大跨度变截面隧道施工监测设计与信息反馈

龙秀堂 罗宁宁 申玉生

摘 要：以成兰铁路杨家坪隧道施工为例，提出了现场监控量测的实施方案，并对该方案的监测仪器、测点布置、施工监测及量测频率进行了介绍，并选取典型断面和典型测点的监测数据进行整理分析，具体分析杨家坪隧道的拱顶下沉、周边收敛位移、围岩接触应力、钢拱内力和锚杆轴力。结果表明，隧道开挖围岩稳定性良好，并未发生失稳破坏，为后期隧道建设提供优化方案，为今后大断面隧道的施工积累了经验。

关键词：隧道;监控量测;数据分析

中图分类号：U456.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）04-0093-04

Abstract： Taking Yangjiaping tunnel construction of Chengdu-Lanzhou Railway as an example， the implementation scheme of on-site monitoring and measurement was put forward， and the monitoring instruments， measuring point arrangement， construction monitoring， measuring frequency and data collection and arrangement of the scheme were introduced， and the monitoring data of typical cross section and typical measuring point were selected for sorting and analysis， and the vault subsidence， peripheral convergence displacement of Yangjiaping tunnel were specifically analyzed. The results show that the stability of the surrounding rock is good， and there is no instability damage. It provides the optimization scheme for the later tunnel construction and accumulates the experience for the construction of large section tunnel in the future.

Keywords： tunnel;monitoring measurement;data analysis

1 研究背景

在對隧道进行施工的过程中，监控量测是其中十分关键的一个步骤。通过监控量测可实时掌握隧道围岩的稳定情况及变化。在施工中的监控量测不仅要能及时准确地反映出施工中出现的问题，也要对隧道施工中即将遇到的问题给以必要的信息，以便能为判断隧道施工过程中围岩的稳定及支护结构安全提供科学依据，确保隧道施工安全。

谷拴成等[1]以唐家塬隧道为工程背景，通过现场监测拱顶下沉、围岩收敛、围岩压力、初衬与二衬接触压力和二衬混凝土应变，对监测数据进行整理分析后得出结论：超大断面黄土隧道围岩变形大致经历了急剧变形、持续增长、缓慢增长3个阶段;靳晓光等[2]以二郎山公路隧道施工过程的工程实践为依据，利用常规围岩变形监控量测和围岩变形跟踪监测系统及二次应力场测试，获取隧道围岩动态综合信息;罗兴虎[3]通过对陆域明挖段典型断面监测资料进行分析，得出了基坑施工对围护结构及周边环境的影响形式，监测结果表明，采用信息化施工的监测手段，能够及时解决发现的险情，确保基坑工程的安全。

但考虑到工程的特殊性和理论计算及数值模拟时一般都采用理想化假定，故实际工程现场监测数据对研究大断面隧道围岩压力的真实分布情况具有重要意义，但近几年这方面的分析并不多。本文在已有研究成果的基础上，以成兰铁路杨家坪隧道施工现场监控量测为依托，选取典型断面和典型测点对其量测数据进行分析和信息反馈，以优化设计和施工方案，为今后类似隧道工程的设计、施工和监测等提供参考。

2 工程概况

杨家坪隧道位于龙门山断裂带的龙门山主中央断裂带与龙门山后山断裂带之间，全长12 815 m，开挖断面达270 m2，隧道最大埋深为735 m，结构周长为57 m，开挖宽度为20.8 m，开挖高度为16.7 m。隧道围岩岩性以志留系中上统茂县群绢云母千枚岩、绿泥千枚岩为主，夹炭质千枚岩、泥质灰岩，石质软弱，隧道开挖后围岩剥落、掉块严重，整体稳定性差。受龙门山主中央断裂带与龙门山后山断裂带等区域构造的影响，构造复杂，节理发育，主要发育杨家坪背斜、杨家坪向斜。

3 隧道监控量测内容与方法

为了确保杨家坪隧道施工顺利进行，并较为准确地掌握施工过程中围岩的稳定状态，检测各项支护手段的效果，指导施工和变更设计，应按要求进行支护结构应力应变监测工作。隧道监控量测项目和设计方案应根据该工程地质条件和设计要求及施工规范综合选定。隧道监控量测项目由必测项目和选测项目组成[4]。

