桦树墕隧道监控量测与稳定性分析

曾庆刚，陈 琪，刘 洋

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430040；2.武汉港湾工程质量检测有限公司，武汉 430040）

在当今的隧道建设中，监控量测已成为必不可少的一项施工工序。隧道施工过程中进行的监控量测，主要是通过精密水准仪、收敛计、位移计、测力计、压力盒、应变计等仪器量测，快速获取围岩和支护结构受力与变形的动态信息。如地表下沉、拱顶下沉、收敛位移、锚杆轴力、围岩压力、钢支撑压力等数据，把获取的信息进行必要的数学处理，与理论、经验方法相结合，建立必要的准则，及时调整或确定支护参数，进行施工决策。

1 隧道监控量测研究现状

目前，在欧洲与日本等一些发达国家，己开展了对隧道工程动态监测系统的开发研制，它是以信息化为基础、监控量测为目的的新型工程动态监测系统。由于隧道建设起步晚，对隧道施工监测量测管理认识还不完善等原因，我国的隧道建设施工监测量测技术与欧洲、日本等隧道技术先进的国家之间存在着一定的差距。但随着国家对基础设施建设的投入，我国交通建设取得了迅猛的发展，隧道特别是超长隧道科研取得了巨大的进步，带动了监控量测技术的发展和应用。目前，隧道监控量测存在着以下问题：1）隧道设计、施工和监控量测很难有机结合；2）量测技术和分析手段有待完善；3）数据处理技术有待完善；4）对一些特殊地质情况的隧道施工监测办法不多。

2 监控量测断面、测点布置原则

2.1 断面布置的原则

隧道是一个狭长结构，任一段洞室都必须是稳定的、安全的，否则就会出现全局性瘫痪。对于这样的结构，不可能对每个断面都进行监控量测，只能选一些具有代表性的断面进行监控量测，其监控断面的布设应遵循以下原则：

1）锚喷支护结构，平均每10～50m量测一个断面。洞口、浅埋地段特别是软弱地层、地质条件差的地段，量测断面应加密，间距应小于20m。上述原则可按下列关系描述：设洞跨为B，埋深h，当2B＜h，量测断面间距20～50m；当B＜h＜2B，量测截面间距10～20m；当h＜B，量测间距5～10m。

2）地表下沉测点位置应与洞内水平收敛和拱部下沉量测点布置在同一横断面上。

3）施工进深200m前，每20m应设一个量测断面；200m后，每30m量测一个断面，测点离开挖面应小于2m。

2.2 测点布置的原则

监控断面测点布设与开挖方式密切相关。对全断面开挖洞段，量测断面布设1条水平测线，特殊地质，测线布设3条或6条；对短台阶开挖法应布设2条水平测线，特殊地质，布设4条或6条测线；对多台阶每一台阶布设1条水平测线，特殊地质，每台阶布设3条测线。如图1、图2所示。

2.3 监控量测数据处理及分析

1）周边位移量测数据分析

隧道开挖以后，周边位移变位与时间关系如图3所示。

隧道进行全断面开挖时，开始时的位移变位速度最大，之后慢慢减小，当变位速度为零，围岩达到稳定状态。如开挖一段时间后，变位速度没有收敛，或收敛到某一值后出现增长，围岩有可能出现危险。在分台阶施工，每个台阶开挖开始时，变位有一个增大的过程，然后慢慢变小，最后趋于零。如图4所示。

在隧道施工中进行的监控量测，受测量仪器精度和偶然误差影响，致使测量的数据具有离散性，由这些数据导出的图形总是沿一条线上下波动，所以必须采用数学的方法对量测数据进行分析处理，获得合理曲线，推算出隧道围岩变形随时间变化的规律和不同阶段围岩的变形量以及围岩变形的发展趋势。

