监控量测技术在可门疏港公路隧道中的应用

■薛理鸿

(福建省交建集团工程有限公司，福州 350007)

1 引言

隧道工程技术基本特点是地质环境复杂，施工环境恶劣，取得准确的地质数据极其困难。实际施工中经常会发现由于工程地质、水文地质、施工方式、支护特性等的出入与变化，使原设计不尽合理。正因为隧道工程的这一特点，监控量测是隧道工程施工中必不可少的重要组成部分。我国相继颁布实施的有关地下工程设计和施工的规程和规范都对监测做了具体规定，由于地层力学参数的不确定性及施工过程的不可预见性，地下工程设计和施工中难免出现与实际地层条件不符合的情况，需要在施工过程中通过监测信息的反馈来修正和设计，指导施工。本文以福州可门疏港公路颜岐隧道为例，介绍监控量测技术的施测方法，实施过程中通过掌握围岩动态和支护工作状态，综合分析监控量测数据，以保证围岩稳定和施工安全。

2 工程概况

颜岐隧道位于连江县坑园镇颜岐村东侧文山，隧道长为480m。隧道开挖半径为6m、净空高为5m，道路等级为二级公路。隧道通过山体为文山，地形坡度较缓，山体地形坡度多为20～30。。围岩大部分为Ⅳ、Ⅴ类弱风化围岩。隧道进口最小埋深为2.08m，出口最小埋深为4.13m，由于隧道的进口和出口埋深较浅，所以在进口和出口25m 施工范围内设计采用双侧壁导坑法施工，其余采用台阶法进行施工。

3 监控量测方案实施

现场监控量测方案应根据隧道的地质情况、支护类型及参数、工程环境、施工方法而定。根据相关技术规程及施工图设计要求,结合颜岐隧道隧道地质情况，监测的主要项目包含隧道周边收敛、拱顶下沉、围岩深部位移与松动区范围量测、洞口地表沉降量测、锚杆拉拔力量测、喷层与围岩间接触应力量测、锚杆轴力量测等。由于篇幅所限,笔者仅对拱顶下沉、周边收敛和洞口地表沉降监测项目的实施过程进行介绍。

3.1 收敛位移监测频率

收敛位移能够直观反映隧道围岩与支护结构的稳定性。通过周边收敛的量测，为隧道支护结构稳定性分析提供依据；通过计算周边收敛位移速率和预测最终位移值，为二次衬砌浇筑选择最佳时机；为隧道施工工艺、支护衬砌参数优化提供参考。通过拱顶位移量测，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性，防止沉降侵入二衬空间，指导现场设计与施工。根据设计图纸，确定拱顶下沉及周边收敛监测断面间距、设置位置、监测频率，如表1、表2 所示。

表1 拱顶下沉及周边收敛监测断面间距

表2 拱顶下沉及周边收敛监测断面设置位置及监测频率

洞口浅埋段地表下沉宜布设在隧道中线两侧(H+B)之间，可根据隧道顶部地表地形适当调，横向间距一般控制在(2～5)m，在隧道中线附近应适当加密，总测点数一般不少于7 个。在预计下沉断面以外4 倍洞径处设水准基点(或利用附近已有高等级的水准点)。

3.2 监控量测的方法和实施情况

3.2.1 洞内监控量测的实施

(1)监测点的布置

根据相关图纸和相关技术要求，隧道有以下两种开挖方式，根据开挖方式的不同，有两种测点布置方式如图1 所示。

为能对围岩及支护结构的性态作较全面的分析，并且获得完整数据，同时又使各项数据间能相互比较、相互验证，因此，地表监测点与洞内拱顶沉降点及水平净空收敛点均布置在同一断面上。

图1 测点布置示意图

(2)监测仪器的选用

由于洞内监测有两项工作内容，根据工作内容的不同，仪器选用情况如下：

①水平净空收敛：水平净空收敛采用中铁西南科学研究院生产的SWJ-IV 隧道收敛仪，最小读数0.01mm。

②拱顶下沉：拱顶沉降采用DNA03 水准仪和徕卡TCA2003 全站仪进行非接触测量，DNA03 水准仪的标称精度为0.3mm/km，TCA2003 全站仪的标称精度：测角0.5″，测距±(1mm+1ppm)。