3.1 必测项目

必测项目主要内容包括：①隧道洞内、外观察;②周边收敛位移;③拱顶下沉的量测[5]。现场施工必测项目及量测方法如表1所示。

3.2 选测项目

选测项目主要内容包括：①围岩接触应力;②钢架内力;③锚杆轴力[6]。现场施工选测项目及量测方法内容如表2所示。

4 隧道监测实施方案

4.1 监测点布置

选取2号横洞小里程方向DK112+950作为监测断面。量测断面测点的布设方式如图1所示。具体仪器安装数量如表3所示。

4.2 量测频率

量测读数的频率按照《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB 10304—2009）的要求进行，确保采集数据的可靠性、准确性和科学性[7]。量测项目的监测频度如表4所示，按距开挖面距离确定的监控量测频率如表5所示。

5 监测数据分析

由于施工现场环境复杂，各个监测项目的监测点经常会遭到破坏或遮挡，考虑到监测数据的完整性、连续性和准确性，选取2号横洞小里程方向DK112+950作为监测断面。

5.1 必测项目

5.1.1 洞内、外观察。洞内、外观察以目测为主，辅以量尺、放大镜等工具和手机、照相机等设备进行。对现场巡视检查情况采用专制巡视检查表记录，并及时整理，与仪器监测数据进行综合分析。巡视检查如发现异常和危险情况，应及时通知相关部门或单位。

5.1.2 拱顶下沉。拱顶沉降位移曲线如图2所示。从图2可以看出，在隧道开挖后，拱顶下沉量持续增长，直至下台阶开挖完毕后，拱顶沉降速率有减慢收敛的趋势，此时累计沉降量已达150 mm。然而，仰拱开挖使应力平衡再次遭到破坏，隧道拱顶出现新一轮的沉降，但随着初期支护闭合及一系列加固措施实施后，拱顶沉降量基本稳定在170 mm并逐渐收敛。

5.1.3 周边收敛位移。周边水平收敛曲线如图3所示。从图3可知，周边位移变化与拱顶下沉变化相似，曲线整体呈“抛物线”形状，4个监测点的收敛曲线走向基本一致，在隧道开挖期间均以较快的速率向洞内变形，并在隧道仰拱开挖后，收敛速率进一步增长。其中，右边墙部位中下台阶交接处的S2-1点收敛速率较大，说明该部位围岩破坏变形较为严重。为抑制围岩进一步向洞内变形，及时采用了加固措施，抑制了围岩的进一步变形并逐渐收敛，右边墙点S1-1和点S2-1的最终累计收敛值分别为170 mm和250 mm，左边墙点S1-2和点S2-2最终累计收敛值分别为150 mm和190 mm，累计变形量均在安全范围内。此时隧道围岩变形已经基本趋于稳定，应及时施加二次衬砌[8]。

5.2 选测项目

5.2.1 围岩接触应力监测分析。围岩接触应力时程曲线如图4所示。从图4可以看出，围岩变形后作用在初期支护上的力持续时间长，右边墙处围岩压力增长最为显著，最大围压压力达到0.3 MPa;最小围压压力位于左拱肩，其值为0.045 MPa。这说明隧道边墙产生了较大的变形破坏，这与隧道所处地区水平构造应力大的特征基本相符。同时，该测段为高度发育的节理化软岩，具有明显的各向异性，随着围岩逐渐被破坏，其应力进行了多次重新分布。

5.2.2 钢拱内力监测分析。钢拱架（内侧）内力时程曲线和钢拱架（外侧）内力时程曲线如图5和图6所示。从图5和图6可以看出，钢拱架全部承受压应力，应力分布极不均匀，在前期受力变化很大，说明钢拱架的存在约束了围岩的松弛和塑性区的扩大，在后期呈收敛趋势，说明钢拱架的设计荷载能满足要求。钢拱架内、外侧峰值内力均位于右边墙，分别为-28kN和-41kN。钢拱架内、外侧内力最小值均位于左边墙，分别为-12kN和-10kN。右侧受力相对大些，也符合该隧道右侧围岩较破碎的特点。

