西格岭隧道施工监控量测技术研究

张先军，王玉锁，叶跃忠

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031;2.西南交通大学(峨眉校区)土木工程系，四川 峨眉 614202)

1 工程概况

西格岭隧道位于西昌市经久工业园区东南端，介于张家山至李宗仁屋脊之间，是一条双线铁路隧道，全长1 160 m，围岩等级V级，最大埋深约70 m。隧址地段岩层风化严重，主要为粉砂岩、泥质粉砂岩、黏土岩及砂质黏土岩，围岩自稳能力较差、强度较低，遇水易软化，但岩层地下水欠发育，无断裂构造。

2 监控量测方案

隧道施工过程中，现场监控量测是对围岩及支护系统的稳定状态进行动态监测，为围岩级别变更、初期支护和二次衬砌的参数调整提供依据，是确保隧道施工安全、指导施工程序、便利施工管理的重要手段，也是采用新奥法施工过程中必不可少的施工环节之一。

2.1 监测内容

隧道监控量测内容分必测项目和选测项目，必测项目包括:地表沉降、洞内外观察、拱顶下沉、洞周收敛;选测项目作为必测项目的验证和补充，可根据隧道围岩性质、埋深、开挖方式等条件确定，主要包括围岩压力、钢架压力、锚杆轴力、喷混凝土内力、二次衬砌内力、孔隙水压、爆破振动和纵向位移等。

结合西格岭隧道实际地质和施工设计要求，监控量测以必测项目为重点，拟对无尺量测技术进行深入研究，必测项目测试内容及仪器如表1。

表1 必测项目测试内容及仪器

2.2 监测方法

2.2.1 地表沉降量测

隧道洞口段围岩高度风化、埋深较浅，开挖易塌陷，为确保洞口段施工安全，需进行地表沉降量测。根据西格岭隧道洞口段实际埋深，纵向布置5排地表沉降测点，间距分别为 10 m、10 m、20 m、20 m;横向每排布置9个测点，间距为2～5 m，隧道中线附近测点适当加密，两侧量测范围不小于H0+B。地表测点布设采用长为1 m，直径8～16 mm光圆钢筋，钢筋端部露出基岩2～3 cm刻十字线，以十字中心作为地表测点，同时在稳定基岩上布置2个测量基准点，以备校核。具体布置按图1所示。

2.2.2 地质及支护状况观察

图1 地表测点横向布置

观察项目包括掌子面和支护状况两方面。掌子面观察内容有:地质特征及分布情况、岩性特征、地层时代及产状、节理性质及发育程度、断层性质及破碎带状况、涌水特征等;根据观测结果每周绘制掌子面素描图并整理成册，为后期分析围岩稳定性提供依据。支护状况主要观察喷混凝土表层、锚杆及钢架工作应力状态，表面裂纹等，通过分析可直观反应支护结构的可靠程度。

2.2.3 拱顶下沉及洞周收敛

本隧道采用台阶法和CRD法施工。根据围岩级别、施工方法和隧道尺寸等，沿隧道纵向及洞周布设测点，纵向测点断面间距为10 m，洞周测点按图2布置。

图2 测点布置

布设反射膜片测点时应注意:拱墙膜片与隧道中线约60°角;拱顶膜片约30°俯视角，确保测量反射光线沿原路返回测试透镜中，消除反射误差。

2.3 监测频率及判别基准

2.3.1 监测频率

隧道采用位移速度确定的监测频率进行监测，按表2确定[1]，当位移速度出现异常情况或遇不良地质地段时，应增大监测频率。

表2 按位移速度确定的监测频率

2.3.2 判别基准

1)Ⅴ级围岩允许相对位移值为0.2% ～0.8%，位移管理等级标准[1]:Ⅰ级 U<正常施工，Ⅱ级<加强支护，Ⅲ级采取特殊措施(U—实测位移，U0—极限位移)。

2)净空变化速率持续 >1.0 mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护;净空变化速度 <0.2 mm/d 时，围岩达到基本稳定[2]。

3 数据处理及分析

3.1 数据处理

按实测数据绘制位移时程曲线和速率时程曲线。由于量测数据可能存在偶然误差，曲线波动幅度较大，用它来表示变形发展趋势是不准确的。因此需要采用数学统计知识，对实测数据进行回归分析，得到围岩最终的变化规律，指导各施工工序的进行(如确定二次衬砌、仰拱施作的合理时间、上下台阶工作面间距等)。

以DK1+080断面(台阶法施工)回归分析为例，根据以往工程经验，一般采用指数、对数及双曲线函数进行拟合［3-4］。原形公式及换算线性公式具体如下:

1)指数函数:u=Ae－B/t，转 化 为 直 线 函 数

设一般直线函数形式为y=a+bx，求出a、b值，然后换算出A、B值，详细回归参数见表3。

表3 线性回归分析参数表

图3 拱顶下沉时程曲线拟合

图4 上台阶收敛时程曲线拟合

图5 下台阶收敛曲线拟合

图6 速率实测曲线

3.2 数据分析

1)实测速率曲线直接预警施工初期险情状况。

图6中实测速率基本在(1～5)mm/d之间，监测频率应为1次/d，但前期开挖时拱顶下沉速率 >5 mm/d，应加大监测频率，确保施工安全。

2)回归分析能够避免实测数据的偶然误差，预测变形发展趋势。

图3、图4和图5反应了DK1+080断面在后续施工过程中围岩的变形趋势、稳定时间及最终位移。第41 d后洞内位移均趋于基本稳定，通过回归分析可知拱顶下沉极限位移u=74.366 mm，上台阶收敛极限值u=－23.51 mm，下台阶收敛极限u=4.1 mm。

3)下台阶收敛实测曲线，反应了仰拱紧跟施作的必要性。

图3中30 d后，拟合曲线略小于实测值;图4中30 d后，拟合曲线绝对值略大于实测值。原因是第30 d进行了下台阶开挖，隧道上部整体小幅下沉。图5反应下台阶收敛变化较复杂，很难采用某种单一曲线拟合(图示拟合不理想)预测发展趋势。图5中第37 d下台阶开挖完成，断面净空加大，位移呈直线增长。为保证施工安全，第41 d紧跟施作仰拱形成圆环，断面支护强度大大提高，围岩变化趋势迅速稳定。

4)全断面分析。

4 结论及建议措施

隧道洞内变形及地表沉降监测获得的数据是可靠的，将时程曲线与围岩等级、施工方法、支护结构及埋深等结合分析，可迅速反馈围岩稳定状况、支护参数和施工方法的合理情况，对调整设计参数具有重要意义。

动态监测表明，西格岭隧道围岩条件较差、风化严重、变形较大及地下水等，施工中应减小上下台阶工作面间距;降低循环进尺，适当缩小钢拱架间距、加强超前支护;每个施工循环，掌子面开挖工序完成应喷浆封闭围岩，减小该循环其它工序对围岩的扰动;下台阶开挖，上部钢架应加强锁脚锚管措施，防止围岩整体下沉，同时紧跟施作仰拱，尽早成环;施工中加强洞内外排水措施，避免岩体软化;特殊地段可以提前施作二次衬砌，保证隧道安全通过。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10121—2007 铁路隧道监控量测技术规程［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10204—2002 铁路隧道施工规范［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10108—2002 铁路隧道喷锚构筑法技术规范［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

[4] 于廷新，佴磊，于炎鑫.基于两步分级法和现场监控量测的隧道围岩稳定性研究［J］.铁道建筑，2009(12):43-45.