(3)监控量测的方法和实施

①水平净空收敛实测。根据设计要求随时掌握岩石的变化情况，测点安装应靠近开挖面又不宜被破坏的地方，并且保证在开挖后12h(最迟不超过24h)内埋设，且在下一次循环开挖前量测到初次读数，初期观测为每天两次，如岩石没有异常变化按照表2 中量测频率进行观测。监测点的钢筋根部应深入岩石并灌入水泥砂浆使其牢固。量测方法：每个监测断面两次挂尺，第一次量测完成后，记录量测数据，然后交换尺头再次量测，两次量测结果误差在0.5mm 内取平均数作为水平净空量测结果。

②洞内拱顶沉降监测实测。首先在隧道的仰拱埋设水准点，按照《二等水准测量规范》联测水准点的绝对高程(此点坐标也可作为隧道内日常测量施工放样使用)。拱顶监测点位置和埋设时间同水平收敛点相同，埋设方法同水平收敛点一样要把钢筋插入岩石内使其牢固，在钢筋外露部分焊接5﹍×5cm 的铁片，然后在铁片上贴测量专用反光片。在后视水准点上架设徕卡仪器自带的金属三角架，固定1.3m 作为后视标高，仪器架设在水准点和反光片中间适当的位置，不必量取后视标高和仪器高，这样可消除因量取仪器高和后视标高带来的误差。然后使用全站仪测量水准点到反光片的高差，正、倒镜测量3 个测回，每测回高差值比较不超过0.5mm，取平均数作为拱顶下沉量测数据结果。拱顶下沉测点布置示意图如图2 所示。

图2 拱顶下沉测点布置示意图

洞内水平净空收敛的精度分析：收敛仪钢尺受温度影响较小，隧道内温度基本稳定，初次量测温度和日常量测时温度基本一致，不必考虑温度改正。收敛仪的最小读数为0.01mm，量测结果的取值也为0.01mm，能够反映围岩的细微变化，满足精度要求。

3.2.2 洞外监控量测的实施

(1)监测点的布置

洞口地表上沿隧道轴线布置的监测点与洞内拱顶沉降及水平收敛点布置在同一断面内，用现浇混凝土方式埋设。横断面地表监测点间距取3～5m，在同一量测断面内取7～11 个监测点。

(2)监测仪器的选用

采用徕卡DNA03 电子水准仪，仪器标称精度：0.3mm/km。

(3)监控量测的方法和实施

首先沿隧道轴线方向每隔100～150m 埋设一个水准工作基点构成水准网，工作基点埋设在稳定的基岩面上并与隧道开挖线保持一定距离，以免受隧道施工影响工作基点的稳定，采用现浇混凝土方式埋设，工作基点按照《二等水准测量规范》联测。对每个断面上的监测点也按照《二等水准测量规范》进行观测，依次对每条断面上的监测点进行闭合或符合水准路线测量。地表下沉量测应在开挖工作面前方H+B(隧道埋置深度+隧道高度)处开始，直至衬砌结构封闭，下沉基本停止时为止。

3.3 工作基点网的建立和检测

在监控量测地表区域附近布设3 个水准基点为一组，基准点布设在稳定的基岩面上，均采用现浇混凝土的方式埋设，为保证基准点不受隧道开挖的影响，基准点都布设在爆破振动安全允许距离外，以保证基准点的稳定性。工作基点网和监测点距离适中，通视条件好，网形适宜。工作基点按闭合水准网测量，等级按《二等测量规范》执行，每3 个月复测一次，检测出现异常时必须先复查工作基点，特殊情况加密复测频率。

4 量测数据的整理、分析

根据《公路隧道施工技术规范》,应及时对现场量测数据进行整理，绘制量测数据与时间的关系曲线，并进行数据处理和回归分析。以位移-时间曲线为基础，根据位移值、位移速率等分析、评定围岩和支护的稳定性。判别初期支护的工作状态，支护特点并对初期支护进行安全评估。当位移急剧增加，每天的相对净空变化超过1mm 时或位移-时间曲线出现反弯点时，应加强观测，通知现场施工密切注意支护结构的变化。当地表沉降、水平净空收敛、拱顶下沉量达到预测最终值的80%～90%，收敛速度小于0.1～0.2mm／天，拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm／天时，可认为围岩基本稳定进行下一道工序施工。

