围岩应力及位移监测在隧道施工中的应用

赵明亮

摘要：本文结合三江至南川线扩能改造工程项目中白塔寺隧道出口开挖施工情况，对围岩应力及位移监测在浅埋偏压和不良地质隧道中的应用进行论述，根据监测结果采取相应的支护措施，为隧道施工提供了充分的理论依据，以供类似工程借鉴。

关键词：隧道 浅埋偏压及不良地质 应力及位移监测 理论依据

0 引言

随着我国铁路与公路隧道施工长度的加长，不良地质围岩隧道越来越多，对安全措施的要求也越来越高。目前我国隧道初期支护基本采用新奥法，格栅钢架或型钢钢架结合系统锚杆并喷射混凝土封闭。但对一些浅埋偏压隧道及不良地质围岩隧道还需采取其它相应的支护措施，这就要求要充分地掌握围岩内部应力变化及位移情况，根据实际情况采取相应的支护措施，做到有的放矢。

1 工程概况

白塔寺隧道全长2857米，最大埋深206米，该隧道位于重庆市万盛区境内，并且穿越一道脊状山梁，进口里程、出口里程、中心里程分别为D1K24+690、D1K27+547、D1K26+118.5。对于白塔寺隧道来说，其出口端浅埋段需要穿越突出山脊，属于地形偏压，出口覆盖2～6m碎石层。D1K27+390～D1K27+542段属于浅埋、地形严重偏压地段，其洞口如图1所示。

2 监控量测的目的

①根据现场监控量测数据，为监控设计提供参考依据和信息，进一步掌握围岩力学形态的变化规律，同时可以熟悉掌握支护结构的工作状态，并及时反馈相应的信息，进而为隧道施工提供指导性建议和意见；通过对围岩的应力状态进行监測，综合评价围岩的稳定性。

②了解支护结构的应力状态，熟悉围岩的压力状态；同时对支护参数、支护时间等参数进行了解和掌握，并且对复合式衬砌中二次衬砌的施工时间进行确定，为了确定合理的支护形式，需要根据监测结果对隧道支护参数进行调整和修改。

③及时预测预报隧道围岩、衬砌应力场等监测信息的异常状态，对现场施工进行指导。将险情的预报、监视等，作为隧道开挖期间的工程预报，同时将此作为施工的对策和工程措施，确保工程施工的顺利进行。如果监测的结果与设计要求存在较大的差别时，有必要对支护或锚杆的布置做出调整与修改。

3 监测方案

3.1 监测内容

3.1.1 地表监测

①地表沉降监测：掌握隧道开挖山体地表沉降；

②山体水平位移监测：掌握隧道开挖后，山体围岩内部水平变形情况；

③山体地中竖向位移监测：掌握偏压隧道开挖后， 山体围岩内部竖向变形情况。

3.1.2 洞内监测

①拱顶下沉：掌握隧道开挖后的位移随时间、施工变化的规律；

②周边收敛：掌握隧道开挖后的位移随时间、施工变化的规律；

③量测围岩压力：掌握围岩对隧道初支支护作用压力；

④量测支护间层间压力：掌握隧道初支支护与二次衬砌间作用压力；

⑤围岩体内位移监测：掌握围岩内部变形情况；

⑥钢支撑应力监测：掌握初期支护钢拱架受力情况。

3.2 监测断面数量

根据白塔寺隧道出口情况，开展表1、2所示项目及断面布置。

3.3 监测频率

地表监测、隧道内监测根据《铁路隧道监控量测技术规程》TB10201-2007要求以及设计院关于白塔寺隧道出口监控量测要求，在测点埋设前一个月按每天监测一次，1至2个月按每两天监测一次，2至3个月按每周监测一次，3个月后按每月监测1次，若遇变化，可适当加密。

