隧道监控量测施工技术

郭继东，刘李超

(辽宁省水利厅办公室，沈阳110003)

0 引言

隧洞新奥法的基本原则为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量”。十二字真言中“勤量测”对新奥法隧道施工是非常重要的。监控量测工作是量测围岩一段时间内围岩的变形位移。伴随新奥法隧道施工的各个阶段，量测是对围岩的监视，及时提出可靠的、数量足够的量测信息，动态修正设计参数和变动施工方法，为混凝土衬砌支护时间提供信息依据，从而指导施工和修改设计。

1 概述

根据相关规范要求，量测项目分为必测项目和选测项目。一般而言，隧道施工必测项目为:①必须进行洞内外观察:洞外观察包括地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定、地表水渗透的观察。洞内观察为施工中对隧洞掌子面开挖后进行工程地质与水文地质观察，描述围岩的岩性、结构面产状、力学属性、节理裂隙形态及充填物、含水情况以及支护裂隙观察或描述，并绘制地质素描图;检查喷射混凝土有无裂损及发展，锚杆有无松动，拱架支护状态观察等。②进行水平收敛位移量测。③进行拱顶下沉位移量测。④必要时进行底板鼓起量测。⑤洞口浅埋洞段和土洞段，应进行地表下沉监测。

本文主要论述本工程中必测项目中的水平收敛位移量测和拱顶下沉位移量测。

2 量测准备工作及数据采集

2.1 监控量测断面及测点布置

监控量测断面布置点数及断面间距一般由设计单位确定，施工单位按照设计要求进行断面及测点的布置即可［1］。一般量测断面间距随着围岩类别的不同而不同;一个断面收敛变形观测点至少3个以上，拱顶收敛观测点可兼做拱顶沉降量测点见图1。

2.2 测点安装

一般而言，监控量测测点安装方法由设计单位提出，其典型安装方法如下:

1)在设定现场临时监测断面上测量，进行测点定位。

2)在定位测点岩面钻设测点预埋件安装孔。

3)收敛固定点钻孔直径为38 mm左右，孔深240 mm，将不锈钢锚固环的螺栓固定在Φ 18 mm长225螺纹钢筋的一端，再将钢筋用M 20水泥砂浆固定在各测点的钻孔中。

4)待水泥砂浆凝固、测点预埋件稳固后即可量测。

图1 监控量测点典型布置位置图

2.3 测点安装部位及测取初始读数时机和要求

测点应布设在距开挖面1m范围之内，并在工作面开挖后12h内和下一次开挖之前，完成测点安装并测取初始读数。测试中按各项量测操作规程安装好仪器仪表，每测点一般测读三次，取算术平均值作为观测值;每次测试都要认真做好原始数据记录，并记录开挖里程、支护施工情况以及环境温度等，保持原始记录的准确性。

2.4 量测频率

水平收敛位移量测和拱顶下沉量测宜用相同测试频率，主要根据位移速度及离工作面的距离确定，应从表中根据变形速度和距开挖面的距离选择较高的一个量测频率见表1。

表1 量测频率表

当位移速率明显下降，水平收敛速度 ＜0.2 mm/d，拱顶位移速度＜0.1 mm/d时，持续稳定后1～3周，经监理人批准，可停止量测。

2.5 量测仪器和工具

利用JSS30A数显收敛计进行收敛量测，利用DSZ2精密水准仪监测拱顶点的沉降。各类量测仪器和工具的性能应准确可靠，长期稳定，保证精度。操作很简单，这里就不论述。

3 量测数据处理

量测数据处理是量测工作的重点，现场量测所取得的原始数据，不可避免的会具有一定的离散性，其中包含着测量误差［2］。因此，应对所测数据进行一定的数学处理。数学处理的目的是:将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确定量测数据的可靠性;探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化的规律，判定围岩和初期支护系统稳定状态。根据量测数据及时绘制水平收敛位移时态曲线和拱顶下沉位移时态曲线。当位移时态曲线的曲率趋于平缓时，应对数据进行回规分析，推算最终位移值，确定位移变化规律。

3.1 绘制收敛变形观测位移时态散点曲线

先把围岩收敛记录表中数据进行处理。由于收敛计的钢尺受温度变化的影响会产生热胀冷缩，而每次观测的环境温度不尽相同，即要对观测值进行温度修正，以消除变温引起的误差。

式中:L为量测的真实值;L’为量测的实测3次读数的平均值;ΔL为修正值;α为钢尺的膨胀系数;T1为第一次量测的环境温度;Ti为第i次量测的环境温度;S为钢尺测长度。

