浅埋偏压且围岩破碎隧道的施工监控量测

顾 纲

（中交四航第二工程有限公司，广州 510000）

1 工程概况

1.1 概况

本隧道位于白腊寨－广南区间，双线隧道，左右线线间距为4.6m，设计为15.5‰的单面上坡，全隧除DK416＋109－DK417＋587.013段位于半径R＝9000m的右偏曲线上，其余段均为直线.进口里程为DK416＋109，出口里程为DK418＋773，全长2664m.围岩分布情况：明洞段96m，II级围岩285 m，III级围岩395m，IV级围岩695m，V级围岩1150m.

1.2 水文地质条件

本区间属构造剥蚀、溶蚀低中山地貌，基岩多为裸露.覆盖层为第四系全新统坡残积洪黏土、角砾土，下伏基岩为灰岩、白云岩、白云质灰岩.二叠系下统（T1I）泥岩、页岩、砂岩，砂岩为深灰色，细粒结构，薄－中层状，泥钙质胶结；页岩为灰色，泥质结构，页理发育；泥岩为褐黄色、棕红色，泥质，粉砂，块状构造.地表岩溶发育中等－强烈，岩溶形态为岩溶洼地、溶沟、溶槽、垂直岩溶管隙等.含岩溶水、裂隙水，地下水发育.围岩自稳性差，隧道正常涌水量为5×104m3／d，雨季最大涌水量为10.2×104m3／d，地下水对砼无侵蚀性，地震动峰值加速度为0.05g［1］.

1.3 施工方法

进口处于暗挖浅埋段，采用单压明洞式洞门，DK416＋109－DK416＋187段采用V级偏压明洞；Ⅴ级围岩采用管棚注浆或小导管注浆超前支护留核心土环状开挖法施工，人工开挖或弱爆破开挖；Ⅳ级围岩采用台阶法施工.

2 监控量测内容及量测断面布置

2.1 量测内容及量测频率

隧道监控量测工作内容，可分为直接指导工程施工的必测项目和进行科学研究的选测项目两部分内容，其两者相辅相成.必测项目中的量测数据，有的可以直接为隧道施工服务，如地表沉降量测，有的是通过利用类比的方法判别承载结构是否稳定，如拱顶下沉、周边位移.选测项目是着重对承载结构内部各种作用机理可以量化的部分得出相关数据，为以后理论研究提供原始数据，同时为评价承载结构受力状况提供参考.根据高坡隧道进口地段的地质、水文特性以及施工要求，量测内容的重点主要为目测、拱顶下沉、周边位移；另外，由于隧道洞口围岩均为V级浅埋且山体偏压，又加上围岩松散破碎且强度底，自稳能力差，岩性变化大，如施工工艺不当易造成围岩失稳而坍塌，因此在隧道洞口进行了地表沉降的量测.具体的量测内容及频率见表1.

表1 高坡隧道（进口段）主要监控量测项目及量测频率

2.2 测点布设

代表性断面以及测点的布设的选取，是监控量测的首要工作.根据《TB10121－2007铁路隧道监控量测技术规程》要求［1］，在施工过程中，按照规程布置测点.高坡隧道进口段设计中将拱顶下沉和围岩净空收敛量测的断面间距初步定为V级均为5m；根据隧道围岩偏压、浅埋的实际情况，且围岩呈强风化松散破碎状，故其布点均严格按规范进行.现场图示及各测点的布置如图1、图2、图3所示.

3 监控量测数据采集及分析

3.1 数据采集

为了能对围岩及支护结构的性态作较全面的分析，并且能获得完整的数据，同时又使各项数据间能相互比较、相互验证，因此各项量测内容应尽量布置在同一个断面上.各量测断面的测点应在靠近开挖面及时安装，范围控制在2m以内，并在工作面开挖后12h内和下一次开挖之前测取初始读数.在实际的安装埋设中，有时因为施工干扰或避免测点遭到破坏，测点安装位置会离开挖面远些，但在利用此数据分析判别时，应考虑围岩初期的变形释放.量测频率也可以根据施工具体情况调整，由产生的最大位移速率来确定.

3.1.1 目测

目测是新奥法施工中必测项目之一，对于监视围岩稳定性是既省事又作用很大，它可以获得很直观的围岩相关信息，具有重要的指导作用，其实际意义在于及时发现异常，做好下一步的分析及预测准备工作.其主要观察内容为：调查了解开挖面的工程地质及水文地质条件、目视初期支护状态及地表变化状况，做好记录或绘出草图.

