长大隧道监控量测技术

2014-11-17吴连波

交通运输研究 2014年16期

吴连波

（深圳市交通公用设施建设中心，广东深圳 518000）

0 引言

深圳市葵坝路新建工程位于龙岗区东部大鹏半岛，西接葵涌街道延安路，东至坝光化工园区，路线全长5.81km，道路等级为城市II级主干道。该工程2号隧道左洞长4850m，右洞长4792m，属于长大隧道。

整个隧道隧道围岩为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，围岩跨度变化大。因前期勘察设计深度不够，必须依据“新奥法”设计原理，及时掌握隧道开挖后围岩发挥的自身承载能力。隧道开挖后，对隧道围岩开挖面进行动态监测同时研究其变化规律，根据量测数据分析结果及时修改设计参数，指导二次衬砌施工时间，实现了隧道工程的动态化设计与信息化施工。

1 监控量测目的

依据“新奥法”的基本原理和设计要求，在全隧道实施监控量测，其主要目的为：

（1）掌握围岩动态和支护结构的动态，利用量测结果修改设计，指导施工；

（2）预见事故和灾情，以便及时采取措施，防患于未然；

（3）积累资料，以为后续新奥法设计提供类比依据；

（4）为确定隧道的施工安全提供可靠的信息；

（5）对量测数据的分析处理和必要的计算判断后，进行预测与反馈。

2 监控量测项目

根据隧道监控量测的项目可分为应测项目与选测项目，应测项目为核心，主要包括：

（1）地质及支护状况观察；

（2）周边位移；

（3）拱顶下沉；

（4）地表下沉。

选测项目是根据不同地质、工程性质等具体条件和对现场量测取得的数据类型而选择的测试项目，其中包括：

（1）围岩内部位移量测（地表设点、洞内设点）；

（2）围岩压力及两层支护间压力；

（3）格栅钢架内力及外力；

（4）支护、衬砌应力量测；

（5）锚杆轴力量测等。

结合葵坝隧道设计要求及实际地质情况，本文展开必测项目的论述。

3 量测方法

3.1 控制量测点的布置

葵坝隧道采用上下台阶法开挖，拱顶下沉、周边位移为必测项目，隧道断面上所布置的A、B、C、D、E测点如图1所示。

图1 周边位移及拱顶下沉量测点布置图

3.2 地质及支护状况观察

本文所测地段位于隧道右线掌子面YK5+295处。此段为隧道洞身段，洞顶埋深26.0m，为低山地貌，地形较陡峻。总体而言，本段隧道的围岩稳定性较好，自稳能力较强，设计围岩等级为Ⅲ级。

隧道爆破开挖后，应立即实施初期支护，同时通过地质罗盘配合铁锤等工具，观察围岩的稳定情况，并对围岩岩性、岩质、断层破碎带、节理裂隙发育程度和方向、有无松散坍塌和剥落掉块现象、有无地下水及渗水等进行记录和描述，特别是对围岩等级进行判断。

初期支护主要观察分析初衬是否产生裂缝、剥离和剪切破坏，格栅支撑是否压屈等。

同时需对洞口地表沉陷、边坡、仰拱稳定情况进行观察，以便确定围岩开挖掌子面的稳定性和自稳性，

3.3 拱顶下沉及围岩周边位移量测

判断围岩稳定主要依据围岩变形能力。隧道开挖后，需尽快钻孔埋设测桩，测桩主要埋设在隧道的拱顶、拱腰和边墙部位。埋设要快，一般在爆破后12h内，同时在下一个爆破前完成，并读取初始量测数据；埋设位置应近掌子面且不超过2m，测点净空水平收敛应在同一水平线上。

葵坝隧道采用WRM—3型钢尺式收敛仪量测收敛变形，具体收敛布置见图2。

图2 收敛仪布置

3.4 地表下沉量测

葵坝隧道设计围岩大部分围岩属于Ⅲ级，但局部处于软弱、破碎、自稳较差的Ⅳ、Ⅴ级。地表下沉量是关键量测项目。具体量测点布置见图3。

图3 地表下沉量量测点布置图

3.5 量测频率

隧道现场施工监控量测频率应严格按照施工规范要求，以确保采集数据的可靠性、准确性及科学性。具体量测频率见表1。

表1 隧道现场监控量测频率

4 量测数据的整理和处理

为进一步及时掌握葵坝隧道围岩的变形规律，对比分析同一断面的量测数据，并去除误差过大的数据，确保各量测数据真实可靠。根据采集的量测数据绘制时间位移曲线，并根据曲线类型拟合回归曲线方程，以进一步确定围岩的变形趋势。

4.1 量测数据回归分析原理及曲线

回归分析是研究变量之间相关关系的一种统计推断法。

受偶然误差的影响，量测数据具有离散性。根据实测数据绘制的变形随时间而变化的散点图出现上下波动的现象，很不规则，难以进行分析，必须应用数学方法对量测数据进行回归分析，找出围岩变形随时间变化的规律，以便修改设计与指导施工。提供科学依据量测的数据只是针对某一个量测项目而得，即只有一个控制变量时，称为一元线性回归模型。

设有一组量测记录数据：

以f(x)=a+bx为回归方程，求回归方程中的回归系数a，b。

采用最小二乘法，记平方和为：

找出使Q（a.b）达到最小时的a、b作为其估计，即：

称y=a+bx为经验回归（直线方程）或经验公式。回归精度即误差计算公式为：

测量极限值即为在回归曲线方程下xn所对应的yn。

一般来说，量测项目所量测的数值一般不可能都随时间呈线性规律，除线性函数y=a+bx作为回归方程外，还有相应的回归曲线方程，如：

（2）对幂函数y=axb（或y=ax-b）（b＞0）对两边取对数 lny=lna+blnx ，变换为 y′=lny,x′=lnx,a′=lna 则有 y′=a±b′x′；

（3）指数函数y=aebx或y=ae-bx（b＞0），两边取对数lny=lna±bx令y′=lny,α′=lnα，得y′=a′±bx；

（5）对数函数y=a+blnx，变换为x′=lnx，则有y=a+bx′。

4.2 量测数据处理与分析

量测当天根据现场采集数据进行筛选核查后，绘制必测项目时间位移曲线，同时进行回归曲线方程分析。根据回归分析处理结果，及时预测围岩稳定变形结果，并将结果及时反馈给现场隧道施工作业队与设计人员，以指导下一步施工作业。

5 现场量测数据分析

本文重点结合上述理论分析葵坝隧道YK5+295处断面情况。根据设计，该处围岩等级为Ⅲ级，围岩节理发育较差，埋深约为24m。根据采集到的该断面拱顶下沉位移变形量，依据Excel绘出拱顶下沉位移与时间的对应分散点后，绘出相关圆滑变化曲线，见图4。

图4 YK5+295断面拱顶下沉量累计曲线（单位：mm）

根据量测数据及时间位移曲线进行回归分析，确定回归曲线方程为y=-16818ln(x)+17855，方差为0.657。拱顶24d理论下沉量为22.68mm，30d理论下沉量为24.32mm，预计最终沉降量为24.86mm，沉降速率小于0.08mm/d，收敛加速率小于0。依据公路隧道施工技术规范相关标准可以确定围岩已基本稳定，能够进行二次衬砌。