隧道工程中监控量测技术及应用

刘军 刘柏平

摘 要：在地形、地貌及地质条件复杂的鄂西地区修建铁路、公路、水电等长大隧道工程将会遇到较多的岩溶、突水涌泥、塌方等不良地质灾害。在建的湖北省宜昌至巴东（鄂渝界）公路位于湖北省的西端，地处长江中、上游结合部，区内存在数量众多的高边坡、特大桥及隧道进出口危崖、顺层不稳定斜坡及软质岩边坡。受自然环境条件（降雨及地下水作用、风化作用等）以及工程活动（人工开挖卸荷、爆破等）的影响，导致原本处于稳定或半稳定状态的围岩发生变形甚至破坏，对隧道安全运营造成巨大威胁，因此对隧道工程中特殊位置进行监控量测势在必行，它也是保证隧道工程设计合理性和保证施工质量安全的重要手段。该文介绍了隧道监控量测的监测流程、监测内容及相应的监测方法，将监控量测应用于宜巴高速公路马家坡隧道和段家屋隧道，及时有效地控制了该隧道灾害的发生，并针对隧道的情况及时预警，采取相应的治理措施，保证隧道施工顺利进行。

关键词：隧道工程 监控量测 底板隆起 施工建议

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（b）-0055-05

1 现场监测技术简介

隧道施工过程中使用各种类型的仪表和工具，对围岩和支护、衬砌的力学行为以及它们之间的力学关系进行量测和观察，并对其稳定性进行评价，统称为监控量测[1～3]。现场监控量测目的[4-5]如下：掌握隧道施工不同工况下围岩动态，并及时对围岩稳定性做出评价，避免塌方等工程事故；通过对围岩和支护的变位、应力测量，及时调整和修改支护系统设计，实现信息化施工；积累资料，为以后类似工程的设计、施工提供经验。监测内容：⑴对岩土所受到的施工作用、各类荷载的大小以及在这些荷载作用下岩土反应性状的监测。⑵对建设中或运营中的结构物的监测。⑶监测岩土工程在施工及运营过程中对周围环境的影响。

监测流程如下：

1.1 隧道必测项目

（1）洞内外地质观察。

洞内掌子面观察（开挖及初期支护后进行）

岩性特征：岩石的颜色、成分、结构及构造；节理性质、组数、间距、发育程度和走向，断面状态特征及充填物的类型；断层的性状、破碎带宽度及特征；地下水类型，涌水量大小、位置、涌水压力及水的化学成分；掌子面稳定情况，顶板有无剥落现象。

1.2 洞内已开挖段观察

锚杆的锚固效果、喷层的光洁度、喷层有无裂缝，裂缝的长度、宽度，喷层是否把钢支撑全部覆盖。

1.3 洞外地质观察

重点在洞口段和洞身浅埋段，记录地表开裂、地表变形、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗漏情况等，同时还应对地面建筑物进行观察。

（1）周边位移。

隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为收敛。所谓周边位移量测主要是隧道内壁面两点连线方向的距离的变形量的量测。收敛值为两次两侧的距离之差。量测目的：判断隧道空间的稳定性；据变位速度确定围岩稳定性和支护时机。目前隧道施工中常用的收敛计为机械式的收敛计和数显式收敛计。例：QJ-85型坑道周边收敛计；JSS30A型数显收敛计；SWJ-IV型隧道收敛计。

（2）拱顶沉降。

埋深较浅、固结程度低的地层，水平成层的情况，这项量测比收敛量测更为重要。量测目的：量测数据是确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序，预防拱顶崩塌，保证施工质量和安全的最基本的资料。量测仪器：精密水准仪

（3）地表下沉。

浅埋隧道通常位于软弱、破碎、自稳时间短的围岩中，施工方法不妥极易发生塌方或者地表有害下沉，当地表有建筑物时会危及其安全。量测目的：地表下沉的范围及下沉量的大小；地表下沉量随工作面推进的变化规律；地表下沉稳定的时间。量测仪器：用高精度水准仪和塔尺进行量测。

