黄土隧道中监控量测的应用

周飞 张骞 李伟松

0 引言

黄土是第四系堆积的陆相沉积物，其特点是具有大孔隙、有垂直节理和管状孔道，天然含水量时强度较高，能维持很高的垂直边坡，但遇水时土颗粒崩解，表现为较强的湿陷性，黄土在我国有着广泛的分布，分布面积为64万km2，占国土面积的6.3%。由于黄土分布的广泛性和典型的工程特性，历来受到工程界和学术界的重视。

1 工程概况

本项目的依托工程为丹(东)拉(萨)国道主干线西宁过境公路西段大有山隧道。隧址区地貌单元属黄土塬梁地貌，进口段为北川河西岸Ⅲ级阶地地貌，地形呈阶梯状起伏，台面平整;出口端为黄土塬梁深切沟谷斜坡地貌，坡面陡峻，坡度在45°～50°;在左K2+960～K3+180或右K3+080～K3+240洞身段为深切“U”沟谷，现地形宽缓，沟床有二三十米厚的素土碾压夯实垫层。隧道长度左线为2 560 m，右线为2 535 m，隧道按高速公路双向四车道分离式隧道设计。

2 监测依据

施工按照JTG F60-2009公路隧道施工技术规范(以下简称《规范》)[1]的有关规定进行隧道周边位移和拱顶下沉以及其他一些必要项目的量测工作。

3 监控量测的主要目的

隧道施工中的监控量测，按《规范》规定和图纸要求，确定必测项目和选测项目。

通过对隧道典型断面测点位移、应变、应力等的量测，以及对围岩、支护受力后表现的观察，实时掌握隧道掘进中地质条件变化对支护结构受力性状的影响，为改变施工方法、变更支护参数提供可靠的依据。

3.1 必测项目

1)洞内外观察(地质及支护状态观察)。工作要求:观察地表沉降、工作面状态、围岩变形、围岩风化变质情况、节理裂隙、断层分布和形态、地下水情况以及喷射混凝土的效果。

2)周边位移及拱顶下沉量测。工作要求:量测隧道断面的收敛情况，包括量测拱顶下沉、净空水平收敛。

根据《规范》第9.2.4条要求，各类监测断面间距按以下要求布置:

监测断面设置间隔为:洞口段10 m，洞身段15 m。隧道左线全长2 560 m，隧道右线全长2 535 m，周边收敛累计400个断面，拱顶下沉与周边收敛相同，累计400个断面。锚杆抗拔力试验240根，地表下沉根据实际情况布设。

a.净空水平收敛量测。收敛值是指已知两测点间在某时间段内距离的改变量。令 t1时刻观察值为 R1，t2时刻观测值为R2，则收敛值Δu=R1-R2，此值除以时间差Δt=t2-t1，即为收敛速度。

大有山某测面周边收敛随时间变化曲线见图1。

如图1所示，周边收敛大致经历三个阶段，即加速收敛、缓慢收敛、稳定阶段。此测面总的变形量很小，且快速收敛。

b.拱顶下沉量测。拱顶下沉量的大小，根据测线 a，b，c的实测值并利用三角形面积公式换算求得，见图2。

拱顶下沉量:Δh=h1-h2。

其中，a，b，c均为前次测量 A线，B线，C线所得的实测值;a′，b′，c′均为后次测量 A 线，B线，C 线所得的实测值。

每个断面在拱顶上布置3个测点，分别为3，6，7，它们的计算公式等同于式(1)，式(2)，式(3)。

该方法测量拱顶下沉能使测量精度达到与净空水平收敛相同的水平，从而能更准确的观测微小的变化，有利于提高分析判断的准确性。

拱顶下沉的典型沉降随时间变化曲线见图3。

如图3所示，开挖动工后，拱顶各个测点开始时增长速度较快，一周后增速则有所减慢，拱顶下沉变化速率也逐渐减慢，历时20 d后各测点都趋于稳定，总体上都处于可控状态内。

3)数据处理和应用。进行监控量测并取得数据后，监测人员及时整理分析量测数据，并结合施工步骤、支护等进行分析判断，将实测数据与允许值进行比较，具体的处理方法为:a.根据仪器特点进行温度校正后，计算位移值，随后绘制位移—时间图、位移速度—时间图、位移加速度—时间图，并根据回归分析推算位移趋势，分析速率变化、加速度变化趋势。对量测数据处理结果分析判断后，及时向相关部门提交量测结果。b.当位移—时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律;当位移—时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视围岩动态并加强支护，必要时暂停开挖;当位移速率无明显下降，而此时实测位移值已接近表列数值，或者喷层表面出现明显裂缝时，应立即采取补强措施，并及时调整原支护设计参数或开挖方法。

通过以上步骤将量测所采集的数据经过严密的科学方法解析后反馈到设计施工中，对设计及施工的内容进行有针对性的修改，从而为更安全、有效、经济的施工提供了可靠的保障。

3.2 选测项目

结合各隧道的具体地质情况和施工设计来制定该地域的选测项目，隧道选测项目包括洞口浅埋段地表沉降监测、围岩与喷层接触压力监测和钢支撑(格栅支撑)内力监测等。

4 结语

监控量测作为新奥法的三大核心之一，它不仅能评价施工方法的可行性及设计参数的合理性，而且能及时的反映黄土隧道中围岩和支护形式的受力及变形状态，更能根据采集到的数据配合施工现场的情况对可能发生的滑坡、偏压甚至坍塌等危害隧道施工进程的不良现象起到防微杜渐的作用。因此，它是保障黄土隧道修建成功的关键因素，更是隧道施工领域里不可多得的珍宝。

[1] JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范[S].

[2] 李东平.大断面黄土隧道施工技术探讨[J].山西建筑，2008，34(5):329-331.