1、隧道工程監控量測技術的應用（中水四局 朱廣瓊 劉培玉 王福鼎）摘 要：根據寶雞至蘭州客運專線十標段蘇家川隧道工程監控量測實例，介紹蘇家川隧道的現場監控量測工作、量測方法、量測數據處理和分析以及實行監控量測所產生的效果。關鍵詞：監控量測 地表沉降 拱頂沉降 凈空收斂1 隧道概況寶蘭客運專線通渭至榆中段蘇家川隧道位于定西市安定區，隧道起訖里DK929+205DK929+964，隧道長759m，為雙線隧道，隧道洞深最大埋深55m。蘇家川隧道地處黃土高原西北部，東河左岸，黃土梁峁區，地面高程19402000m，相對高差2060m，在水流切割侵蝕作用下沖溝發育，溝深坡陡。隧道洞身均位于直線上，洞內坡度為

2、3的單面上坡。根據設計資料隧道洞身通過的地層主要為第四系上更新統砂質黃土、礫砂、上第三系泥巖，詳述如下：第四系上更新統1）砂質黃土（Q3eol3）：主要分布于梁頂，淺黃-灰黃色，厚度20-50m，土質均一，顆粒以粉粒為主，土體較疏松，垂直節理發育，蟲孔及針狀孔隙發育，表層含有植物根系，硬塑，級普通土，0=150kPa。2）砂礫（Q3eol5）：主要分布在隧道進口砂質黃土以下，褐色，厚2-5m，成分以石英、長石為主，中密，潮濕，級松通土，0=300kPa。3）細圓礫土（Q3ol6）：淺灰色，青灰色，厚度1-2m，主要成份為花崗巖、砂巖等，；粒徑20-60mm的約占20%，2-20mm的約占60%

3、，其余為砂土充填，渾圓狀，中密，飽和，級普通土，0=400kPa。第四系中更新統（Q2）1）砂質黃土（Q3eol3）：主要分布于上更新統風積砂質黃土層以下，厚度10-20m，灰黃色，土質均一，顆具蟲孔及大孔隙，垂直節理發育，潮濕，硬塑，級硬土，0=180kPa。2）礫巖（Q2Pl5）:褐黃色，厚15m，成分以石英、長石為主，潮濕飽和，級松通土，0=300kPa。上第三系（N2）上第三系泥巖（N2Ms）pa；級硬土，0=300kPa；完整基巖，級軟巖，0=400kPa，具若膨脹性。隧道位于隴西系內旋褶帶，隧道洞身通過第四系上更新統砂質黃土，地層穩定，未見明顯構造跡象。蘇家川隧道進口、出口均為東河

4、的支溝，平時干涸無水，僅在暴雨季節有暫時性水流，水量一般不大。隧道洞身穿越黃土層，區內地下水主要為黃土孔隙裂隙水，賦存于第四系砂質黃土孔隙裂隙水中，區內降雨量少，地下水受大氣降水季節性補給，補給條件有限。地下水對混凝土存在氯鹽、硫酸鹽及鎂鹽侵蝕性，侵蝕性等級為L2、H3和H1。2 監控量測目的現場監控量測是新奧法復合式襯砌設計、施工的核心技術之一，其信息反饋資料是指導施工、動態設計的基礎，其主要目的為：（1）及時掌握、反饋圍巖力學動態及穩定程度，支護、襯砌的可靠性等信息，預測可能出現的施工隱患，防患于未然，保障圍巖穩定和施工安全。（2）根據“新奧法”原理，通過圍巖量測，確定初期支護和二次襯砌的