2 工程地质概况

宜（昌）—巴（东）高速公路，东起宜昌市夷陵区，向西途经兴山、秭归、巴东三县辖区，止于鄂渝交界的火烧庵，全长172.65km。双向四车道，设计速度80km/h，路基宽度24.5m。宜昌至巴东（鄂渝界）高速公路作为《国家高速公路网规划》（7918网）中18条东西横线之一的“上海至成都”高速公路湖北省西段，同时也是湖北省骨架公路网规划“六纵五横一环”中“横三”的西段。项目建成对于我国经济建设实施由东向西、由南向北、由内陆经济向外向型经济发展战略具有极其重要的作用，对湖北省骨架公路网的早日形成，尽快发挥网络效应具有切实的促进作用。宜昌至巴东（鄂渝界）高速公路建成将使武汉至巴东为全程高速公路，从武汉市中心出发，经绕城、武荆、荆宜，5小时内可到巴东，节省5个多小时，这不仅对神农架的旅游发展起到促进作用，而且对下谷等较为边远的乡镇发展带来不小的机遇。

在建的湖北省宜昌至巴东（鄂渝界）公路位于湖北省的西端，地处长江中、上游结合部。沿线地势总体呈东南低，向西部渐高的趋势，沟谷多呈U型宽谷或V型窄谷及峡谷。主要断裂为北西向区域性断裂，局部发育北北东和北东向断层，发育有雾渡河断裂带、新华断裂带、高桥断裂带。区内数量众多的高边坡、滑坡、特大桥及隧道进出口危崖、顺层不稳定斜坡及软质岩边坡，同时因自然环境条件（降雨及地下水作用、风化作用等）以及工程活動（人工开挖卸荷、爆破等）的影响，导致原本处于稳定或半稳定状态的边坡发生变形甚至破坏，造成了极大的生态环境破坏，给国家和人民的生命财产带来了巨大的威胁。沿线设置多条长大隧道，在隧道施工和运营阶段均存在一定的风险。其中，樊家泉隧道、卧佛山隧道、峡口隧道、七里峡隧道、界岭隧道、雷家坡隧道、马家坡隧道、段家屋隧道、天池岭隧道和楚阳隧道多处存在断层及破碎带、岩溶等不良地质，施工期间存在较高岩溶突水涌泥、塌方等风险，对隧道运营造成巨大威胁。

由于三峡库区高速公路的建设中岩层地质成因复杂，不良地质种类繁多，存在断裂带、断层、滑坡、破碎带以及溶洞等众多不良地质现象，地质条件具有突变性，事故具有往往具有突发性，对三峡库区高速公路的的施工及运营安全构成严重威胁。

3 工程应用

3.1 马家坡隧道

3.1.1掌子面附近围岩情况

隧道进口段：

隧道右線桩号YK141+323，隧道掌子面主要由中风化微晶灰岩夹泥灰岩组成，节理裂隙发育，岩层结合较差，掌子面及隧道有线状渗水和股状涌水，掌子面积水较多，应加强抽水工作。

隧道出口段：

隧道右线桩号YK141+720，掌子面围岩破碎，围岩自稳能力较差，易发生塌方，做好超前支护措施。

出口段YK141+880～YK141+980段底板隆起严重，已建议施工单位采取措施，防止事故发生。

施工单位对隆起段进行了取芯共取芯7组，岩芯情况如下：

对YK141+889，898，905……984，994等12个断面的裂缝开裂情况与底板隆起进行了监测，选取YK141+889，YK141+937，YK141+970，YK141+994进行了开裂值与隆起值分析。分析结果如图所示，裂缝宽度最大达到70mm，底板隆起最大达到253mm。

3.1.2施工建议

（1）隧道出口段掌子面围岩破碎，自稳性差，应超前加固措施下开挖，并加强监测，防止事故发生。因隧道长时间未施工，掌子面后方拱顶出现开裂现象，加强支护措施，二衬及时跟进。

