玉蟾山隧道施工监控量测浅谈

赖伟清，陈华国

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，四川 双流，610225)

玉蟾山隧道施工监控量测浅谈

赖伟清，陈华国

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，四川 双流，610225)

我国公路隧道已广泛应用新奥法技术进行隧道设计和施工，但由于隧道工程的复杂性及围岩山体力学特性的模糊性，设计中要准确地把握“荷载”是不可能的，因而对支护结构设计应视为一种预设计。为了准确把握隧道内地质情况、开挖方法、支护时间及顺序等对围岩压力的影响，就需要通过现场监控量测，掌握围岩的实际工作状态和变化趋势，从而判断围岩的稳定状况，为优化设计施工提供依据。加强监控量测可以及时发现问题，预防塌方，以便及时处理，并评价支护结构的合理性及安全性，对保证工程安全、质量、工期，控制造价等具有重要作用。

隧道施工 监控 测量 玉蟾山隧道

1 工程概况

玉蟾山隧道左线起讫桩号为ZK1852+840.0～ZK1854+128.0(总长1288m)，右线起讫桩号YK1852+888.0～YK1854+125.5(总长1237.5m)。隧道进口左右幅净距32.4m，采用削竹式洞门，隧道出口左右洞净距8.16m，为小净距隧道，采用端墙式洞门。

玉蟾山隧道穿越古佛山背斜，无活动性断层，区域地质整体稳定性较好，隧道与构造线成垂直相交，围岩以较软岩泥质砂岩、砂岩为主，灰岩、泥岩、页岩次之，隧道围岩划分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，其中Ⅲ级围岩占20.15%、Ⅳ级围岩占47.4%、Ⅴ级围岩占32.45%。隧址区属华蓥山断裂带地震波及区，相邻的永川、荣昌曾发生多次3.4～5.2级地震。据四川省地震局编制的《四川地震目录》和《川南国土规划》的危险区划图，本区地震基本烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度0.05g。泸县及邻区为相对稳定区。

2 监控量测的目的

玉蟾山隧道按新奥法设计，采用复合式衬砌，为了保证安全﹑高速﹑优质完成隧道的施工任务，并将隧道工程的设计﹑施工纳入动态的科学管理中，使隧道施工处于安全、经济、合理稳定状态，隧道现场监控量测是必不可少的手段之一。根据监控量测采集的数据，利用先进的分析手段，对围岩进行有效的控制，维护和提高围岩的自承能力。按《公路隧道施工技术规范》(JTSF60-2009)要求，通过对洞口地表下沉的监测，保证洞口施工安全，顺利进洞；通过对洞内围岩拱顶下沉及周边收敛以及各种结构受力的监测，了解围岩的变形状态，判定围岩是否稳定，支护参数是否合理，确保施工安全，同时为二次衬砌支护时间提供数据，保证施工安全顺利完工。因此，实施监控量测无论是对隧道的施工管理，还是为促进隧道技术发展积累科学依据，都具有十分重要的意义，具体体现在下面几个方面：

(1)通过施工监测进行信息反馈及预测预报，优化施组设计，指导现场施工，确保隧道施工的安全与质量，保障工程项目的社会、经济和环境效益；

(2)掌握围岩动态，了解支护结构在不同工况时的受力状态和应力分布，对围岩稳定性作出评价；

(3)验证支护结构型式、支护参数，评价支护结构、施工方法的合理性及安全性，为隧道动态设计及施工方法调整提供依据。

3 隧道现场监控量测方法

根据围岩类别、隧道工程规模、围岩条件、支护类型和施工方法等选择测量项目。现场监控量测项目分为必测项目和选测项目。必测项目包括①地质与支护状态观测；②周边位移量测；③拱顶下沉量测；④地表沉降观测；⑤瓦斯监测。选测项目包括①围岩内部位移；②喷混凝土应力量测；③锚杆轴力；④二次衬砌压应力量测；⑤钢支撑内力。

3.1 地质及支护状况观察

隧道掌子面每次爆破后和初喷后通过眼睛观察、地质罗盘和锤敲检查，描述和记录围岩地质情况(包括岩性、岩层产状、裂隙、围岩完整性和稳定性，地下水情况)，判断围岩级别是否与设计相符，填写围岩级别判定卡，必要时应拍照；测量地下水流量，观察支护效果。开挖面每次开挖后进行一次观察；已施工段每天至少进行一次观察；洞外观察，包括洞口地表情况、地表沉陷。

3.2 拱顶下沉量测

拱顶下沉量测是在隧道开挖毛洞的拱顶及轴线左右2m～3m共设3个带挂钩的锚桩，测桩深度30cm，钻孔直径φ42mm，用快凝水泥或早强锚固剂固定，测桩头需设保护罩。用精密水准仪、钢卷尺量测拱顶下沉。