5、合理施作時間。（3）確定支護結構形式，參數和支護時間，掌握支護結構的工作狀態；及時修改支護參數，優化施工方案。（4）積累經驗，為施工中調整圍巖級別、修改支護措施、變更施工工法方法提供參考依據。根據設計要求及實際地質情況，蘇家川隧道監控量測的項目定為：洞外觀察（地質及支護狀況觀察），隧道周邊位移量測（拱頂下沉量測和水平凈空收斂量測）。3 量測方法3.1 洞內、外觀察采用肉眼觀察、地質素描、地質羅盤量測、數碼攝像記錄等方法。( 1 )洞內觀察。通常分為開挖工作面觀察和施已施工地段觀察2部分， 開挖工作面觀察在每次開挖后初噴混凝土之前進行1次 ，當地質情況基本無變化時可每天進行1次，重點觀察記錄工作

6、面的工程地質與水文情況，并繪制 開挖面略圖(地質素描)，填寫工作面狀態記錄表及圍巖級別判定卡；地質復雜地段留有影像資料，觀察中發現圍巖條件惡化時立即采取相應處理措施。開挖工作面地質描述圖包括：地層、巖石分布、巖層走向、傾角，固結程度、風化及變質程度、軟硬程度；裂隙方向及頻率、填充物及性質，斷層位置及走向、傾 角、破碎程度；涌水位置及涌水量，塌方位置及形態。對初期支護完成區段的觀察每天至少進行1次。觀察內容包括 ：錨桿。安裝位置及方向；灌漿是否飽滿；墊板的松緊狀態； 噴射混凝土。厚度及其 與圍巖密貼情況、裂紋發生位置、種類、寬度及長度；涌水處所及涌水量。鋼架。架設位置是否正確，不得侵入襯砌斷面；

7、背后是否與圍巖密貼；背后回填不 得用土塊及干砌片石，應用噴射混凝土填滿。( 2 )洞外觀察 重點在洞口段和洞身淺埋段。 常情況下每2天觀察1次 ， 特殊情況下如洞口附近施工、雨季時，每天1次。 觀察內容包括對洞口地表情況、地表沉陷裂縫、 邊坡及仰坡的穩定、地表水滲透的觀察，并做好記錄。3.2 地表沉降量測隧洞明洞段邊仰坡開挖前，在隧道出入口各設3個量測斷面，間距5m，測點沿地面布置在隧道軸線及其兩側35個點，測點間距25 m（中間間距小，兩邊間距大），采用全站儀測量。測點埋入地表以下3050cm,采用混凝土灌注，外露鋼筋頭34cm。開挖前進行初始值測量，施工過程中全程監控，直到沉降穩定以后停止

8、測量。地表沉降橫向測點布置示意圖備注：H-隧道拱頂開挖輪廓線至地表的間距；B-隧道開挖最大凈空面尺寸3.3 拱頂下沉及水平收斂量測隧道開挖后，盡可能早的在隧道的拱頂、拱肩、拱腰等部位分別埋設觀測標。測量監控斷面每隔5m設置，每個斷面埋設11個，分別布置與拱頂中心及拱頂中心兩側水平間距2.5m處，拱頂120°加角線處、開挖最大凈空斷面處、內規頂面處、仰拱中心兩側水平間距4.75m處。具體布置見隧道圍巖監控量測測點布置示意圖。隧道圍巖監控量測測點布置示意圖（1）測標要求在開挖后12h內完成初讀書，最遲不得大于24h且在下一循環開挖前必須完成。（2）隧道淺埋地段地表下沉的量測宜與洞內凈空變

9、化和拱頂下沉量測在同一橫斷面內，采用全站儀量測收斂變形。（3）觀測標埋設深度50 cm左右，鉆孔直徑同錨桿，采用早強錨固劑固定，測標表面用保護罩防護；>500mm50X50X5mm鋼板20mm鋼筋基巖面50mm觀測標埋設示意圖3.4 監控量測結束標準（1）各項量測作業均應持續到變形速率明顯下降并趨于緩和；水平凈空收斂小于0.2mm、拱部下沉下沉速率小于0.15mm/d。（2）施作二襯前的累計位移值達已達極限位移值的90%以上。3.5 數據采集頻率根據施工開挖監控量測設計圖的要求，同時為了滿足數據分析的需要，測量讀數的頻率不得小于規范的要求，其數據采集頻率見表2。表2 數據采集頻率項目名稱

