高速铁路隧道监控量测方法与分析

高速铁路隧道监控量测方法与分析

董长全

(沈阳铁路建设监理有限公司，沈阳 110001)

主要研究铁路工程。

摘要：通过高铁隧道施工，介绍了隧道监控量测断面及测点布设的方法、监控量测项目及监测的频率，分析了隧道开挖后的地质和支护状况，对监控数据和结果进行了分析。

关键词：高铁；隧道；监控量测；数据分析

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.006

收稿日期：2015-09-07

作者简介：董长全(1963-)，男(汉)，吉林敦化，工程师

中图分类号：U456.3献标志码：A

目前，我国铁路运输发展迅速，经过十几年的高铁建设，到现在已成为世界规模最大、运营速度最高的铁路运输网。尤其是高速铁路隧道施工技术不断发展，安全措施也日趋完善，然而，毕竟地下工程环境特殊，施工条件复杂恶劣，安全隐患处处可见，特别是浅埋、松散、节理发育破碎的岩体，自稳能力差，在施工扰动破坏下，极易发生剥落掉块，甚至塌方事故。虽然可以采用超前大管棚、超前小导管以及开挖后的拱架支护等安全防护系统，但仍然还有事故发生，因此，在有安全保障措施的前提下，还应对围岩变化状态进行监控和观测，也就是在隧道开挖后，通过对围岩的变形、应力进行定期监测，及时掌握围岩动态变化，了解围岩受力及应力重新分布情况，对围岩稳定性作出正确评价。

本文论述了高速铁路隧道施工中监控量测技术的应用，说明监控量测技术在施工中充分发挥的预警作用，提高隧道施工安全保障系数。

1工程概况

某隧道地层岩性主要为第四系全新统残坡积层，主要以花岗岩为主。华力西晚期为全风化花岗闪长岩。该区域地质资料及物探结果表明，隧道范围内地质构造较发育，存在多处物探异常破碎带。

2监控量测的目的及量测项目

监控量测在指导隧道的安全施工中起到关键性的作用，通过施工中认真观测，可以做到:1)判断围岩变化趋势，确保施工安全；2)验证当前支护是否有效，是否需要调整或改变支护方法；3)当判断围岩变化趋势趋于稳定时，可以确定施做二次衬砌的时间；4)通过对围岩变化观测，判断是否对周边环境产生影响；5)收集有关数据，探索围岩变化规律。

围岩观测必测项目：1)对地质和初期支护的观察，了解围岩地质稳定情况；2)隧道浅埋地段的地表下沉量的变化；3)进行水平收敛观测，确定净空变化；4)进行纵向下沉量观测，确定拱顶下沉量的变化。

3监控量测断面布设及测点布置

依据TB10121—2007《铁路隧道监控量测技术规程》第4.3.2条规定，按隧道围岩级别布置监控量测断面，见表1。

表1　隧道围岩级别布置监控量测断面表

表1(续)

3.1　测点布置

净空变化和拱顶下沉各测点应布置在同一断面上，且避开钢架和脱空回填处，将测点固定在围岩上。其测线布置形式如图1所示。

a.拱顶观测点与1条水平测量线；b.拱顶观测点与2条水平测量线及2条斜测量线；c.CD法或CRD法的拱顶观测点和测量线；d.双侧壁导坑法的拱顶观测点和测量线 图1　测线布置形式图

1)按上述原则测线设置如下: GDK80+230～GDK80+306里程段按图(c)设置；GDK80+306～GDK80+626、GDK80+836～GDK81+180、GDK81+360～GDK81+650、 GDK81+950～GDK81+982.5里程段按图(b)设置；GDK80+626～GDK80+836 、GDK81+180～GDK81+360 、GDK81+650～GDK81+950里程段按图(a)设置。

2)对于浅埋隧道的地表沉降观测，测点在开挖隧道口前设置。并且地表测点与隧道内的测点布置在同一里程的断面上。地表观测点的横向距离一般为2～5 m。而临近隧道中心线的测点可适当加密，观测范围不小于H0+B，如地表有建筑物或其他设施时，观测范围要加大。若隧道口浅埋地段偏压，则埋深薄的一侧，要加密观测点。地表沉降观测点的设置,如图2所示。

4监控量测项目及频率

图2　地表沉降观测点设置

3.2　监控量测的测点布置

测点采用Leica反射膜片，粘贴在预埋钢板上(如图3)：1)根据围岩等级及布点断面原则，在计划布点处钻孔，直径为Φ20～Φ50，深度为150 mm的孔。用锚固剂或水泥砂浆灌注预埋件(如图3)，需注意的是隧道两侧边墙要对称埋设；2)钢板要求经过防锈处理，反射膜片可用强力胶粘附于钢板上；3)膜片方向即隧道口方向；4)当锚固强度稳定后，开始测量。