3.3 围岩周边位移量测

在预设点的断面，隧道开挖爆破后，沿隧道周边的顶拱、拱腰和边墙部位分别埋设测桩。测桩深度30cm，钻孔直径φ42mm，用快凝水泥或早强锚固剂固定，测桩头需设保护罩。采用钢尺式周边收敛仪量测周边收敛变形。测点应在不被爆破作业破坏下，尽可能靠近工作面埋设，一般为0.5m～2m，初始读数应在开挖后12h内读取，最迟不得超过24h，而且在下一循环开挖前，必须完成初期变形值的读数。

3.4 地表沉降量测

隧道洞口浅埋地段，垂直隧道轴线方向设量测断面，每个断面布设5个测点。测点尽量布置在通视条件好、测量方便的地方，测点应埋水泥桩，用精密(DSZ2)水准仪量测。隧道开挖掌子面距测点前30m处开始量测，隧道开挖超过测点30m，并待沉降稳定以后停止量测。

3.5 围岩内部位移量测

沿隧道的拱顶、拱腰和边墙埋设多点杆式位移计，埋设传感器的孔深3.5m～5m，孔径均为φ50mm。量测断面尽可能靠近掌子面，及时安装，测取读数。

3.6 系统锚杆轴力量测

沿隧道的拱顶、拱腰和边墙埋设锚杆轴力计，每根锚杆轴力计设3个测点，埋设在围岩不同深度，对锚杆不同深度的受力情况进行量测。埋设锚杆轴力计的孔深为3.5m～5m，孔径均为φ50mm。

3.7 初期支护喷射混凝土内应力量测

沿隧道的拱顶、拱腰和边墙在喷射混凝土内埋设应力计。围岩初喷以后，在初喷面上将应力计固定，再复喷将应力计全部覆盖并使应力计居于喷层的中央，喷射混凝土初凝时开始测取读数，量测喷射内应力。

3.8 钢支撑内力量测

钢支撑内力量测为Ⅳ级、Ⅴ级围岩设有钢支撑的地段，采取钢筋计量测。把钢筋计焊接在钢支撑上，量测钢支撑内力。钢支撑安装完成以后即可测取读数。量测断面的点布置位置与喷射混凝土轴向应力测点布置位置相同。

3.9 二次衬砌压力应力量测

沿隧道的拱顶、拱腰和边墙埋设压力传感器，将双膜钢弦式压力盒埋设在喷射混凝土与二次衬砌之间，且在挂防水板之前进行安装，测取初期支护与二次模注混凝土衬砌间的接触压力。混凝土达到初凝强度以后开始测取读数。

3.10 瓦斯监测

全面、实时掌握隧道内瓦斯信息是采取相应防治措施、防止瓦斯灾害事故的重要依据。根据有关规程规定，结合玉蟾山隧道实际施工情况，施工期瓦斯监测网络采用系统自动监控和人工检测相结合的方式，即通过自动监测(监测系统覆盖隧道重点部位和易发生瓦斯积聚的部位)，实现实时监测及预警；通过人工监测，实现全隧道范围的瓦斯数据补充采集及验证。

3.10.1 瓦斯自动监测

瓦斯监测是防止瓦斯事故的主要措施之一，对隧道开挖和回风流的瓦斯浓度进行连续监测并及时分析，实现隧道施工过程中瓦斯的自动监测、预警及控制。根据有关规程规定，结合玉蟾山隧道实际施工情况，对隧道施工过程中瓦斯、一氧化碳和风速等参数的变化情况进行实时监测监控和记录，隧道瓦斯监控项目有：掌子面瓦斯浓度、CO浓度、H2S浓度；二衬台车前方瓦斯浓度；回风瓦斯浓度、风速；风机开停安设断电仪，实行“风电闭锁、瓦电闭锁”。

玉蟾山隧道进出口分别布置1套独立的KJ73N瓦斯监测系统。自动监测及预警还包括瓦斯自动监控系统配置及布设、瓦斯监控系统的安装与维护、报警断电及复电点的设置、瓦斯监测数据分析及安全评价、瓦斯监测值分级预警、瓦斯异常和超限时采取的施工安全措施、监控人员操作规程等内容。

3.10.2 瓦斯人工监测

采用重庆生产的光干涉甲烷便携式瓦检仪CJG-10进行人工监测，隧道进、出口端每班各安排3名专职瓦检员检查瓦斯，实行24h不间断巡查检测，降低事故发生的风险，确保施工安全。瓦斯检查必须符合有关规章制度规定，并做到持证上岗。

4 监测管理

4.1 监控量测控制标准

在监控量测中，为了判断隧道施工工艺的可行性、设计参数的合理性，更有效地预测风险，应按照有关规定制定监控量测控制标准。

4.1.1 内力控制标准

在监控量测中，喷射混凝土内部应力、二次衬砌内部应力、钢拱架内力及锚杆轴力量测控制标准均按照《公路隧道设计规范JTGD07-2004》的要求进行制定，具体控制标准见表1。