4 监测实施方法

4.1 地表沉降

4.1.1 监测目的

掌握隧道上方地表沉降情况。

4.1.2 监测仪器

仪器采用苏光DSZ2水准仪，配套铟钢尺等，或采用全站仪。

4.1.3 断面布置与埋设

①测点埋设。

地表沉降监测点的埋设用洛阳铲进行探挖开挖成孔，然后放入相应的钢筋，将钢套筒孔内对钢筋与周边的土体进行隔离，同时用砂土和木屑对上部进行回填。将保护盖安设在测点上，并做好标记。如图2所示。

②断面布置。

在同一断面上布置测点和拱顶下沉，监测断面测点从拱顶中央向两侧左右间隔测点。隧道范围以小间距布点，范围外以稍大间距布点，每个断面不少于5个测点（图3）。加强量测石质较差和特殊浅埋段，同时对量测信息进行及时的反馈，进而在一定程度上对施工方法进行调整，确保施工的顺利进行。

浅埋地表下沉量测断面间距：在D1K27+532、D1K27

+522设置两个段面。

4.2 山体水平位移监测

4.2.1 监测目的

掌握隧道开挖后， 山体围岩内部水平变形情况。

4.2.2 监测仪器

为了保证测量成果准确、可靠，达到精度要求，采用金土木JTM 6000系列活动式垂直测斜仪。如图4所示。

4.2.3 断面布置与埋设

4.2.3.1 测点埋设

①布置观测点。

对于一个场地，观测点应该因地制宜，合理布置。一般要求测斜管采用钻孔埋设，管底超过仰拱底至少2m或嵌入基岩。施工过程中，确保钻孔的垂直型，偏差角控制在2°，与测斜管外径相比，终孔直径应要超过其30mm。

②安装测斜管。

为了提高测试效果，通常情况下需要确保测斜管的安装质量，在安装测试管的过程中，需要按照下列步骤进行安装：

a在管底盖上安装测斜管，同时用螺丝或胶进行固定；

b按顺序将测斜管逐根放入钻孔中，用接管连接测斜管，同时用螺丝进行固定，检测过程如图5所示。

在安装测斜管的过程中，需要注意导槽的方向，确保导槽方向与设计要求保持一致。按次序将组装好的测斜管逐节放入钻孔中，直至孔底；

c安装完测斜管，经过确认后，可以进行回填处理。在回填过程中，每填至3～5m，需要注一次水，通过注水的方式，使膨润土球或原土沙与孔壁牢固地结合，直至孔口；

d对于测斜管来说，为了确保管口和管口转角的稳定性，需要对地表管口段浇注混凝土，通过混凝土墩台对其进行保护，同时将位移和沉降观测标点设置在墩台上；

e保护露在地表上的测斜管，同时盖上相应的管盖，防止物体落入；

f测斜管安装完成后，通过模拟测斜仪进行试放。

③组装测斜仪。

进行测试前，检验校正测斜仪，同时做好准备工作，确保组装的顺利进行。

④量测与计算。

测试方式需要遵循两点：当测斜管下部可靠地固定在基岩中，在这种情况下可以认为基岩没有发生位移。当测斜管底部出现悬挂时，此时由上向下进行测量。

在测试过程中，沿预先埋好的测斜管沿垂直于线路方向（A向）导槽（自下而上每隔0.5米测读一次直至孔口，得各测点位置上读数Ai（+）、Ai（-）。

4.2.3.2 测点断面图

测斜布置如图6所示，在D1K27+532、D1K27+522每断面各1个测斜孔，第一测斜孔深22m，第二测斜孔深27m。

4.3 山体竖向位移监测

4.3.1 监测目的。掌握隧道开挖后，山体围岩内部竖向变形情况。

4.3.2 监测仪器。多点位移计。

4.3.3 断面布置与埋设

①测点埋设。利用地质钻进行成孔处理，孔直径一般要大于76mm，成孔后将导管缓慢地放入孔中，直到最低观测点，然后利用专用工具将锚头依次埋入设计的位置，将钻孔中岩渣、积水等杂物清除，并灌入水泥砂浆，注满钻孔后，在钻孔中插入杆式位移计；将孔口定位体与周围岩体通过干硬性水泥砂浆进行固结处理；在地表保护传输电缆线。待水泥砂浆固结后进行初始读数。地中位移监测如图7所示。

