公路隧道拱顶下沉量测技术探讨

刘 剑

(河北省交通规划设计院试验检测室)

隧道是一种特殊的工程结构体系。隧道一经开挖，其中所包围的原状力学体系便被打破，四周原有的受力状态已经改变。随着开挖断面增大或者深度的增长，这种改变也将不断地延续。在支护敷设后的一段时间内，虽然受力状态已发生改变，但是支护与围岩体之间力的作用还没有达到最终平衡。随着时间的推移，根据得到的信息对支护再作若干变动，这种受力状态的改变才逐渐停止，支护与围岩体间力的作用体系逐渐达到最终平衡。

隧道拱顶内壁的绝对下沉量称为拱顶下沉值，单位时间内拱顶下沉值称为拱顶下沉速度。拱顶下沉量测属于位移量测，对于埋深较浅、固结程度低的地层，水平成层的场合，这项量测尤为重要，其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，预防工地崩塌，保证施工质量和安全最基本的资料。

1 量测方法

1.1 精密水准法

精密水准法多采用精密水准仪和铟钢挂尺，在拱顶挂立标尺进行测读。图1 为精密水准法拱顶下沉观测示意图。

图1 精密水准法拱顶下沉观测示意图

当拱顶过高时，立标尺就要采用架子，测试工作不安全，也很不方便，还干扰施工。为此，可先在拱顶埋设挂钩，再用鱼竿将钢尺挂在拱顶的挂钩上。计算方法是通过前后两次拱顶测点的高差来求拱顶的变位值。假定第1 次拱顶高程为h1，第2 次拱顶高程为h2，拱顶位移值△h= h1－h2，若△h ＞0，则拱顶下沉，若△h ＜0，则拱顶上移。

1.2 全站仪法

当采用拱部留核心土环形开挖时，测量空间较小，用精密水准法比较困难。这时可以采用由全站仪与反射膜片来监测隧道拱顶下沉。为了保证测量精度，要求全站仪的测角精度在2″以内，测距精度为±2 mm 以内。图2 为全站仪法拱顶下沉观测示意图。

图2 全站仪法拱顶下沉观测示意图

2 量测要求

2.1 监测断面的设置

监测断面必须尽量靠近开挖工作面，但太近会造成开挖爆破下的碎石砸坏测桩，太远又会漏掉该量测断面开挖后的变位值，因此，测点应距开挖面2 m 的范围内尽快安设，并保证爆破后24 h 内或下一次爆破前测读初次读数。《公路隧道施工技术规范》对监控断面设置的规定比较宽泛，由于公路隧道的断面普遍比铁路隧道要大，因此，在公路隧道施工监控的断面设置时，常参考《铁路隧道监控量测技术规程》中对监控断面间距的设置要求，即:Ⅴ～Ⅵ级围岩断面间距为5～10 m，Ⅳ级围岩断面间距为10～30 m，Ⅲ级围岩断面间距为30～50 m，Ⅱ级围岩视具体情况确定间距。

2.2 检测频率

拱顶下沉的监测频率按表1 和表2 确定，取两者之间的大值，施工状况发生变化时(开挖下台阶、仰拱或撤除临时支护等)，应增加监测频率。

表1 拱顶下沉的量测频率(按位移速度)

表2 拱顶下沉的量测频率(按距开挖面距离)

3 数据处理

由于现场量测所得的原始数据，不可避免地具有一定的离散性，其中包含着测量误差甚至测量错误。不经过整理和数学处理的量测数据难以直接利用。

以时间为横坐标、位移为纵坐标，标出由量测值确定的各对应的实测点，根据实测点描绘出光滑的试验曲线。根据所描绘的试验曲线形状选择回归函数。一般来说，位移时态曲线都是非线性的。在位移随时间渐趋稳定的情况下，可选择常用的对数函数、指数函数或双曲线函数。函数中的待定系数可以按量测数据，通过最小二乘法求得。设有一组实测数据:t1、t2、t3…、ti…、tn，u1、u2、u3…、ui…、un。选择双曲线函数公式为u=t/(A +Bt)作为回归函数，求A、B 值。由于上述函数是非线性的，通常都需先将其线性化。如将式改写1/u=A/t+B，令y=1/u，x =1/t，则得:y =Ax +B，则各试验点与它的偏差为di=Axi+B－yi=A/ti+B－1/ui;根据最小二乘法原理，A、B 应满足下面条件。

4 结 语

拱顶下沉量测属于隧道现场监控量测的必测项目，其量测数据对于指导施工、保证施工安全具有很重要的意义，因此，要求我们量测人员必须本着严谨的精神进行量测，同时，在工作中要不断的总结，更好的完善这项技术。

［1］公路隧道施工技术规程(JTG F60－2009)［S］.

［2］铁路隧道监控量测技术规程(TB 10121－2007/J 721－2007)［S］.

［3］李晓红.隧道新奥法及其量测技术［M］.科学出版社.