10、量測間隔時間地質及支護狀態觀察每次開挖后進行水平凈空收斂、拱頂下沉量、地表沉降爆破后24小時內進行5mm15mm0.51mm0.20.5mm 0.2m2次/天1次/天1次/2天1次3天1次/周4 量測數據的整理與分析監控量測小組對隧道相應斷面的測點進行凈空水平收斂量測及拱頂下沉的同步量測、記錄，并將所有監控量測數據上傳至“監測信息管理平臺”，由監控平臺對數據進行整理和回歸分析，進行非線性回歸計算，得到相應圍巖的收斂速度及變形加速度，并繪制凈空水平收斂時態曲線、拱頂下沉時態曲線；施工單位、監理和業主，可通過登錄監控量測系統隨時隨地掌握隧道圍巖變形情況，對隧道已支護段施工提出相應的處理措施，保證施

11、工安全；并對工作面前方未開挖部分的地質情況作出了預報，便于施工中采取事先有效的預防措施，提高工程的進度和工效。(1) 拱頂下沉量測拱頂下沉采用全站儀量測，量測斷面與周邊位移量測斷面相對應。數據上傳“監測信息管理后平臺”，平臺根據測量數據進行分析，繪出拱頂下沉s與時間t的對應關系，同時進行一元非線性回歸計算，繪出拱頂下沉s與時間t的圓滑變化曲線，判斷拱頂下沉的變化速率相對較小，變形呈收斂趨勢，圍巖趨于穩定。如蘇家川隧道DK929+610斷面拱頂下沉量測時態曲線圖。蘇家川隧道出口DK929+610斷面拱頂下沉量測時態曲線圖從隧道DK929+610斷面這個具有代表性的“隧道拱頂下沉時態曲線”可以判斷

12、出，該隧道拱頂下沉絕對值相對較大（在142mm左右），隧道開挖過程中圍巖一直在發生著變形，7天后仰拱閉合成環，基本趨于穩定。（2）水平凈空收斂量測蘇家川隧道水平凈空收斂均采用全站儀量測，隧道凈空水平收斂量測數據上傳監控量測信息系統后，系統根據測量成果繪出周邊位移s與時間t的對應分散點，同時進行一元非線性回歸計算，繪出周邊位移s與時間t的圓滑變化曲線。如蘇家川隧道出口DK929+610斷面凈空水平收斂時態曲線圖，可判斷凈空水平收斂的變化速率相對較小，變形呈收斂趨勢，圍巖趨于穩定。蘇家川隧道出口DK929+610斷面凈空水平收斂時態曲線圖(3)地表下沉量測地表沉降量測采用全站儀，根據測量記錄，對量

13、測數據進行一元非線性回歸分析，作出地表下沉時態曲線。(4)回歸分析在實際量測中，由于量測人員、條件等因素的限制，必然產生偶然誤差，量測散點在圖中呈上下波動。由于監控量測數據一般不具有線性關系，而是曲線關系，需進行一元非線性回歸分析。5 結束語通過對蘇家川隧道的監控量測數據分析和隧道現場施工的情況，可以得到以下主要結論：(1) 當隧道水平位移收斂速度為13mm/d,拱頂下沉位移速度5mm/d時，可以認為圍巖已基本穩定。二次襯砌按承受部分圍巖壓力設計,應根據量測結果確定二次襯砌施作的適當時間,施作過早可能使二次襯砌承受過大的荷載，施作過遲則可能使初期支護破壞；(2)隧道圍巖整體相對較差，自穩性較弱，在仰拱開挖后、未施加初期支護的情況下，其拱頂變形量比較大，說明三臺階開挖施作的初期支護發揮的作用有限，應在開挖過程中可調整臺階長度，以加快仰拱閉合時間，保證施工