②断面布置。地中竖向位移测孔布置如图6所示，在D1K27+532、D1K27+522每断面各1个地中位移孔，第一测斜孔深10m，第二测斜孔深15m。每个测孔5个测点。

4.4 围岩压力量测

4.4.1 监测目的

所谓围岩压力量测，通常情况下是指测试围岩与支护间的接触压力。其目的主要表现为：

了解围岩压力的量值及分布状态；

对围岩和支护的稳定性进行判断。

4.4.2 监测仪器

接触压力量测仪器根据测试原理和测力计结构不同分为液压式测力计和电测式测力计。电测式优点是测量精度高，可远距离和长期观测。根据合同要求，该次采用电测式测力计。

采用仪器与元件：钢弦式压力盒WY-2型，振弦频率检测仪PZX-2型。（图8）

4.4.3 压力盒布置与埋设

①压力盒的埋设。

当开挖、出渣完成，可选择埋设压力盒的位置，选择较为平整的围岩处，若没有采用人工找平，把压力盒放在帖岩面处，再在压力盒上面盖上一块厚6mm、直径与压力盒直径大小相等的钢板，钢板上事先焊接四个φ10的钢筋头，把钢筋头固定在岩体上，或若挂有钢筋网的，可将其帮扎在钢筋网上将其固定。保证压力盒接触紧密和平稳，且不滑移。

若初期支护已经完成，采用在初支凿孔进行埋设。

根据施工工艺，采用的是台阶法施工，为减少对施工的干扰，同时保护好压力盒引线，因此，在围岩接触压力量测时，把压力盒的电缆引线沿围岩面固定，将其线集中到上台阶离地0.5m处（若为全断面开挖直接在墙脚离地0.5m处），在那将其预留线与接头放在一个10cm×10cm×6cm的铁皮箱里面，临时集中管理与测设，对接线头采用缠有数字的胶带标记，方便集中测设与长期管理。

②压力盒的布置。

测试断面布置与其他测试布置在同一断面，主要在D1K27+490、D1K27+470、D1K27+450已完成初支设置3个断面，在未开挖掌子面设置2个断面。每个断面布设7个测点，分别在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙脚等处，测点布置详见图9。

4.5 支护间层间压力量测

4.5.1 监测目的

掌握初期支护与二次衬砌间围岩压力。

4.5.2 监测仪器

采用仪器与元件：钢弦式压力盒 WY-2型，振弦频率检测仪PZX-2型。

4.5.3 压力盒布置与埋设

①压力盒的埋设。

压力盒埋设同围岩压力埋设相同。

②压力盒的布置。

测试断面布置与其他测试布置在同一断面，主要在D1K27+490、D1K27+470、D1K27+450已完成初支设置3个断面，每个断面布设7个测点，分别在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙脚等处，测点布置详见图10。在未开挖掌子面设置2个断面，每个断面布设9个测点，分别在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙脚、仰拱等处。

4.6 钢架内力量测

4.6.1 监测目的

①了解鋼架与喷混凝土对围岩的组合支护效果；

②了解钢架的实际工作状态，同时根据实际情况采取相应的加固措施；

③对初期支护承载能力进行判断，同时保证施工的安全性，对支护参数进行优化。

4.6.2 监测仪器

采用仪器与元件：钢弦式表面应变计 WY-2型，振弦频率检测仪PZX-2型。

4.6.3 元器件布置与埋设

①埋设仪器。

在实际监测过程中，采用不同的元件对不同的钢支撑进行量测，如果钢支撑为型钢，在这种情况下，需要采用表面应变计。在隧道钢架施工过程中，将应变计基座螺母焊结于钢架测点内、外壁处，然后取下定型连杆，将钢架应变计安装在相应测点处，并用螺母拧紧。最后，将保护外壳点焊于测点处，对应变计进行相应保护。具体见图11。

