隧洞工程施工监控量测管理体系研究

菊爽飞

（中铁贵州工程有限公司，贵阳 550003）

1 工程概况

驮英水库灌区客兰东干渠竹琴2#隧洞长1 658.66 m。埋深9～20 m 之间、围岩类型为Ⅴ类。洞顶地势相对平坦，有住房、鱼塘；山体基岩出露，岩体垂直裂隙较发育，围岩情况差。轴线左侧发育一较大天坑，天坑最大直径约225 m，相对最大深度179 m：坑底高程131.3 m，渠底高程115.0 m左右，低于天坑底部约16 m，根据区域地质资料，该地区为岩溶较发育区，因此该段存在发生岩溶突水、突泥的可能。

2 监控量测的目的、意义

施工中的监控量测是施工安全的保障，在施工过程中必须按要求进行。根据隧洞的基本原理，在隧道施工中对围岩实时监控量测其目的在于掌握围岩的动态，对围岩稳定性作出评价，为确定支护的型式、支护参数和支护时间提供依据。评价支护结构的合理性和安全性，为施工提供指导，以确保施工运营的安全并防止地表下沉。具有如下重要意义：

（1）在施工过程中对开挖工作面附近围岩的岩石性质、状态进行目测，掌握围岩动态，以及围岩的施工力学性能，了解支护结构在不同情况时的受力状态和应力分布，及时改进支护，对围岩稳定性、安全性作出评价来指导现场施工。

（2）验证支护结构型式、支护参数的合理性，对支护结构施工方法的合理性及其安全性作出评价及建议，为确定二次支护时间提供依据。

（3）有效地避免塌方等工程事故。

3 监控量测项目选择

（1）主要监控量测项目见表1。

（2）选测项目：围岩压力量测、钢支撑内及外力测量、围岩内部位移测量、锚杆轴力、渗水压力、两层支护间压力量测、支护衬砌内应力。

项目地表沉降拱顶下沉净空收敛锚杆抗拉拔力仪器设备高精度全站仪高精度全站仪高精度全站仪锚杆拉拔器目的了解施工过程中地表下沉情况了解施工过程中结构变位情况了解施工过程中结构变位情况检查锚杆锚固效果布设原则洞口浅埋段沿隧洞中线每隔5～10 m布设一个测点沿隧洞拱顶每隔5～10 m布设测点与拱顶下沉点对应于边墙上布设一对测线锚杆抗拉拔力频率开挖初期1～2次/d,开挖后期1次/(2～3 d)开挖初期1～2次/d,开挖后期1次/(2～3d)开挖初期1～2次/d,开挖后期1次/(2～3 d)开挖初期1次/(1～2 d),开挖后期1次/(1～2周)备注在开挖前提前及时埋设测点工作面开挖后及时埋设测点工作面开挖后及时埋设测点一次支护后及时测试

3.1 地表下沉量测

浅埋隧洞开挖时必然引起地面沉陷，量测的目的是了解地面下沉范围和数值、地面下沉随工作面推进的规律、地面下沉稳定的时间。一般用精密水准仪量测，仪器精度要求为≤±0.1 mm，测点沿纵向（隧洞中线方向）布置：当埋深为深埋时，其间距为20～50 m；当埋深为浅埋时，为5～10 m；当埋深介于深、浅埋之间时，为10～20 m。在隧洞进出口地段及富含地下水段埋设断面，横向间距范围为2～5 m，每断面至少布置11个测点，隧洞中线附近密些，远离中线处疏些。测点应在开挖形成下沉之前埋设，一直测到下沉稳定。为了在开始下沉前进行量测，要从工作面前方H+h 处或2D 处开始量测（H 为埋深；h 为上半断面高度；D 为开挖宽度）。量测频率按照开挖面距量测断面前后距离L≤2D时，每日1～2 次；2D＜L≤5D 时，每日一次；L＞5D 时，每周一次予以控制。