（2）隧道进口段揭露段围岩较差，且有较多积水，应加强超前预报探测，尤其是对裂隙水的探测，防止突涌水事故发生。

（3）隧道出口段出现底板隆起事故，因隧道埋深较大，围岩较差，钻孔后岩芯可看出有一泥质夹层，应采取注浆加固措施，及时更换仰拱，保护二衬，防止事故发生。

（4）因隧道为瓦斯隧道，施工中要注意对瓦斯浓度的监测，施工过程中应保持通风顺畅，并密切注意瓦斯检测数据，避免瓦斯燃烧、爆炸等不良事故的发生。

3.2 段家屋隧道

3.2.1 掌子面附近围岩情况

隧道出口段：

隧道左线开挖至ZK169+939，掌子面附近围岩以中风化泥灰岩为主，岩体破碎，围岩自稳能力差，拱部无支护可塌方，边墙稳定性差。右线隧道右线开挖至YK170+047，围岩与左洞基本相同，掌子面左侧有积水。

3.2.2 施工建议

（1）段家屋隧道目前主要面临施工中塌方和初支大变形的工程问题，开挖施工中须加强超前支护，控制开挖进尺、减小爆破震动。进口本月对二衬和仰拱进行施做和更换，与掌子面距离已基本满足规范规定，可以进行掌子面施工。

（2）出口右洞掌子面桩号YK170+047，距掌子面最近监测断面为YK170+060与YK170+080。

由图可知，YK170+060拱顶下沉与水平收敛速率波动较大，基本在2mm/d，下沉与收敛值处在上升阶段，从图分析没有明显收敛趋势，拱顶下沉与水平收敛均未达到最终稳定，需要继续监测，防止塌方事故发生。

由图可知，YK170+080拱顶下沉最终值为62mm，速率为0.1mm/d，而水平收敛值67mm，收敛速率为0.1mm/d，断面沉降和收敛基本稳定，但沉降收敛值过大，应加强支护措施，防止塌方事故发生。

出口左洞掌子面桩号ZK169+939，距掌子面最近监测断面为ZK169+940与ZK169+960，

ZK169+940断面刚开始监测，断面沉降和收敛均未稳定，应继续观测。

由图可知，ZK169+960拱顶下沉与水平收敛速率波动较大，基本在2.5mm/d，下沉与收敛值处在上升阶段，从图分析没有明显收敛趋势，拱顶下沉与水平收敛均未达到最终稳定，需要继续监测，防止塌方事故发生。

（3）进口7月进行掌子面施工，应根据规范要求及时设立监测点，应严格按照规范布设监测断面，观测围岩变化，防止塌方事故发生。

（4）鉴于段家屋隧道地质情况，建议在TSP预报基础上增加地质雷达（GPR）探测，保证隧道施工安全。

4 结论

（1）该文介绍了隧道监控量测的监测流程、监测内容及相应的监测方法，对各类隧道工程建设都有一定的指导作用；

（2）将监控量测应用于宜巴高速马家坡隧道和段家屋隧道，及时有效地控制了该隧道灾害的发生，并针对隧道的情况及时预警，采取相应的治理措施，保证隧道施工顺利进行。

参考文献

[1] 王胜涛，梁小勇，周亦涛.隧道监控量测的数据回归分析探讨[J].隧道建设， 2009，29（6）：629-632.

[2] 陈秋南，赵明华，周国华，等.复杂层状岩层隧道塌方原因分析与加固后信息化施工技术[J].岩土力学， 2009， 30（3）：650-653.

[3] 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（7）：93-95.

[4] 王国博，王美芳，姚丽，等.隧道位移监控量测成果分析[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2009，11（1）：20-22

[5] 叶櫵.隧道工程监控量测工作实施与控制[J].铁道工程学报，2009， 130（7）：89-93.