隧道稳定性监测在施工中的实施方法

2016-11-29胡林翼

公路与汽运 2016年5期

关键词：拱顶测点断面

胡林翼

（湖南省马安高速公路建设开发有限公司，湖南长沙 410011）

隧道稳定性监测在施工中的实施方法

胡林翼

（湖南省马安高速公路建设开发有限公司，湖南长沙 410011）

结合隧道施工监控测量经验，从监测断面和测点布置，周边收敛、拱顶下沉、地表沉降等数据采集及数据处理方面分析了监控测量在隧道施工中的实施方法，以及时判断隧道围岩的稳定状况并确定支护方案，确保隧道施工的顺利进行和安全。

隧道；监控测量；稳定性

由于地质环境具有很大不确定性，隧道围岩的变化错综复杂，加上开挖方式多样，可能导致隧道施工过程中出现坍塌、冒顶、突水、涌沙等现象，甚至在隧道建成后出现渗漏及变形等质量问题。因此，在隧道施工过程中进行隧道稳定性监测和分析对隧道安全稳定具有重要意义。

1 隧道施工监控测量的实施

监控测量应贯穿隧道施工全过程，监测内容有必测项目、选测项目两大类。必测项目是指为确保围岩稳定、判断支护结构状态而必须经常性测量的项目，包括周边收敛、拱顶下沉、隧道内目测观察等，对指导设计、施工有巨大作用；选测项目是对一些具有代表性的区段进行补充监测，视具体情况主要包括地表下沉、围岩压力、钢支撑内力等。

1.1监控测量断面的布置

隧道监控测量的必测项目如周边收敛、拱顶下沉、净空变化等的测点原则上需设置在同一断面，测量断面间距及测点数量根据实际情况按表1确定。

表1　必测项目监测断面布置间距和测点数量

同一处拱顶下沉、周边收敛测量应设在同一断面，以便于相互印证，断面布点见图1。拱顶及地表下沉测量基点应与洞内、外水准基点建立测量体系。

图1　Ⅴ级围岩测量断面布点示意图

隧道浅埋地段下沉测点布置要求：1）应布置在隧道中心及两侧间距2～5 m处；2）应布置在隧道开挖影响范围以外，隧道中间附近应适当加密；3）每个断面设7～11个监测点。地表沉降监控断面监测点布置见2。

图2　Ⅴ级围岩测量断面布点示意图（单位：m）

1.2地表沉降的监测

通过水准基点对地表沉降量进行测量，需注意的是同一工程每段都应使用同样的水准点埋设方法，在不受影响的地方用电锤钻孔，下设150φ12钢筋，浇筑水泥，露出2mm钢筋头。

在地表下沉量未达到稳定要求、隧道衬砌施作未完成前需一直进行地表沉降量监测，后续监测要根据前几次监测结果进行，观测值变化较大时需加强观测。观测中应注意地表沉降量与拱顶下沉和净空变化的关系，尽量保持三者测量频次相同（见表2）。按照国家二等水准测量要求（必要时采用三等水准测量要求），确定基准高度后用精密水准仪与水准尺配合进行监测。需一站测量，不能转换观测站，每个测点测量3次，取平均值作为监测结果。

表2　地表下沉监测频率

1.3拱顶下沉的监测

采用新奥法施工时需对拱项下沉量进行观测，以定量衡量拱顶围岩稳定程度。通常情况下需在拱轴线位置设置拱顶下沉观测点，跨度较大的隧道需在拱部设置沉降观测点。测量仪器包括水准仪与钢挂尺或全站仪配合操作。水准仪放置在拱顶观测点之下、标准高程点之上。对钢尺需进行调平，调平后记下钢尺度数（前视钢尺度数）H1，再在张拉力相同的情况下记下后视钢卷尺的度数H2，拱顶测量点高程为H0+H1+H2（H0为标准高程点的高程）。前后两次测量的拱顶高程差为该时间段的拱顶下降量，即拱顶沉降量。隧道拱顶下沉测量方法见图3。

图3　拱顶沉降监控测量方法示意图

如果隧道的断面较大，拱顶较高，不能使用水准仪与钢挂尺，最好使用全站仪进行测量。在拱顶预埋下沉观测点，布置φ22钢筋，钢筋在支护面外露2 cm，钢筋头保持平整。沉降观测站可自由建立，高程测量不计算仪器高度，但观测站后视读数应至少有2个高程基准点参照。

拱顶沉降的测量频率与收敛点相同，如果按表3、表4所示频次进行观测时偏差较大或观测数据出现异常甚至达到报警指标，则应提高观测频率，稳定后方可降低频率；若观测时遇到膨胀性与挤压性围岩，则应定期观测位移量，如其位移没有消减趋势，还应适当延长监测周期。

表3　拱顶下沉测量频率（按位移速度）

表4　拱顶下沉测量频率（按与开挖面的距离）

1.4周边收敛的监测

周边收敛监测数据能直接反映隧道周围的变化，为隧道提供更加可靠的地质信息；根据速度变化可判断围岩是否稳定，为衬砌提供合理支撑时机。在隧道周边、拱腰和边墙部位分别埋设测桩，桩深31 cm，直径约43 cm，采用JSS30A型数显式收敛仪采集收敛值。

2 监测数据的处理

施工过程中难免会出现偶然误差，使监测数据产生离散，需进行数学处理，找出其一般规律和数学表达式，为监控设计和预测、预报提供可靠信息。

2.1实测数据回归分析

常采用对数函数、指数函数和双曲线函数对监测数据进行回归分析。对数函数的表达式为：指数函数的表达式为：

双曲函数的表达式为：

式中：u为位移值（mm）；t为初读数后的时间（d）；A、B为回归常数。

在数据回归分析中将各种测量数据相互印证，以确定测量结果的可靠性，并根据测量数据随时间的变化规律，使用较理想的数据进行回归分析，选择一组与实测数据系列性拟合较好的回归函数对最终值或变化速率进行预测、预报。

2.2监测数据的应用

在隧道监测中，数据测量及数据分析、整理、反馈等环节极为重要。每次测量之后，根据所得结果绘制图像。在绘图初期，利用图形进行回归分析，根据图像的变化预测应该出现的最值及相关速度变化。若发现图像出现异常现象，应及时采取加厚喷层、增加密度、加长锚杆等加固措施。

根据实测数据，通过回归分析得出位移值，对照表5、表6综合判定隧道的稳定程度，确定变形管理等级，以指导施工。

表5　跨度B≤7 m隧道初期支护极限相对位移

表6　跨度7 m＜B≤12 m隧道初期支护极限相对位移

根据位移时态曲线（见图4）的形态判别和分析围岩的稳定情况：当d u2/d2t＜0时，围岩处于稳定状态，围岩位移速率不断下降；当d u2/d2t=0时，围岩处于不稳定状态，围岩位移速率保持不变，应加强支护；当d u2/d2t＞0时，围岩进入危险状态，围岩位移速率不断上升，必须立即停止掘进，并加强支护。