②布置断面。

测试断面布置与其他测试布置在同一断面，主要在现未开挖掌子面设置2个断面，每个断面布设7个测点，分别在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙脚等处。

4.7 围岩体内位移监测

4.7.1 监测目的

①了解锚杆受力状态及内力的大小。

②掌握岩体内应力重分布的过程。

4.7.2 监测仪器

采用仪器与元件：电测多点位移计（量程：0-50mm，精度：0.01mm）；其原理為：埋设在岩体钻孔不同深度的各测点和定位体，通过位移计套筒、定位块、水泥砂浆与周围岩体连接为一体，共同变形，但固定在各定位块的测杆在位移计套筒中是自由的，不随岩体变形而变形，通过测试装置可量测出相对位移变化。振弦频率检测仪PZX-2型。

4.7.3 元器件布置与埋设

①元件埋设。

采用普通风钻（电钻）钻孔径φ40～50mm，长度较位移计长50～100mm的钻孔，清除钻孔内岩渣和积水，灌入水泥砂浆（1：1）亦可用锚固剂，注满全钻孔后，将事先拼装好的杆式位移计插入钻孔中，用干硬性水泥砂浆将孔口定位体与周围岩体固结牢靠。待水泥砂浆固结后进行读数。喷射混凝土时注意不要把锚固端头埋掉，喷射完成将端头螺帽处清理干净，以便量测。

②布置断面。

测试断面布置与其他测试布置在同一断面，主要在D1K27+490、D1K27+470、D1K27+450已完成初支设置3个断面，每个断面布设4个测孔，每个测孔3个测点。在已施工二次衬砌段设置2断面，每个断面布设2个测孔（考虑对既有衬砌减少破坏），每个测孔3个测点。测点布置详见图12所示。

③数据处理。

绘制孔内各测点（L1，L2….）位移与时间关系曲线；

绘制不同时间（t1，t2、t3….）位移与深度（测点位置l）关系曲线。（图13）

4.8 拱顶下沉、周边收敛量测

4.8.1 监测目的

掌握初期支护、二次衬砌洞内位移变化情况。

4.8.2 监测仪器

采用仪器与元件：R-32X2N全站仪。

4.8.3 断面布置与埋设

①元件埋设、及断面布置。

在衬砌或初期支护上设置反光膜片。从暗洞洞口里程开始（DK27+542），每5m一个断面，每个断面5个点，拱顶一个，拱腰两个，边墙两个，对该五个点进行位移监测。具体布置情况见隧道监控量测布置图，监测断面图如图14所示。

②测试方法。

利用高精度二维测量方法，同时结合数据处理技术，采用全站仪双站自由设站二维坐标非接触量测、双站独立坐标测线方法进行测量，进而在一定程度上确保监测结果的精度和可靠性，将测量点位精度控制在10-1mm，进一步满足隧道围岩变形监测的需要。

全站仪非接触测量原理为全站仪自由设站法，即通过观测两个以上后视点的已知坐标点，反算出仪器中心的坐标，根据仪器中心点的坐标、被测点的坐标变换等，进一步求出被测点的坐标，从而在不同时段得出被测目标点的位移变形。在观测过程中，利用自动全站仪，这种观测仪器有着自身独特的优越性，在一定程度上可以大大提高观测效率。在机载软件控制下，利用专用的自动全站仪机载软件，通常情况下，可以自动完成观测。通过严密平差各期观测值，在同一坐标系下计算出所有测点的二维坐标，同时比较不同期测点的二维坐标，即可得到观测点的二维位移量ΔX、ΔY、ΔZ。

5 监控量测数据处理与应用

在观测过程中，由于现场量测的原始数据，存在一定的离散性，并且包含测量误差等。对于这些数据来说，如果不经过整理和数学处理，难以直接利用。为了充分利用数据，通常情况下，需要对数据进行数学处理，其目的主要表现为：分析对比同一量测断面的各种量测数据，同时对其进行相互应证，进一步确保量测结果的可靠性；探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化规律，判定围岩的状态。

