大跨度长隧道监控量测及应用

张昊 中交二航局市政建设有限公司

1.工程概况

阳坡里隧道设计形式为双洞分离式，其为大跨度长隧道，左右测设线间距为19.1～53.6m。隧道入口处地形较为陡峭，坡度约为45°，该区域基岩基本处于裸露状态；而隧道出口处地形则相对平缓，坡度约为20°。地面绝对高程1087.48～1190.91m，相对高差35～105m，最大埋深为140m。隧道进、出口均处于一斜坡上，隧道轴线与岩层坡面斜交，边坡切面与洞口非对称，属斜面斜交型，存在偏压影响。通过对岩体基本质量指标进行修正，综合评定隧道围岩基本质量级别为V级和IV级。

2.监控量测的内容及目的

监控量测即指隧道施工过程中，使用各类仪表和仪器，对衬砌、支护和围岩和受力变形以及相互间的力学关系、应力影响，进行观察和评估，使施工方在掌子面开挖后正确了解围岩的动态变化，从而保证隧道结构安全和施工安全，通过分析处理可及时调整爆破、初支和二次衬砌相关参数，掌握临时支护的安拆时间及二次衬砌合理施作，从而进一步优化设计和施工方案，达到可靠、经济、高效的目标。

3.监控量测方法

3.1 断面及测点布置原则

（1）为了能够及时了解隧道在开挖过程中的稳定性，通过监测不稳定的围岩块体，在有代表性的地段设置观测断面，在特殊的工程部位设置观测断面进行量测。

（2）拱顶下沉、隧道水平收敛、地表沉降观测点应该尽量布设在同一断面上，以使量测结果互相对照，互相检验。

（3）针对隧道进、出口浅埋段需进行量测，进行方案优化，及时反馈相关消息，指导设计施工。

3.2 量测项目选定

根据本项目隧道围岩等级，可选择地表沉降、周边收敛位移和拱顶下沉为三个必测项目。根据隧道地质条件及埋深情况，本条隧道施工过程中存在偏压影响，故增设围岩体内位移监测。

3.3 洞口地表沉降

（1）在进行洞口地表下沉监测过程中，监控量测工作范围横向应扩大到隧道中线两侧（1～2）（b/2+h+h0），纵向应在掌子面前后（1～2）（h+h0），（b为隧道开挖宽度，h为隧道开挖高度，h0为隧道埋深）。每个监控量测断面之间的距离以2～5m为宜，具体情况根据现场、周边的施工条件和地质状况进行适当的调整。

（2）洞口地表下沉应根据隧道的实际施工进度进行监测，应以开挖面为起点，至隧道二次衬砌全部施工完毕为终点。

当隧道地形高差变化较大时，应采用精密电子水准仪测量，其测量的最小精度应控制在±1mm，此时也可采用高精度全站仪近距量测。在地形平坦地区，其量测精度为±0.1mm。

由于本项目隧道地表高程变化较大（h≤40m），根据设计图纸要求，应在相应位置布设地表下沉工作点并满足水准测量的要求；其次，在可能出现破裂面以外4倍洞径位置处埋设基准高程点，通过后续量测的结果，从而得到各观测点的下沉量。

3.4 周边收敛量测

对于隧道周边位移采用收敛计观察的方法，通过两次测量的结果，计算其收敛差值就可以得到隧道周边在两次量测期间所产生的收敛值，量测时读数精度为±0.01mm。

在现场量测过程中，采用弹簧秤、钢丝绳、滑管在钢尺一端施加固定的水平张力，同时通过百分表读取本次量测的初始值；由于初始值应具有可比性的特点，其量测结果应多次测读；当连续三次量测结果计算的误差R≤0.18mm（R值根据收敛计不同而异）时方可进行下步施工作业。同时可以运用相同的方法量测出间隔时间t后的t时刻的值，则t时刻量测的周边收敛值即为百分表两次量测的读数差。

