大西客运专线大断面黄土隧道监控量测非接触量测技术应用

张海刚

(中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400037)

在隧道现代信息化建设中，监控量测的作用尤为突出，它直接影响到隧道的结构形式、支护参数、施工方法、工期、造价等。然而，传统的围岩变形量测方法，在铁路客运专线大断面隧道施工中，由于测量时间长，抗施工干扰能力差，测量结果误差大等因素，已不能满足隧道快速、安全施工的需要，测量精度也得不到保证。

为了解决传统量测方法存在的问题，确保监控量测工作正常、有效开展，马家庄隧道采用非接触量测方法，既满足了施工需要，测量精度也能满足施工要求，为隧道施工安全、质量、进度提供了准确有力的技术保证。

1 工程概况

大西铁路客运专线马家庄隧道全长9 359 m(含明洞29 m)，其中黄土Ⅳ级围岩8 300 m，黄土Ⅴ级围岩1 059 m;隧道设计开挖最大宽度为15.20 m，最大高度为12.98 m，最大开挖面积为161.64 m2，初期支护采用系统锚杆、钢筋网、型钢钢架和喷射混凝土联合支护体系，二衬采用复合式衬砌;隧道最大埋深79 m，最小埋深17 m。隧道洞身全部位于湿陷性黄土地层中，施工方法多为三台阶七步开挖法。

2 传统围岩变形量测方法及其存在的问题

传统的隧道围岩变形量测方法，多采用收敛仪量测围岩的水平变形，用水准仪量测拱顶下沉。在量测水平收敛值时，将收敛仪两端的挂钩挂在预先埋设在边墙两侧的挂钩上，加载一定的拉力后进行读数，两期观测值的差值就是该段时期内围岩的收敛量。在量测拱顶下沉值时，预先在拱顶埋设量测桩，并用水准仪测量该量测桩的高程，两期高程值之差就是该期拱顶下沉值。

传统量测方法的优点是仪器价格便宜，操作简单，在施工干扰小的情况下操作比较方便，比较适用于小断面隧道或者斜井。

其缺点是不适合大断面隧道使用，当隧道跨度比较大时，操作比较困难，而且误差比较大，测量结果容易受到人为因素的影响;水平收敛和拱顶下沉要分别量测，花费的时间多;容易和其他施工工序发生冲突，抗施工干扰的能力差;当有机械设备或其他障碍物停放在测线上时量测工作就无法进行，易影响施工进度;需要装载机、梯子等辅助工具进行高空作业，或需要量测人员到达危险区作业，不利于量测人员的安全;量测的灵活性差，效率低下。

3 监控量测非接触量测技术应用

3.1 监控量测项目

结合马家庄隧道地质条件和开挖方法等，拟订监控量测必测项目为洞内和洞外观察、浅埋地段地表下沉、拱顶下沉、水平收敛等项目;选测项目为隧底隆起和纵向位移等项目。

3.2 监控量测频率

(1)洞内观察分为开挖工作面观察和初期支护观察2部分。开挖工作面观察在每次开挖后进行，并及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表。对初期支护的观察每天至少应进行1次，主要观察喷射混凝土是否发生裂隙和剥离现象，钢架是否受压变形等。洞外观察每天至少进行1次，主要观察地表开裂、地表沉陷、边仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。

(2)地表下沉、净空水平收敛和拱顶下沉量测采用相同的量测频率，量测频率见表1。

表1 量测频率表

3.3 非接触量测方法

非接触量测是将反射膜片贴在隧道测点处的预埋件上作为测点靶标，采用全站仪自由设站的方法(不需设站，只需整平)，直接测存各测点的空间三维坐标(x(t)，y(t)，z(t))，将各次量测原始数据导入计算机，并通过围岩收敛分析软件对量测数据进行自动分析处理，输出围岩位移成果，如测线的位移趋势图及回归分析图、各测点在不同时间段的位移值等，并自动对成果进行分析，判断围岩的稳定性，为支护提供参数。

与传统接触式量测方法相比，该方法操作简单，测量数据精度高，同时具有快速、省力、数据处理自动化程度高等特点。

3.4 量测要求

(1)全站仪(标称精度不得低于2″、2 mm+2 ppm)必须经过鉴定合格后方能使用，并且应定期或不定期对全站仪进行检校。

(2)量测规范要求:测距取位至0.1 mm，角度0.1″，空间位置(X、Y、H)0.1 mm。

(3)观测前仪器开箱适应洞内温度20～30 min，并且要修正温度和气象参数。

(4)测站位置应尽量靠近隧道中线，并使测站离最近监控断面的距离大于15 m，以确保监控量测的精度。

(5)每站测量，应对各断面的监测点进行两测回观测(盘左、盘右为1个测回)，并将测量成果直接存储于全站仪的内存中，便于后续处理。

(6)若遇外界干扰，则应暂停测量，确保仪器稳定后再测量。

(7)为避免误差对监控量测成果的影响，应固定仪器和监控人员。

3.5 测点布置

监控量测断面间距严格按照监控量测技术规程和铁道部(2010)120号文件要求，Ⅳ级围岩不得大于10 m，Ⅴ级围岩不得大于5 m。三台阶开挖法每个断面布设7个量测点，即1个拱顶下沉点和6个水平收敛点，测点与测线布置见图1。