表1 喷射混凝土、二次衬砌内部应力控制标准

名 称强度种类C20混凝土C25混凝土喷射混凝土压应力10.0MPa12.5MPa拉应力1.1MPa1.3MPa二次衬砌压应力15.5MPa19.0MPa拉应力1.7MPa2.0MPa

钢拱架内力及锚杆轴力的控制标准按钢筋的容许应力乘以相应的面积来确定，HPB235钢筋的容许应力为130MPa，HRB335钢筋的容许应力为180MPa。

4.1.2 变形控制标准

为了使隧道变形不产生有害松动，其变形控制标准见表2。

表2 隧道允许相对位移值 单位：%

注：①相对位移指实测位移值与两点间距离之比或拱顶下沉实测值与隧道宽度之比；②脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值；③本表所列数值可在施工过程中通过实测和资料累计作适当修正。

4.2 管理等级

建立监测变形管理等级标准，管理等级分3级管理，见表3。

表3 变形管理等级

管理等级管理位移施工状态ⅠU02Un/3采取特殊措施

注：①U0为实测变形值，Un允许变形值；②Un的确定：应考虑围岩类别、隧道埋置深度等因素并结合现场条件选择。

4.3 量测数据的处理及应用

按照《国道321线纳溪至泸县一级公路改建工程玉蟾山隧道监控量测及质量监测施工方案》，在各相关方配合支持下，玉蟾山隧道的监控量测工作顺利开展。玉蟾山隧道监控量测共埋设105个监测断面，包括4个地表沉降、99个必测断面和2个选测断面。现场量测数据利用Excel软件的统计绘图功能，绘制位移——时间曲线，在位移——时间曲线趋平稳时进行回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律。当最终收敛值大于允许收敛值的80%且无明显减缓趋势，或当位移——时间曲线出现反弯点即位移出现反常的急骤增加现象，表明围岩和支护已呈现不稳定状态，应及时加强支护，必要时应停止施工，采取必要的安全措施。

从采集的数据利用计算机软件分析得出以下施工结论：

(1)隧道围岩变形的位移——时间特征曲线总体上呈“厂”型，即经历了加速沉降——缓慢沉降——稳定这三个阶段。根据位移变化速率判断围岩稳定状态，当变化速率大于10mm/d～20mm/d时，需加强支护系统；当变化速率小于0.2mm/d时，认为围岩达到基本稳定；

(2)衬砌混凝土施作时间，选择在各测试项目显示位移速度明显减缓并已基本稳定。其判断标准为：各项位移已达到预计位移量的80%～90%(预计位移量可通过回归分析得到)，位移速度小于0.15mm/d，测量过程中如果发现异常现象，及时提出并修改支护参数；

(3)测点埋设情况和量测资料纳入竣工资料，以备后续运营查询。

5 结语

由于隧道工程的特殊性、复杂性和隧道围岩的不确定性，对隧道围岩及支护结构进行监控量测，是保证工程质量和安全必不可少的手段。通过量测，及时对隧道个别围岩失稳趋势的区段提供预报，为现场施工及时调整支护参数以及合理确定二次衬砌时间提供可靠的科学依据。通过大量量测发现，隧道开挖及支护后大约20d左右围岩基本上稳定，于是建议现场及时施作二次衬砌。同时由于监控措施得当，及时指导现场施工及修改设计，从而保证了隧道施工的安全、经济。但由于监控量测工作是一项具体而又复杂的工作，在实际过程中尚需不断积累经验和完善相关理论，做好监控量测内容选择、量测断面位置选择和量测测点布置；将监控量测数据的采集和施工状态变化情况紧密结合，分析数据变化和施工状态的关系；做好量测数据的应用、量测数据变化的准确分析和判断以及量测的及时反馈，指导设计、施工和修改支护参数。

玉蟾山隧道从2014年4月开始进场施工至2015年10月份完成二次衬砌的混凝土施工，工作共历时18个月，通过有效的隧道监控量测工作，从而确保隧道安全、预防隧道塌方施工，工程得以顺利完成。

〔1〕JTSF60-2009.公路隧道施工技术规范[S].

〔2〕JTGD07-2004.公路隧道设计规范[S].

■

U456.3

B

2095-1809(2017)02-0038-04

赖伟清(1977-)，男，江西万安人，四川泸州纳溪至泸县一级公路改建工程项目总承包部项目副经理，工程师，从事公路工程施工技术和管理工作；

陈华国(1974-)，男，四川广元人，四川泸州纳溪至泸县一级公路改建工程项目总承包部项目经理助理，从事公路工程施工技术和管理工作。