得到钢尺的真实值L后，U=Li-L1，U即为收敛位移值，现在得到两个有用的数据，收敛位移值U和时间T，把U和T输入到excel表格里，每个位移值U对应一个时间T。用鼠标选中U和T，在excel工具栏进入“插入”菜单，选中“图表”，会出现“图表类型”对话框，在“标准类型”中，选“XY散点图”，再点击“完成”，即可以生成收敛变形观测位移时态散点曲线。

3.2 对数据进行回规分析，推算最终位移值

根据测试数据散点分布规律，选用指数函数公式u=a×e-b/t作为回归函数较为合理。U和T为已知值，a和b为待求的回归常数值，回归过程即用已知值去估计常数值。由于指数函数为非线性函数，可先将其线性化。等号两边同时取自然对数，得Inu，得 u'=Ina+bt'，这函数是线性函数，可对其线性回归分析。为得u'对u进行取自然对数处理。对t取负倒数处理得t'。由于每个位移值U对应一个时间T，同样每个u'值对应一个t'值［2］。利用Excel对观测数据进行回归分析，要使用Excel的数据分析工具，使用数据分析工具之前，要确认“分析工具库”处于加载状态，勾选“分析工具库”、“分析工具库-VAB函数”、“规划求解”，再确定即可。点击Excel菜单中的“工具”→“数据分析”，出现数据分析窗口，选择“回归”，确定后出现回归分析窗口，在Y值输入区域选择:u'值的区域;在X值输入区域选择:t'值的区域，选择“确定”，得到回归分析结果。得好分析结果有用的数据为 lna，b，R2 ，a=eIna，即求得了待求值 a、b。R2 为判定系数即为拟合优度，取值范围:0-1，拟合优度越大，自变量对因变量的解释程度越高，自变量引起的变动占总变动的百分比高。观察点在回归直线附近越密集。现得函数 u=a×e-b/t，当 t→ ∞ ，，在工程实用上的意义是经一段t时间的变形，围岩的变形最终值为a。

采用新奥法隧道施工不仅关系围岩变形量U，更关系变形速率和变形速率变化率。V=Δu/Δt是实际的变形速率，对u=a×e-b/t求t的一次导数是理论分析的变形速率，由理论分析得随着时间t是变小的。对u=a×e-b/t求t的二次导数，由此分析得出正常安全围岩实际的变形速率是随着时间推移变小的，特别在围岩开挖完1～6 d变形速率很大，一周以后变形速率很小。可以认为围岩经过一段时间段t变形后停止变形，变形位移趋向最终位移值。即变形速率的变化率，对于指导施工和修改设计参数也非常重要。一般有3种情况:

3.3 周边位置相对值

量测工作另一重要参数周边位移相对值，它是指两测点间实测位移累计值(或用回归分析推算的最终位移值)与两测点间距离之比，或拱顶实测位移值与隧道宽度之比。正常安全隧道的周边位移相对值应小于隧道周边允许位移相对值，如果测得的周边位移相对值超过允许位移相对值，说明初期支护设计参数偏小，应增加喷层厚度，或增加锚杆数量和长度加强支护。如果测得的周边位移相对值远小于允许位移相对值时，可降低其他地段初期支护设计参数。可以周边位移相对值亦可以指导施工。位移应控制在允许位移之内，实测水平收敛位移和拱顶下沉位移的相对值或用回归分析推算的最终位移相对值，均应小于所列允许位移相对值见表2。

表2 隧洞周边允许位移相对值 %

4 结论

量测工作是监视设计、施工是否正确的眼镜，是监视围岩是否安全稳定的手段。伴随着新奥法的施工的全过程。特别是周边位移相对值、变形速率、变形速率变化率这3个重要参数对工程施工的指导有非凡的意义。只有“位移值小于规范限值，变形速率(速率)随着时间的推移递减，变形速率变化率(加速度)＜0”同时满足才能确保围岩的稳定性。应该踏实落实好量测工作，同时积累经验和数据，为工程施工的安全和稳步发展更好地服务。

［1］于波.隧道新奥法施工中围岩的监控量测技术［J］.山西建筑，2004，30(07):129-130.

［2］金理强，喻乐华.监控量测技术在龙凤山隧道施工中的应用［J］. 华东交通大学学报，2008，25(04):15-18.