图1 三台阶开挖法测点与测线布置

3.6 量测点埋设要求

(1)拱顶下沉测点和净空变化测点必须布置在同一断面上，测点应尽量对称布设，即“同面等高”。

(2)测点采用Leica4×4 cm反射膜片，粘贴在埋设于围岩中的钢板(图2)上，钢板粘贴反射膜片的一面要经过防锈处理，并清理干净，反射膜片可以用强力胶粘附于钢板上。

(3)监控量测布点应在喷设混凝土前预埋，并保证测点钢筋伸入围岩40 cm，严禁将测点焊在钢架上。

(4)量测点预埋钢筋应采用φ20 mm以上的钢筋。拱顶下沉、水平收敛量测点初始值要在开挖并施作拱部初期支护后3～6 h内完成，其他量测项目应在开挖后12 h内取得初读数，最迟不得超过24 h，且在下一循环开挖前必须完成。

(5)量测点要用红色油漆做统一标识并且悬挂标识牌(图3)，上面要标明断面里程、埋设日期以及责任人。

(6)测点应牢固可靠、易于识别，并采取有效措施进行保护。监控量测桩上严禁悬挂电线、管线等杂物。如果测点被破坏，应在被破坏测点附近补埋，及时获得初始值继续观测。

图2 测点预埋件正面(单位:cm)

图3 量测点及标识牌

3.7 数据处理与分析

拱顶下沉和水平收敛随时间变化分析:以DK713+860断面为例，开挖方法为三台阶七步开挖法，该断面的围岩级别为IV级，主要为第四系中更新统风积黏质黄土，棕黄色，土质不均，局部含零星小砾石，岩体受构造影响较微，节理发育，岩体较破碎。开始观测日期为2011年8月25日，截止于2011年9月10日，拱顶下沉总沉降量为63.6 mm，水平收敛总位移量分别为:上台阶28.43 mm，中台阶23.86 mm，下台阶14.73 mm，位移随时间变化曲线见图4。

图4 位移随时间变化曲线

从图4中可以看出，隧道围岩变化曲线总体经历了快速增长—缓慢增长—趋于稳定的过程。快速增长期一般在开挖后10 d左右，在仰拱施工封闭成环后，处于缓慢变化，14 d以后趋于稳定，可进行二衬施工。在隧道开挖过程中，随着开挖步骤的进行，隧道围岩拱顶下沉量不断增加，在整个施工过程中，拱顶沉降量最大，并且下台阶开挖及仰拱开挖对拱顶沉降影响最大。当仰拱开挖后，边墙混凝土有个别地段出现拉裂的情况，这需要在施工管理过程中严格控制开挖速度与安全距离，加快封闭速度。

5 结论

通过马家庄隧道监控量测方案的实施，已初步掌握了一些变形规律和成果，真正地起到指导施工的作用。

(1)三维非接触式围岩量测技术在马家庄隧道围岩变形观测中，显示出方便、准确、灵活、快速、适应性强的特点，比传统的接触式围岩量测技术具有优势，尤其在大跨度隧道中，优势更加明显。

(2)采用三台阶七步开挖法施工时，围岩与支护变形有以下规律:开挖中台阶时，D点和C—E基线位移会发生突变，中台阶墙部初期支护施作完成后，变形趋于平缓;开挖下台阶时，D点和B—F基线位移会发生突变，下台阶墙部初期支护施作完成后，变形趋于平缓;开挖隧底时，D点和A—G基线位移会发生突变，仰拱初期支护施作完成，支护全环闭合后，变形趋于稳定。

(3)三台阶七步开挖法施工应做好工序衔接，工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。各分部平行开挖，平行施作初期支护，及时封闭成环。

(4)监控量测工作必须紧跟开挖、支护作业进行布点和监测，量测数据及时分析反馈，必要时应根据分析结果调整支护参数和预留变形量，保证施工安全。

(5)当围岩变形较大或突变时，应停止掌子面掘进，加强支护，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间，尽量缩短台阶长度，确保初期支护尽快闭合成环，仰拱和二衬及时跟进，尽早形成稳定的支护体系。同时，加大监控量测频率，加强地表巡查和地表观测。

[1]铁建设[2010]241号 高速铁路隧道工程施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2010.

[2]TB10121—2007 铁路隧道监控量测技术规程[S].北京:中国铁道出版社，2007.

[3]经规标准[2007]119号 铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工作业指南(试行)[S].北京:中国铁道出版社，2007.

[4]刘旭全.沉降观测技术在客运专线大断面黄土隧道中的应用[J].铁道标准设计，2009(S1):109-111.

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