5.1 测量数据的整理

通常情况下，随着随时间、空间的变化，现场的量测数据也会发生变化，这种现象称为时间和空间效应，通过曲线关系图表示量测现场的变化，即量测数据随时间的变化规律-时态曲线或绘被测量与距离之间的关系曲线；绘制位移、应力与时间t的关系曲线-时态曲线；绘制位移速度、应力速率与时间t关系曲线。

5.2 测试数据处理-回归分析

为消除测试数据存在的偶然误差及散点图的上下波动，进行数学处理，采用一元非线性回归。

对数函数：U=A+Bln（l+t）；

指数函数：u=Ae-B/t；

式中：u——位移值（mm）；

A、B——回归系数；

T——量测时间。

6 监控量测数据反馈

6.1 量测数据反馈流程

量测数据反馈流程见图16。

6.2 隧道监控量测管理基准

6.2.1 变形监测项目管理基准

建立监测变形管理等级标准，其等级划分及相应基准值如表3、表4所示。通过比较和分析监测结果，进一步对支护结构的稳定性和安全性进行判定，同时为施工提供参考依据。

依据《铁路隧道施工规范》（TB10204-2002）规定，判断围岩的稳定性。

根据位移速度变化判别：净空变化速度持续大于1.0mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护系统；净空变化速度小于0.2mm/d时，围岩达到基本稳定。

根据位移时态曲线的形态来判别：当围岩位移速率不断下降时（ 0），围岩趋于稳定状态；当围岩位移速率保持不变时（ =0），围岩不稳定，应加强支护；当围岩速率不断上升时（ >0），围岩进入危险状态，在这种情况下，必须停止掘进，同时采取措施加强支护处理。

6.2.2 初期支护内力量测管理基准

初期支护内力量测主要是钢支撑和格栅拱架量测，其管理基准一般按钢材强度控制，具体见表5。

6.2.3 二次衬砌施工条件

在对隧道位移进行监控的过程中，其量测结果必须同时满足三项标准，在这种情况下，才能进行二次衬砌施作：①隧道周边位移水平收敛速度小于0.2mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1mm/d。②隧道周边水平收敛速度；③隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。

6.3 量测数据反馈方法

为确保监测结果的质量，加快信息反馈速度，全部监测数据均由计算机管理，每次监测必须有监测结果，及时上报监测日报表、周报表，并按期向有关单位提交监测月报，对当月的施工情况进行评价并提出施工建议。

6.3.1 结构变异信息反馈

通过观察初期支护的变异，如开裂、屈服、底部鼓起等，来判断隧道结构的安全性。主要观察已施工区段初期支护的各种异常现象，根据这些异常现象对隧道稳定性进行评价，然后根据评价结果进行设计的修正。结构变异信息反馈具体流程见图17。

6.3.2 位移信息反馈

位移信息反馈能够确切地预报隧道结构的破坏，一般根据量测数据，绘制出隧道净空位移监控曲线，而后根据设计确定的监控基准，判定隧道的稳定性及可能发生的异常现象。具体流程见图18。

6.3.3 初期支护内力信息反馈

初期支护内力量测主要是钢支撑和格栅拱架应力量测，一般对内缘和外缘应力进行量测，在获得了钢支撑和格栅拱架内缘和外缘的应力后，可以按钢材的容许应力对已施工区段钢支撑支护的安全性进行评判。具体流程见图19。

7 结束语

隧道围岩地质情况复杂多变，各种不良地质所导致的工程事故屡见不鲜。因此在隧道新奥法施工中，监控量测是必不可少的重要工作。监控量测可以及时提供洞顶下沉、周边收敛、钢支撑受力情况等信息，判断施工工艺的可行性、设计参数的合理性，提出更加恰当的施工方法和合理的支护措施，实现隧道信息化动态施工控制，达到既能安全快速施工，又能节省工程造价的目的。

参考文献：

[1]《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086-2001）.

[2]《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121-2007）.

[3]《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）.

[4]《工程测量规范》（GB 50026-2007）.

[5]《巖土工程勘察规范》（GB 50021-2001）.