3.2 拱顶下沉量测

量测目的为监视隧洞拱顶的绝对下沉量，掌握断面的变形动态，判断支护结构的稳定性，一般采用全站仪进行量测，精度要求≤±0.1 mm。

3.3 净空收敛

净空变形量测，又称净空位移量测、收敛量测。用收敛计测量开挖后隧道周边轮廓向内侧发生的相对位移。收敛量测已成为研究隧道施工的安全性、支护效果、支护施工时机、支护方法等的简便而有效的基本施工管理量测方法，是围岩监控量测的必测项目之一。测线的布置与被测断面的形状和尺寸、围岩条件及开挖方式有关。当断面较大且围岩软弱时，测线布置略多。

3.4 锚杆抗拔力

锚杆拉拔试验主要以锚杆的抗拉拔力检查锚固力，施作锚杆地段每10～30 m 或100～150 根检查1组，每组至少做3 根锚杆拉拔试验，采用锚杆抗拔器进行检测。

3.5 选测项目

选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补充测试，因此，每个隧道要根据其具体情况选择合适的选测项目，一般在Ⅳ级、Ⅴ级围岩段及不良地质段设置，其主要目的：①及时掌握围岩的力学强度，对围岩的稳定、安全性作出评价；②了解和掌握隧道支护结构的受力状态，验证支护结构型式、支护参数的合理性，确定二次支护的时间；③对支护结构、施工方法的安全性作出评价及建议，以指导现场施工；④为变更设计、调整施工方法提供科学依据；⑤有效避免塌方等工程事故。

4 监控量测管理体系建立

针对隧洞工程监测的特点建立专业小组，由项目工程部派驻现场2～4 人建立监测小组，由具有丰富隧道施工经验、监测经验及有结构受力计算、分析能力的技术人员担任组长，其余人员在组长指导下负责地面、地下的日常监测及资料整理[1]。

产房、保育及育肥前期是最需要保暖的地方，特别要注意猪舍温度的稳定，不能温差过大 （不超过5℃），造成仔猪应激，引起疾病。保育和产房要储备一定量的电热板和取暖灯，以防有损坏并能及时的补充上。育肥前期的猪只可铺垫草或垫板取暖。同时，应准备额外的例如燃油暖风机等临时加温机器，以备临时升温用。

为保证量测数据的真实可靠及连续性，应制定以下各项措施：

（1）监测组与监理工程师密切配合工作，及时向监理工程师报告情况和问题，并提供切实可靠的数据记录。

（2）制定切实可行的监测实施方案和相应的测点埋设保护措施，并将其纳入工程的施工进度控制计划中。

（3）量测项目人员要相对固定，以便保证数据资料的连续性。

（4）量测仪器采用专人使用、专人保养、专人检校的管理方式，使用前经检校合格后方可使用。

（5）各监测项目在监测过程中必须严格遵守相应的实施细则。

（6）量测数据均要经现场检查，室内两级复核后方可上报。

（7）量测数据的存储、计算、管理均采用计算机系统进行。

5 监测数据分析

取得监测数据后，要及时进行整理分析，绘制位移随时间或空间的变化曲线图。在取得足够数据后，还应根据散点图的数据分布情况，选择合适的函数，对监测结果进行回归，以预测该测点可能出现的最终位移值及结构的安全性，评价施工方法，确定工程措施。为确保监测结果质量，加快信息反馈速度，全部监测数据均由计算机管理，并绘制测点位移时间变化曲线图（如图1）。

位移时间曲线的曲率趋于平缓时，应对数据进行回归分析或其它数学方法分析，寻找一种能够较好反映监测数据变化规律和趋势的函数关系式，对下一阶段的监测物理量进行预测，防患于未然，预测最终位移值及结构物的安全性，并据此确定工程技术措施等。因此，对每一测点的监测结果要根据管理基准和位移变化速率等综合判断施工和支护衬砌结构的安全状况。根据监测数据绘制拱顶下沉、水平位移等随时间及工作面距离变化的时态曲线，了解其变化趋势，并对初期的时态曲线进行回归分析，预测可能出现的最大值和变化速率。