2）锚杆轴力量测数据处理与分析

利用剪力和轴力分布曲线，确定是否需增加锚杆数量或长度。

3）围岩压力量测的数据分析

经过分析处理隧道施工现场的监控量测数据，可得出围岩压力分布曲线，从而进一步了解围岩压力大小及分布状况。

4）地表沉降量测数据分析

地表沉降分析一般采用水准量测、收敛量测和围岩内部变位量测一起综合分析，根据下沉量，判断每一开挖阶段对整个隧道地表的影响，分析其原因。地表变形总量的控制可参考表1。

表1 地表沉降基准参考值

3 工程实例

3.1 工程概况

荣成至乌海高速公路十七沟至大饭铺段SDHSD－1（隧道1标）标段，路线起点桩号K40＋400，终点桩号K42＋600，路线全长2.2km，位于内蒙古自治区呼和浩特市清水河县境内。桦树墕隧道位于该标段的分离式路基段，左线里程桩号为ZK40＋946～ZK42＋377，设计高程在1365.831～1390.318之间，路线纵坡1.5%，全长1431m；右线里程桩号为K41＋034～K42＋413，设计高程在1367.611～1389.441之间，路线纵坡1.5%，全长1379m。隧道设计主洞采用单心圆断面形式，紧急停车带采用三心圆内轮廓，隧道设置双侧检修道。隧道限界净宽10.25m，限界净高5.0m，隧道最大埋深110m。

隧址区地貌特征为低中山地貌，地形起伏，高差稍大，海拔高程1380～1495m，地表植被不发育。

隧址区地表水系不发育，由于降雨少而集中，故多为短小的季节性泄洪河流水。

3.2 桦树墕隧道监控量测方案

1）量测断面位置选择

一般选取以下地点为量测断面：特殊地质段，围岩出现破碎；洞口附近；隧道埋深较浅；围岩类别渐变；施工方案改变时所处位置等。

2）量测项目

根据规范要求，结合该隧道实际情况，主要对桦树墕隧道以下项目进行了量测。①浅埋段地表下沉量测

②隧道周边水平位移测量

③拱顶下沉量测

④隧道围岩与初期支护之间压力量测

3）测点布置

桦树墕隧道进口段为V级浅埋段，需要进行地表下沉量测。在隧道进行开挖前，布置好地表沉降观测点，隧道外地表沉降观测点与隧道内沉降观测点布置在同一桩号处。观测点横向间距为3m。

隧道周边位移和拱顶下沉在隧道开挖后进行，结合桦树墕隧道围岩情况，该文主要选取3个断面进行分析。

3.3 桦树墕隧道监控量测项目的稳定性分析

1）隧道地表沉降量测

桦树墕隧道进口浅埋段的起止桩号为ZK40＋976～ZK41＋031。在桦树墕隧道进口浅埋段设置了两个地表沉降观测断面ZK40＋985、ZK41＋031，在选定的量测范围内，设置容易测量和固定的基准点，把长度约60cm的φ22钢筋埋入土层中，采用混凝土浇筑牢固，并在附近插载木桩方便查找，在每个断面上布置了11个测点，间距为3～5m，中间间距小，两边间距大，采用精密水准仪进行量测。断面布置形式如图5所示。

2）拱顶下沉和水平收敛现场监测

现场量测拱顶下沉和周边位移收敛监控点布置如图6所示。

表1 现场监测数据

由监测数据可知，该断面水平位移在15d内累计沉降50.35mm；由图7拱顶下沉时间曲线图知，此后拱顶沉降时间曲线基本趋于水平，表明隧道围岩变形已基本稳定。

4 结 论

a.拱顶下沉位移随时间变化的规律。

b.通过稳定性分析，拱顶沉降时间曲线基本趋于水平，表明隧道围岩变形已基本稳定。

［1］吴梦军，陈彰贵，徐锡宾，等.公路隧道围岩稳定性研究现状与展望［J］.重庆交通学院学报，2003，22（2）：24－28.

［2］李小红.隧道新奥法及其量测技术［M］.北京：科学出版社，2002.

［3］马建俊.隧道施工监控量测分析和应用［J］.河南理工大学学报，2006（5）：25.

［4］赵 河.西太平山隧道监控量测与稳定性分析研究［J］.北方交通，2009（8）.