图3　测点预埋件

表2为监控量测项目及频率表。

表2　监控量测项目及频率计划表

表2(续)

注：B为隧道开挖宽度

5地质和支护状况观察

1)地质方面观察节理裂隙发育程度，开挖后的稳定状态,如石块坍塌现象。查看周围是否有涌水现象，确定涌水的位置、涌水量及底板是否有隆起现象等。

2)混凝土喷射支护层是否有裂缝、剥离或破坏，拱架是否挤压并产生变形。当拱顶混凝土喷层因受弯曲压缩出现裂缝时应当引起注意、特别是拱顶混凝土喷层出现有对称性局部的崩落，侧墙内移时是危险征兆。

6监控量测方法

隧道围岩净空的变化和拱顶下沉变化，可用接触式量测或非接触式量测，由于非接触量测有诸多优点，我们均采用非接触量测。其方法是通过不同时间点的三维坐标对比(xt,yt，zt)，判断测点在不同时间段坐标值的变化。在观测前，后视基准点坐标必须定期校核，同时外业采集数据时要求如下：1)采用2″或2 mm+2×10-6的全站仪，且必须年检合格；2)自由设测站的位置要靠近隧道中心线，并距离监控断面最近距离要大于20 m，一次设站可以同时对几个断面进行观测，但最远断面的监控距离要视光线强度确定；3)注意在观测前，要实时地在全站仪上检核温度和气压；测量时，每个断面测点都要盘左和盘右测一个测回，并存储测量数据；4)观测中保持监控人员和仪器稳定，避免系统误差对观测数据的影响；

7数据分析与处理

通过实际观测数据绘制时态变化曲线。我们选用曲线回归法来预测终值，这样，通过与控制基准值比较，对围岩变化状态、施工方法进行安全评价，及时做出判断性结论，指导并提出对策或建议。表3是现场量测的某一断面监测点的空间三维坐标。

表3　GDK80+233断面监测点空间三维坐标记录表

通过记录表可知，每个断面中的观测点在每一测站中都有4个坐标观测值，为消除外业观测中可能会产生的误差，我们采用中位数的方法，确定各观测点的空间三维坐标。也就是把同一测站的各观测点的4个坐标值，按坐标分量X、Y、Z，分别从小到大进行排序：X(x(1)x(2)x(3)x(4))，Y(y(1)y(2)y(3)y(4))，Z(z(1)z(2)z(3)z(4))。去掉最小和最大的坐标分量观测值(x(1)x(4)y(1)y(4)z(1)z(4))，再用中间的2个坐标观测值计算算术平均值：

图4　观测点的空间布置示意图

对于拱顶观测点C，到AE的空间距离，设为Hi，则：

以此类推，我们也可以计算出第i+1期的C点到AE的空间距离Hi+1，那么这两期的拱顶下沉变化量就是(Hi-Hi+1)，通过计算各个时期的净空水平收敛观测线长度，以及相应拱顶下沉的变化量、累积变化量，就可以判断围岩变化程度，拱顶沉降变化示例图，如图5所示。

根据监控量测分析处理结果，对围岩是否稳定，做出综合判断：根据实测数据分析及回归法预测最大位移值，如不大于2/3极限相对位移值，或水平收敛观测线长度变化速度小于0.2 mm/d，或根据回归分析后，位移时态曲线呈现下图形态，则可以判断围岩基本稳定，可以实施二衬。当水平收敛观测线长度变化速度大于1～2 mm/d时，或位移时态曲线呈现反方向曲线时，说明该围岩已处于恶劣变形状态，需立即停止施工，采取措施。

图5　DK22+673拱顶沉降曲线变化图

8结语

监控量测的方法与应用，能够定量判断隧道围岩的变化情况，帮助我们正确判断施工的安全程度，从而减少事故的发生。在实际操作过程中，数据观测极为重要，它的准确性直接影响判断和结论，所以，隧道开挖施工时，特别注意观测点的保护工作，防止反射膜片被水泥浆覆盖，甚至脱落、丢失。要经常检查，及时处理，使观测点始终保持完好状态。

参考文献

[1] 中铁二院工程集团有限责任公司.TB 10121—2007 铁路隧道监控量测技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[2] 中铁二局集团有限公司. TB 10304—2009 铁路隧道工程施工安全技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[3] 中铁二院工程集团有限责任公司. TB 10601—2009 高速铁路工程测量规范[S].北京：中国铁道出版社，2010.

The monitoring measurement method and analysis to high speed railway tunnel

DONG Chang-quan

(ShenyangEngineeringBuild&SupervisionCo.,Shenyang110001,China)

Abstract：Through the high-speed railway tunnel construction, this paper introduces the methods on monitoring measurement section and measuring points layout, monitoring measurement projects and monitoring frequency, analyzes the geological and supporting situation after the tunnel excavation, and analyzes the monitoring data and the results.

Key words：high speed railway; tunnel; monitoring measurement; data analysis