杭千高速南峰和善岭隧道监控量测技术的应用

何华春 曾水泉

1 隧道概况

南峰和善岭隧道是杭千高速杭州—桐庐段重要工程之一，位于杭州富阳境内，南峰隧道位于南峰村西南，隧道起讫里程为K27+010～K27+410，长400 m。善岭隧道位于南峰隧道出口后跨越毛竹湾山沟的西南侧山坡上，隧道起讫里程K27+487～K27+815，长 328 m。

两隧道均为六车道连拱隧道，根据设计和钻探资料，两隧道段地质情况为:两隧道位于富春江河谷平原堆积地貌区，南峰隧道进出洞口地段地形起伏较大，植被发育。表部为残坡积土，Vp=500 m/s～900 m/s，层厚 1.0 m～4.0 m。下伏基岩，中风化砂岩，Vp=1 700 m/s～2 800 m/s，层厚4.0 m～10.0 m，微风化砂岩厚度大，Vp=2 800 m/s～3 600 m/s，岩石为块、碎石状结构，节理很发育。地下水不发育，主要为基岩裂隙水。善岭隧道进洞口地形起伏较大，出洞口较平缓，表部第四系残坡积土为含碎石亚黏土Vp=600 m/s～1 000 m/s，结构松散，稳定性差;下伏基岩为强风化砂岩，厚约6.0 m，Vp=1 000 m/s～1 800 m/s。中风化砂岩，厚度大，Vp=1 900 m/s～2 800 m/s，节理发育。微风化砂岩 Vp=2 800 m/s～3 900 m/s，节理裂隙较发育。地下水不发育，主要为裂隙水，两隧道的最大埋深为74 m。

2 量测方法

1)地质及支护状况观察。隧道各个工作面，重点在Ⅳ类围岩地段，每次爆破开挖、喷混凝土初期支护后，通过铁锤锤击检查、肉眼观察、地质罗盘量测，对岩性、结构面产状、支护和岩层裂隙、溶洞、风化程度、岩层厚度和颜色、地下水等进行记录和描述，判断围岩的稳定性，核对围岩级别、岩质、断层破碎带、褶皱等，对重要或特殊部位进行拍照存档，测量地下水流量及其腐蚀性，同时通过断面测量作实际断面与设计断面对比图。

2)围岩周边位移量测。a.测桩要求在开挖爆破后24 h内与在下一循环爆破前完成全部埋设，并读取初读数;b.测桩应尽可能布置在同一断面，Ⅱ类围岩每10 m～15 m一个，Ⅲ类围岩每15 m～25 m一个，测量点应尽可能选择具有代表性的地方，以便测量数据的分析及为以后的工作提供经验;c.测桩埋设深度30 cm左右，钻孔直径同锚杆，采用早强锚固剂固定，测桩表面用保护罩防护;d.净空水平收敛两测点应在同一水平线上，采用SWJ-TV型收敛计量测收敛变形。由于南峰及善岭隧道地质情况较好，洞内量测间距平均为30 m，洞门段为10 m。

3)拱顶下沉量测。拱顶下沉量测点布置在隧道的拱顶中轴线处，测点表面设一个挂钩，与周边位移量测同一个断面。作为围岩周边位移量测的补充，采用高精度的水准仪和钢尺量测拱顶的绝对下沉量。

4)地表下沉量测。在隧道出入口各设5个量测断面，间距10 m，在选定的量测区域内，设测量方便、牢固的基准点，在深40 cm的土坑内打入60 cm长的φ 22钢筋，外露3 cm～4 cm并用混凝土填实，按顺序编好号并在附近打上大木桩便于寻找。测点沿地面布置在隧道轴线及其两侧5个点，测点间距2 m～5 m，中间间距小，两边间距大，用水准仪测量。隧道开挖到距测点前后各10 m～20 m范围内进行量测，直到沉降稳定以后停止测量。