隧道周边收敛测点布置选择全断面5点式布置，形成AB测线、AC测线、BC测线、AB’测线、AC’测线、B’C’测线。如图1所示。

3.5 拱顶下沉量测

拱顶设置测点与周边收敛在同一断面上。对于量测拱顶下沉时可以采用精密电子水准仪、标准钢尺等测量设备，待观测点埋设完成后，及时进行初始数据记录。具体方法为，首先量测出各观测点的初始高程值，其次在间隔时间后量测出对应点位的的当前高程值，则测量的高差△H=H0-Hn即拱顶下沉值。

3.6 围岩体内位移

隧道轴线与岩层坡面斜交，边坡切面与洞门非对称，属坡面斜交型，存在偏压影响。同时由于隧道在偏压浅埋段，围岩岩体较破碎，岩质松软，边坡及仰坡开挖时易造成围岩松动及偏位。为了分析隧道施工安全，掌握隧道围岩动态变化信息，本隧道增设围岩体内位移监控量测，采用全站仪三维坐标法观测分布在某断面的周边收敛和拱顶下沉的反射棱镜片进行量测工作。其原理为全站仪的自由设站，即通过观测两个以上的后视点（已知坐标及高程），反算出设站点的三维坐标，根据设站点的坐标，及观测点的边、角值计算观测点的三维坐标，采用传统振弦式多点位移计与全站仪三维坐标法分别进行洞内围岩体内位移进行观测，采用全站仪三维坐标法进行洞内围岩体内位移监测方便、快捷，可以做到时时监控更为直观的反应围岩条件不好地段的围岩情况。

4.量测数据分析处理

4.1 量测数据分析处理

量测数据在分析处理时，只有在量测工作全部完成后，通过大量数据进行回归分析从而得到最终收敛值，这样就无法满足现场施工进度的需求。在量测的过程中必须及时收集每次量测的结果，来绘制时间-数据的变化曲线。通过绘制的图表，可以实时了解各部位的变化趋势，来判断施工过程中的安全性，借此来指导现场施工。

4.2 量测数据反馈

一般情况下，围岩失稳的表现与信息特征：围岩不收敛或变形有加大的趋势，喷层开裂有发展趋势，围岩稳定信息特征是：周边收敛＜0.2mm/d，拱顶下沉位移＜0.15mm/d；变化趋势逐渐平缓；相对位移值达到计算总位移80%。在实际施工中，通过对隧道进行监控量测，特别是对浅埋、偏压段进行重点监控，收集量测数据，绘制图表进行数据分析，指导复合衬砌设计以及施工。同时，量测数据为设计提供了准确的数据支撑，使其能够实时了解围岩力学形态的变化及其规律，从而判断围岩在施工过程中的稳定性。

5.隧道监控量测注意事项

（1）监测过程中，由于受到中隔墙的影响，其水平收敛数据会变小，且拱顶下沉大于水平收敛值。收敛值、位移值受裂隙水的影响较大，在裂隙水较大位置位移值较大，而且稳定时间较缓，在反馈结果时要注意。在浅埋、偏压段，由于开挖后5d变形较大，因此，施工期间应遵循“短掘进、弱爆破、快支护”的原则，以此减少围岩扰动。

图1 全断面周边收敛测点布置图

（2）为确保量测数据的准确性，监测使用的量测设备其精度应符合工程要求，且需经过检定合格后方可投入使用。此外，还应详细记录各项内容，围岩、支护数据以及天气情况等应形成图表，以备查阅，确保量测数据的准确性和及时性。

（3）量测数据的分析要及时、准确，保证数据真实有效，能够为现场施工提供数据支撑。

（4）量测人员应具有丰富的施工测量经验，能够指导现场监控量测工作。

6.结束语

在大跨度长隧道的施工过程中，监控量测是安全施工的重要手段与组成部分，其量测结果是在施工过程中获取到的定量数据，通过对数据的分析，了解围岩在施工中的变化情况和对各项监控量测数据的统计分析，有利于判断符合施工需要的支护参数，通过测量可以预见和及时发现工程中的事故及隐患，做到防患于未然。