定点并引入高程，即采用可水准仪（挂钢尺）或全站仪进行拱顶下沉的观测，本隧道采用水准仪（挂钢尺）进行拱顶下沉观测。

        3.2.2 收敛仪测隧道周边相对位移

        ①隧道开挖后，围岩向坑道方向的位移是围岩动态的最显著表现，最能反映出围岩的稳定性。因此对周边位移的量测是最直接、最直观、最有意义、最经济的量测项目。本隧道周边位移采用电子收敛仪量测其中两点之间的相对位移值，来反映围岩的动态。

        ②数据整理。量测数据整理包括数据计算、列表或绘图表示各种关系。

        1）坑道周边相对位移计算式为：

        μi=Ri-R0

        式中：R0-初始观测值;Ri-第i次观测值;μi-第i次观测时，该两点间的相对位移。

        2）测尺为普通钢尺时，要消除温度影响，当温度变化大时，应进行温度改正，其计算式为：

        μit=αL（ti-t0）

        μi=Ri-R0-△μit

        式中：α-钢尺的线膨胀系数，一般取α=12×10-6/℃;L-测量基线长;ti-t0-测量时与初测的温度差。

        3）绘制位移μ-时间t关系曲线图或位移速度v-时间t关系曲线。

        3.2.3 测点测设频率如表1。

        3.2.4 正确掌握隧道掘进频率，开挖完成后尽快埋设测点，并测取初读数，要求在12小时内完成，测点要尽量靠近开挖断面，要求在2m范围以内。整个过程做好记录，并随时检查有无错误。记录内容应包括断面位置、测点编号、初始读数、各次测试读数、当时温度、以及开挖面距量测断面距离等。

        3.2.5 量测结束时间。考虑到项目部监控量测的实际操作目的和意义，监控量测的结束时间定为：当净空变形速率

        4; 监测资料整理、数据分析及反馈

        在取得监测数据后，及时由专业监测人员整理分析监测数据。结合围岩、支护受力及变形情况，进行分析判断，将实测值与允许值进行比较，及时绘制各种变形或应力～时间关系曲线，预测变形发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况，并将结果及时反馈给项目总工程师、设计、监理，从而实现动态设计、动态施工。

        4.1 根据量测数据绘制位移u与时间t和速率v与时间t的关系曲线 ，采用在Excel表格中输入量测结果，并利用其图表功能自动生成曲线图，能保证量测数据与曲线同步，更能及时、直观地得到围岩变化情况。

        4.2 反映围岩变化函数曲线主要用以下三种曲线函数进行线性回归计算：

        ①指函数：u=A*e（-B/T），将其转化为直线函数：

        1nu=1nA+（-B）*1/t。

        ②对数函数：u=A+B/Lg（1+t），将其转化为直线函数：

        u=A+B*[1/Lg（1+t）]。

        ③双曲线函数：u=t/（A+B*t），将其转化为直线函数：

        1/u=B+A*1/t。

        4.3 对量测数据进行三种曲线函数回归分析后，根据三种曲线方程的相关系数r，取r最趋近于1的曲线方程代表所分析测点数据变化情况，一般情况选择曲线函数的相对系数r的绝对值应大于0.9。

        4.4 以位移u-时间t曲线为基础，根据位移、位移速率等分析，评定围岩和支护的稳定性。

        4.5 当位移急剧增加，每天相对净空变化量超过1mm时，应重点进行观测，并密切关注支护结构的变化。

        4.6 当位移、周边收敛、拱顶下沉量达到最大变形量的80～90%，收敛速率<0.1～0.2mm/d，拱顶下沉速率<0.07～0.15mm/d，可认为围岩基本稳定，可施作二次衬砌。

        5; 预警值出现后采取的措施

        施工过程中如发生监测数据突变或监测结果超出预警值时：

        ①立即停止开挖掘进，对掘进面采取加强支护措施;

        ②立即上报项目部，由项目总工程师组织技术人员进行分析，制定相关措施，并将情况及时上报业主和监理、设计单位，由监理主持召开会议进行分析，确定处理措施;