3.1.2 拱顶下沉观测及周边收敛量测

通常情况下，浅埋偏压隧道的拱顶下沉是判断围岩是否稳定的重要标志.拱顶下沉会向上传至地表，地表点的下沉值一般比拱顶点的下沉值要小，而围岩又破碎时，地表下沉值接近于拱顶下沉值而形成整体下沉.通过测定拱顶点的变化情况，即可判断隧道的稳定性.采用全站仪读取每天的相对沉降数值，具体操作如下：在洞内布设好测点，在三角铁片上固定好反光片.于稳定区域设置一后视基点，用以架设棱镜，固定棱镜高度为1.4m.选定合适位置做为仪器摆放位置，量取棱镜中心点到反光片中点的相对高程差，连续测取三次读数，取平均值即为前后两次的沉降值.这样可避免因读取绝对高程值带来的数值误差，又利用全站仪可自动修正角度值的特点，从而形成两点共线的射线原理.而周边收敛的量测，则直接利用全站仪的折射特点，进行折线量测，既简单方便又读值精准可靠.而后，也还可以利用数显式收敛计进行数值验证.经过一段时期的观测后，再进行数据分析.

3.1.3 地表沉降观测

由于该处是偏压隧道洞口浅埋段，埋深仅25m，且围岩松散、层状节理全发育，自稳性极差，故地表观测极其重要.为了保证测量能迅速、准确读值且测量误差降至最低，地表沉降观测点采用免棱镜贴反光片，运用全站仪射线程序测值.

3.2 数据分析及应用

施工过程中应进行监控量测数据的实时分析和阶段分析.实时分析主要对当日量测之异常数据进行分析，从而对施工提出建议和采取措施，对日常量测数据做出安全与稳定判别；阶段分析则是集较长一段时期以来的观测数值，用以进行回归分析，从而指导施工工序的进行和设计参数的合理调整［2－7］.本文主要对阶段分析进行论述.

隧道开工后，组织监控量测小组开展观测工作.由于监测时期较长，数据繁多，现只选取具有代表性强的DK416＋235断面开挖后近一月来的观测数值进行分析，该断面观测的周边收敛和拱顶沉降累计值如表2所示.

表2 高坡隧道进口（DK416＋235）断面拱顶沉降及周边收敛观测累计值U－T表

根据上表数据得到的周边收敛与拱顶沉降曲线如图4所示.测取数据显示，在隧道开挖后，测值变化较大，应力释放突显.而开挖4～5天后便渐趋稳定状态，且持续有一周左右时间，故此段时期为最佳支护期.施工应在此时段内组织人手尽快完成隧道的环向闭合，以使围岩应力释放与结构支撑达到平衡状态，支护包括初衬与仰拱的封闭、二次衬砌布筋与底板钢筋网的闭合、施作二次衬砌.但实际施工过程中由于各流水节拍搭接不当错失了最佳支护时间.从图可知，围岩在稳定近一周时间后便产生二次应力释放，受山体浅埋偏压作用，原短暂的平衡结构被破坏，而支护又未及时妥善处理，节理破碎围岩为寻找平衡支撑点，其变形量及变化速率不断增大.经历十天后，原初支的钢拱架发生扭曲变形，隧道顶部坍塌，山顶开裂凹陷，如图5、图6所示.

3.3 监控量测数据的工程应用

通过对监控量测数据分析可知，该隧道开挖后5天至15天时间段内是最佳永久支护施工期.以DK416＋235断面拱顶沉降观测数据为例，选取9月24日至10月9日数据进行回归分析，采用指数函数拟合该断面上的实测曲线，所拟合得到的相关系数为0.9879，标准偏差相对较小，拟合回归［7］得到的方程为U＝13.0667×e（－4.6926／t），实测和拟合曲线如图7所示.由该回归函数计算可得知，如果在最佳支护期完成永久支护，该断面最终累计沉降值将达到9.75mm，在安全范围［6］之内.

图7 回归分析曲线图

4 结 论

隧道作为地下隐蔽工程，具有太多的不确定因素，因此，其复杂和特殊性是不言而喻的.隧道岩体在开挖以前一般来说是相对稳定的，但在开挖以后，由于原有平衡被打破，岩体性状发生变化，岩体将出现明显的内挤位移，这是修筑隧道经常会遇到的问题.

对隧道围岩及支护结构进行监控量测是保证隧道工程质量、安全的必不可少的手段.通过量测，可及时对隧道围岩的失稳趋势提供预警，为施工、调整支护参数以及合理确定二次衬砌时间提供了可靠的科学依据.只要监控措施得当，及时的指导施工和修改设计，便能保证隧道施工的安全、经济、收到良好的效果.

［1］铁路隧道监控量测技术规程［S］.TB10121－2007.

［2］刘 强，代玉民，闫 松，韦 娜，于治家.隧道施工现场监控量测的控制［J］.测绘与空间地理信息，2012，35（9）：225－228.

［3］贾桂玲.暗挖隧道施工监控量测技术［J］.施工技术，2012，41（增刊）：269－273.

［4］王新征，张 建.浅埋暗挖隧道施工沉降监控量测［J］.人民长江，2012，43（15）：20－23.

［5］谢云扬.隧道施工过程中极破碎围岩整治初步探究［J］.科技资讯，2012（8）：54.

［6］李文飞.监控量测在隧道施工中的应用［J］.科技创业2012：179－181.

［7］张建军，黄诒宝，沈增辉，松散破碎围岩浅埋隧道施工及监测分析［J］.山西建筑，2012，38（9）：169－170.