图1 位移～时间关系曲线

位移～时间关系曲线若如图1（a）中出现反常，表明围岩和支护已呈不稳定状态，应加强支护，必要时暂停开挖并进行施工处理；若如图1（b）中所示趋于平缓时，进行数据处理或回归分析，从而推算最终位移值和掌握位移变化规律。回归分析函数在下列函数中选择：对数函数：U=a+b/lg（1+t）或U=a×lg（1+t）；指数函数：U=a×e-b/t或U=a×（1-e-b/t）；双曲函数：U=t/a+b×t或U=a×［1-1/（1+b×t）2］。

式中：a、b 为回归常数；t 为初读数后的时间，d；U 为位移值，mm。

6 信息反馈及运用

6.1 信息反馈

信息反馈与修正设计是指在隧洞开挖后，根据施工信息，对施工前预设计所确定的结构型式、支护参数、预留变形量、施工工艺、施工方法以及各工序施作时间等的检验和修正。信息反馈与修正设计的基本要求为隧洞施工时，设计及施工必须紧密配合，共同研究，综合分析各项施工信息，及时进行信息反馈，最终确定和修改设计方案。也是对各种信息进行综合分析、互相印证，对设计参数修正和施工方法的改进是不可缺少的部分。监控量测信息反馈流程见图2。

6.2 信息的运用

监控量测信息运用主要包括以下方面：

图2 监控信息反馈流程

（1）根据一个量测断面的施工信息综合分析处理结果进行设计参数修正，只适用于该断面前后不大于5 m 的同类围岩地段。

（2）隧洞较长地段同类围岩设计参数的修正，特别是降低设计参数，必须以不少于3 个断面的施工信息综合分析为依据。按修正后的设计参数进行开挖的地段，其设计参数的正确性和合理性应根据施工信息综合分析予以验证。

（3）信息反馈与修正设计的内容包括施工方法变更的建议；施工工序的更改；预留变形量的修改或确认；设计参数的修改或确认；采用辅助施工措施的建议等。

（4）遇到隧洞开挖后，工程地质和水文地质、围岩类别比预计的要差；喷射混凝土层裂缝多、裂缝大或不断发展；实测位移值超过规定的允许值或类似条件下的隧洞位移值；位移速率无明显下降，实测位移值已接近规定的允许值，位移量可能超过预留变形量，同时一次支护混凝土表面已出现明显裂缝；或者实测位移速度出现急剧增长时，稳定性特征出现异常状态等情况之一时，应立即采取补强措施，改变施工方法、程序或设计参数，需要增强一次支护技术措施，必要时应立即停止开挖，进行施工处理。

（5）遇到确认围岩类别、工程地质及水文地质条件比预计有明显好转或有具体工程类比；一次支护未全部完成，位移已收敛，达到施作二次衬砌的指标；经现场地质观察评定，认为在较大范围内围岩稳定性较好；一次支护全部施作完毕，位移量远小于规定允许位移值且稳定速度快等情况之一时，应改变设计参数，降低一次支护强度或技术措施。

（6）采用一次支护和二次衬砌复合式支护衬砌的隧洞工程，二次衬砌的施作应在同时达到隧洞周边水平收敛速度小于0.2 mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1 mm/d；隧洞周边水平收敛速度以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降；隧洞位移相对值已达到总相对位移量的90%以上等3 项标准时进行。

（7）监测数据要及时以报表的形式上报技术、安全、施工、设计、监理及业主等部门，并编写周、月汇总报表，及时反馈指导施工，调整施工参数，达到安全、高效施工之目的。

7 结语

隧洞工程施工监控量测是确保安全、科学施工的重要手段。隧洞工程施工主要监测项目为地表与拱顶下沉、净空收敛、锚杆抗拉拔力等；选测项目为围岩压力量测、钢支撑内及外力测量、围岩内部位移测量、锚杆轴力、渗水压力、两层支护间压力量测、支护衬砌内应力。按照围岩等级和位移速度建立施工监控量测管理体系，为施工安全提供指导。