5.2.3 锚杆轴力监测分析。锚杆轴力内、外时程曲线如图7和图8所示。从图7和图8可以看出，隧道锚杆内、外侧钢筋计均受拉，说明围岩能将应力传递至锚杆达到控制围岩变形的作用。锚杆轴力时程曲线经过急剧变形、持续增长、缓慢增长三个阶段后逐渐趋于收敛。从变化曲线图中还可以看出，锚杆内侧轴力峰值为50 kN，位于拱顶，外侧轴力峰值为42 kN，位于右边墙。分析锚杆轴力数据可知，锚杆轴力远小于设计值，表明锚杆有较大的安全系数。

6 结语

通过对隧道开挖过程进行监测，并选取典型断面和典型测点的监测数据进行整理分析，得出隧道开挖过程中拱顶下沉、周边收敛位移、仰拱隆起、围岩接触应力、锚杆轴力和钢拱内力的变化规律，结论如下。

①从拱顶下沉监测数据分析可知，在下台阶、仰拱开挖期间拱顶下沉量较大，但处于合理变化范围内[9]。本工程隧道拱顶沉降量基本稳定在170 mm并逐渐收敛。

②右边墙点S1-1和点S2-1的最终累计收敛值分别为170 mm和250 mm，左边墙点S1-2和点S2-2最终累计收敛值分别为150 mm和190 mm，累计变形量均在安全范围内。S2-1点收敛速率较大，说明该部位围岩破坏变形较为严重，应及时施加加固措施。

③围岩接触应力最大值达到0.3 MPa，位于右边墙;最小围压压力位于左拱肩，其值为0.045 MPa。在测试两个月之后，围岩接触压力值基本收敛，未出现时程曲线发散的情况，围岩稳定。同时，右拱腰的围岩接触压力值较大，表明该监测断面存在一定程度的偏压。

④钢拱架内、外侧峰值内力均位于右边墙，分别为-28 kN和-41 kN。钢拱架内、外侧峰值内力最小值均位于左边墙，分别为-12 kN和-10 kN。右侧受力相对大些，也比较符合该隧道右侧围岩较破碎的特点。

⑤锚杆内侧轴力峰值为50 kN，位于拱顶;外侧轴力峰值为42 kN，位于右边墙。锚杆轴力远小于设计值，表明锚杆有较大的安全系数。

杨家坪隧道现场监控量测的数据分析表明，该隧道开挖围岩稳定性良好，并未发生失稳破坏，监控量测资料也从侧面反映了施工的实际情况，是施工中不可或缺的部分。监控量测工作是隧道安全施工的必要条件，对隧道的开挖施工、初期支护、二衬的合理步距具有指导性意义。监控量测工作贯穿于整个隧道施工的全过程，直至隧道运营[10]。

参考文献：

[1]谷拴成，周云鵬.超大断面黄土公路隧道监控量测与分析[J].施工技术，2014（18）：82-86.

[2]靳晓光，王兰生，卫宏.公路隧道围岩变形监测及其应用[J].中国地质灾害与防治学报，2000（1）：19-23.

[3]罗兴虎.港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道信息化监测分析[J].铁道建筑，2015（5）：86-88.

[4]张奇.监控量测在崤山长大隧道施工中的应用[J].冶金丛刊，2017（4）：60，69.

[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（2）：67-69.

[6]陈忠球.监控量测在石鼓特长隧道施工中的应用[J].公路交通技术，2011（1）：115-117.

[7]中华人民共和国铁道部.铁路隧道工程施工安全技术规程：TB 10304—2009[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[8]贺云.公路隧道监控量测及围岩稳定性分析[J].华东公路，2018（2）：32-35.

[9]王建宇.隧道工程监测和信息化设计原理[M].北京：中国铁道出版社，1990.

[10]郝哲，赵春艳，胡铁明，等.公路隧道施工中的测试与监控技术[J].沈阳大学学报（自然科学版），2004（6）：47-51.