在同一断面上，当地表下沉量大而洞内拱顶和水平净空收敛值没有异常变化时，要进行现场观察和分析是否地表有局部滑坡并将数据和情况及时上报。及时提交成果资料和上报监测数据，在观测期内，位移值超过设计值的20%及以上时，应及时会同建设、勘察设计等单位查明原因，必要时进行地质复查，并根据实测结果调整计算参数，对设计预测位移进行修正或采取控制措施。

通过以上综合分析、评价及时修正设计、调整支护参数，对施工及时提供建议和措施。限于篇幅，这里仅给出颜岐隧道典型断面K12+620 的拱顶下沉、水平净空收敛成果数据图(图3～4)。

图3 周边收敛观测成果(仅摘取最后十天数据)

图4 拱顶下沉观测成果(仅摘取最后十天数据)

5 问题与对策

公路隧道施工监控量测作为新奥法施工的关键要素，通过对施工现场监控量测数据的分析，可进一步了解隧道围的受力状态，进而对隧道施工方法、支护参数等进行合理调整，从而做到信息化设计、施工，确保施工安全。所以监控量测在提高隧道现场施工安全和信息化设计方面发挥着重要作用。但是，随着工程建设的推进，由于施工、管理及理念等方面的因素，监控量测工作也存在人如下一些问题。

(1)测点布置欠佳

测点布设的规范性关系到数据采集的连续性和有效性。监控测点的布置宜在施工单位的配合下完成，避免在施工作业中造成破坏。另外有的测点易遭受到机械设备的碰撞或悬挂电缆等而发生变形、松动。如对周边收敛和拱顶下沉项目，为了能较真实反映初变形值，测点距掌子面不宜太近。

(2)测试手段有待提高

测试手段和测试方法更新过慢,仍无法适应当前工程建设的需要。当前的众多量测仪器、器械仍存在精度较低、自动化程度低、环境适应能力差、可操作性不强、性能不稳定，容易出现漂移等问题,影响了监控量测的效果及作用的发挥。虽然目前国内外也研制了许多实时监控系统，但是由于价格昂贵、仪器性能等方面原因，仍无法大规模在工程建设中推广应用。

(3)监测队伍的素质偏低

出于成本等方面的考量，现场的监控量测队伍往往是由一些实习生、学生和当地的非专业人员组成，整体技术水平偏低。他们临场分析问题、解决问题的能力不够，如对数据有效性、准确性的把握，对突发情况的处理和报告等经验不足，容易出现一些质量、安全事故。从工程实践及监控量测重要性来看，必须有熟练的技术人员专人专职、设备固定，才能有效的开展监控量测工作。

(4)对一些特殊地质情况的隧道施工监测办法不多

特殊地质情况主要是指塌方、涌水等,这些地段进行施工监测有很大的局限性。目前主要采用地质雷达或地震波进行超前地质预报，但是由于天线本身尺寸、重量、传感器布置等方面原因，对于靠近掌子面上方或掌子面顶部一定范围的地质状况很难获取，然而较多的不良的地质灾害现象多发生于隧道拱顶、拱腰部位，时常出现预报结果与实际不符合情况，导致一些安全事故的发生。或者即使是采集到了数据，但是在后处理分析手段不够成熟及对信号的解释上出现了偏差(对图像的解释很大程度也取决于工程技术人员的经验)，导致事故的发生。因此在对一些特殊地质灾害的预报上，还有很多工作需要开展。

6 结语

由于隧道工程的特殊、复杂性和隧道围岩的不确定性，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、安全必不可少的手段。以疏港公路颜岐隧道工程为依托开展监控量测技术研究，并以收敛位移为例，介绍了监控量测方法、测点布设、监测频率、数据的处理和分析等内容，并就我国当前监控量测技术研究及应用现状，指出存在的不足。由于隧道监控量测受到工程地质、施工管理、队伍素质及监测手段等多种因素的影响，对于如何进一步提高监控量测数据的有效性、准确性，提高工程质量，降低工程造价，加快施工进度，确保施工安全，还需进一步探讨研究。

[1]GB0026－2007,工程测量规范[S].

[2]JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范[S].

[3]JTG C10-2007,公路勘测规范[S].

[4]DB35/T 1067-2010,公路隧道监控量测技术规程[S].

[5]黄永清.现场监控量测在公路隧道施工中的应用[J].交通科技与经济,2010(02).