        ③对发生突变地表道路和建筑物等实施24小时监控;

        ④如涉及地表安全，立即请相关部门协助，采取疏解交通等有效措施;

        ⑤请业主组织设计、施工、监理等部门共同制定应对措施。

        6; 实例应用

        6.1 工程概述; 向莆铁路某隧道起于福建永泰县葛岭镇台口村，止于福建永泰县葛岭镇溪西村，隧道长4049m，为单洞双线隧道;隧道进口里程FKD501+009，内轨顶面标高54.585，出口里程FDK505+058，内轨顶面标高76.854m;其中FDK503+150处是全隧道埋深最大处埋深约463m。其中Ⅱ级围岩3470m占隧道总长的85.7%;Ⅲ级围岩260m占隧道总长的6.4%;Ⅳ级围岩217m占隧道总长的5.4%;Ⅴ级围岩102m占隧道总长的2.5%。施工严格按照“先支护、后开挖、短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的原则进行开挖施工。施工过程中严格控制超挖、欠挖，初期支护及时可靠，同时加强监控量测，及时处理分析量测数据，调整支护参数。

        量测数据经三种曲线函数分析对比后，本隧道采用对数曲线函数进行计算、分析。

        6.2 南洋隧道FDK501+055断面拱顶下沉、拱腰及边墙净空收敛数据分析

        6.2.1 拱顶沉降数据回归分析。根据现场实测沉降数据，采用对数函数U=A+B/log（1+t）转化直线函数U=A+B.【1/log（1+t）】分析。

        6.2.2 下沉量（U）-时间（t）关系曲线，下沉速率（v）-时间（t）关系曲线如图3。

        分析结论：该点位于V类围岩段，通过监测结果分析，变形量已趋于稳定，变形速率逐渐减小，末连续两次量测变形速率<0.15mm/d，隧道初期支护结构变形在控制值范围内，结构安全，围岩已基本稳定。

        6.2.3 拱腰位移数据回归分析。根据现场实测位移数据，采用对数函数U=A+B/log（1+t）转化直线函数U=A+B.【1/log（1+t）】分析。（表3）

        6.2.4 变形量（U）-时间（t）关系曲线，下沉速率（v）-时间（t）关系曲线。（图4）

        分析结论：该点位于Ⅴ围岩段，通过监测结果分析，变形量已趋于稳定，变形速率逐渐减小，末连续两次量测变形速率<0.2mm/d，隧道初期支护结构变形在控制值范围内，结构安全，围岩已基本稳定。

        6.2.5 边墙位移数据回归分析。根据现场实测位移数据，采用对数函数U=A+B/log（1+t）转化直线函数U=A+B.【1/log（1+t）】分析。（表4）

        6.2.6 变形量（U）-时间（t）关系曲线，下沉速率（v）-时间（t）关系曲线。（图5）

        分析结论：该点位于Ⅴ围岩段，通过监测结果分析，变形量已趋于稳定，变形速率逐渐减小，末连续两次量测变形速率<0.2mm/d，隧道初期支护结构变形在控制值范围内，结构安全，围岩已基本稳定。

        6.2.7 观测结论

        ①拱顶下沉：本段时间最大下沉速率3.3mm/d，最大积累为30.70mm，下沉速率

        ②结构收敛：拱腰最大变形速率为4.13mm/d，最大累积为39.34mm，变形速率

        7; 结束语

        本文结合向莆铁路某隧道详细介绍了监控量测的量测及数据分析、处理、反馈及预警值出现的处理措施;从观测数据来分析，已了解和掌握本隧道围岩变化规律，为最终稳定时间提供信息依据，这些实际的经验对于后续隧道的指导施工、预报险情和提供施作二衬的时机都有很重要的参考意义。

        参考文献：

        [1]TB 10121-2007，铁路隧道监控量测技术规程.

        [2]中国中铁总公司.铁路隧道监控量测标准化管理实施意见.

        [3]股司工（2011）103号.关于加强隧道工程监控量测管理工作.

        [4]股司工（2011）110号.关于隧道施工组织管理的强制性规定.