5)数据采集频率。根据施工开挖监控量测设计图的要求，同时为了满足数据分析的需要，测量读数的频率不得小于规范的要求，其数据采集频率见表1。

3 量测数据的整理与分析

表1 数据采集频率

1)水平净空收敛量测(周边位移量测)。南峰和善岭隧道水平净空收敛均采用SWJ-TV型收敛计量测，隧道净空水平收敛量测后，根据测量成果，绘出周边位移 s与时间t的对应分散点，同时进行一元非线性回归计算，绘出周边位移s与时间t的圆滑变化曲线。判断净空水平收敛的变化速率相对较小，变形呈收敛趋势，围岩趋于稳定(见图1)。

2)拱顶下沉量测。拱顶下沉采用高精度的水准仪和钢尺进行量测，量测断面与周边位移量测断面对应，绘出拱顶下沉 s与时间t的对应分散点，同时进行一元非线性回归计算，绘出拱顶下沉s与时间t的圆滑变化曲线，判断拱顶下沉的变化速率相对较小，变形呈收敛趋势，围岩趋于稳定(见图2)。从善岭隧道桩号K27+500这个具有代表性的“隧道拱顶下沉时态曲线”可以判断出，该隧道拱顶下沉绝对值比较小，在20 mm左右，并具有明显的收敛趋势，经过一个半月后，在下台阶开挖完成后，基本趋于稳定，围岩性质相对良好。

3)地表下沉量测。地表沉降量测采用高精度的水准仪，根据测量记录，对量测数据进行一元非线性回归分析，作出地表下沉时态曲线。由于善岭、南峰隧道出口顶部覆盖厚度不均匀，同一断面左厚右薄，在轴线中心附近的测点(K27+390)处，隧道覆盖层小于15 m，其下沉具有典型性和代表性，予以列出，见图3。通过时态曲线图分析可以看出，地表的总体下沉量也较小，也在20 mm左右，并具有明显的收敛趋势，说明此处虽然隧道覆盖层较小，但围岩性质相对良好。

4)回归分析。a.根据散点图中的散点拟合曲线的分布特征、变化特性、收敛性等，从理论和以往经验选择能代表两变量之间内在关系的函数类型;b.将非线性的函数关系通过转换成为线性函数关系，按照线性函数求未知参数的方法求出未知参数后，将参数变换求出选定的曲线(非线性)函数的未知参数，得到非线性函数回归方程;c.进行标准离差s分析，如精度不够，可选择其他合适的曲线函数按照以上步骤重新进行分析。

4 结语

1)当隧道水平位移收敛速度为0.1 mm/d～0.2 mm/d，拱顶下沉位移速度为0.1 mm/d时，可以认为围岩已基本稳定。对于Ⅲ级，Ⅳ级围岩，二次衬砌按承受部分围岩压力设计，应根据量测结果确定二次衬砌施作的适当时间;

2)两隧道围岩整体相对稳定，自稳性强，未发生塌方，除进出口局部地段为Ⅳ类围岩外，其余设计围岩以Ⅱ级，Ⅲ级为主;

3)部分围岩特性好的区域，在隧道上台阶开挖后、未施加初期支护的情况下，其水平变形和拱顶变形施加初期支护的情况下，其水平变形和拱顶变形量比较小。说明上台阶开挖施作的初期支护发挥的作用有限，因此部分地段短台阶法开挖可调整为长台阶开挖;

4)在监测过程中，若发现净空位移量过大或收敛速度无稳定趋势时，对结构应采取补强措施;

5)若发现净空位移收敛速度具有稳定趋势时，应据此求出隧道结构初期支护及二次衬砌上的最终荷载，以便对结构的安全度作出正确的判断;

6)若经过对各种量测数据联合反分析后，发现初期支护或二次衬砌结构安全系数较大，在经过设计人员同意后，可对下一段与此地质类型相近的支护参数作适当调整;

7)对围岩类别的变更及对支护参数的调整均必须有相应的量测数据并得到设计方同意。

[1] JTJ 026-9，公路隧道设计规范[S].

[2] JTJ 042-9，公路隧道施工技术规范[S].

[3] 朱汉华，尚岳全.公路隧道设计与施工新法[M].北京:人民交通出版社，2002.