沈家坝2号隧道监控量测方案设计及数据分析

陈锦生 韩 峰

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

监控量测是指在隧道开挖过程中，运用各种仪器仪表对地表下沉、围岩变形、应力应变等进行量测的过程[1]。隧道监控量测旨在收集和反映施工过程中围岩的动态信息，用以判断隧道围岩的稳定状态，以及支护结构参数和施工的合理性。量测项目包括必测项目和选测项目两大类[2]。必测项目有周边收敛量测、拱顶下沉量测、锚杆内力量测等。选测项目有地表下沉量测、围岩内部位移量测、围岩与喷射混凝土间接触压力量测、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力量测、喷射混凝土内应力量测、二次衬砌内应力量测、钢支撑内力量测等[3]。具体测量项目应该根据隧道围岩等级和施工实际合理选择，做到经济上合理，技术上可行。

1 工程概况

沈家坝2号隧道是成昆铁路峨米段扩能改造工程的一处在建隧道，位于凉山州冕宁-月华西区间，隧道进口里程为DK389+678，出口里程为DK390+220，全长542 m，该隧道设计为单洞双线、8‰的单面下坡。沈家坝2号隧道所在地区属于中山河谷地貌，地形起伏较大，沟谷下切较深，相对高差60～100 m。隧道区地层主要为第四系全新统坡残积层粉质黏土，中、上更新统粉质黏土，角砾土及碎石土，下伏基岩为第三系上新统昔格达组泥岩夹砂岩、页岩，三叠系花岗岩和石英闪长岩。DK389+678～DK389+900段为Ⅴ级围岩，DK389+900～DK390+000段为Ⅳ级围岩，DK390+000～DK390+220段为Ⅴ级围岩，隧道洞身段全、强风化层较厚，拱顶、侧壁易坍塌；隧道出口位于中上更新统土层中，拱顶易坍塌，设计和施工时应采取加强措施。

2 隧道监控量测方案设计

2.1 测点布置

该隧道洞口位置围岩较差，洞身段位于Ⅳ、Ⅴ级围岩交界处，拱顶侧壁易坍塌。监控量测项目主要包括拱顶下沉量测和水平收敛量测，出口段应增加地表下沉量测。本隧道拱顶位置为薄弱环节，以下主要讨论隧道洞内监控量测，洞内监控量测可分为拱顶下沉和水平收敛测量两项[4]。

(1)埋设时间

拱顶下沉及水平收敛观测标应在隧道开挖后12 h内布设，并及时读取数据。

(2)断面布置

顶拱下沉测点和净空变化测点应布置在同一断面上。拱顶下沉测点应布置在隧道轴线上，偏差不大于3 cm；拱顶下沉及水平收敛测点断面按表1布置。根据《铁路隧道监控量测技术规程》(TB10121—2007)，隧道Ⅳ级围岩采用台阶法开挖，V级围岩采用三台阶加临时仰拱法开挖，顶拱下沉测点及水平收敛测点埋设形式见图1和图2[5]。

表1 围岩等级与断面间距

图1 台阶法量测断面测点布置

图2 三台阶法量测断面测点置

(3)观测标埋设

洞内观测标埋设必须深入基岩不小于20 cm，使用钻机钻孔后插入观测标并固定，禁止观测标与钢拱架及钢筋网片焊接固定。初支混凝土喷射完成后，应及时将反射片粘贴到观测标志钢板上并确保粘贴牢固可靠。洞内观测标反射片均面向洞口，以便采集测量数据(如图3)。

图3 观测标埋设示意(单位：cm)

(4)观测标志保护

监控量测标志必须严格按照要求进行埋设，以确保埋设稳固可靠；其上禁止悬挂电线等其它物品，以防止观测标被破坏；初支混凝土喷射施工前，及时使用塑料袋对观测标进行包裹保护，防止观测标遭施工破坏。观测标反射片被混凝土或灰尘遮挡后，应及时进行清理恢复。监控量测观测标应由专人负责保护和维护，并随时提醒洞内施工作业人员及机械操作人员注意保护。

2.2 量测仪器选择

以往隧道监控量测一般采用水准仪、钢挂尺、收敛计等进行测量，但水准仪、钢挂尺、收敛计等测量精度不高，受外界影响较大。全站仪的应用和计算机技术的迅速发展，使得隧道监控量测可以有更多选择[6]。徕卡系列全站仪TS09 plus，拥有比TS09及TS06更高的测距精度，可搭载无线蓝牙技术，配备精致的测角系统和测距系统，其无棱镜测程大于1 000 m，有棱镜测距精度为0.01 mm，并带有自动补偿功能。本隧道要求量测数据精确到毫米，TS09 plus满足测量精度要求，故选取其为主要测量仪器。

2.3 量测方法

拱顶下沉速率是指隧道拱顶单位时间内的下沉量，用于监测隧道开挖后拱顶的下沉位移，判断隧道拱顶的稳定性。拱顶下沉应重复测3次并取平均值，设3次观测值分别为h1，h2，h3，设T1时的观测值为H1，T2时的观测值为H2，则拱顶下沉和下沉速率公式为[7-8]

ΔH=H1-H2

(1)

v(t)=ΔH/Δt(Δt=T2-T1)

(2)

H1=(h1+h2+h3)/3

(3)

(4)

式中，ΔH为下沉量，V(t)为下沉速率。

量测n次后得到的下沉总量为

(5)

水平收敛量测是指隧道开挖后，沿隧道周边的拱腰(或导洞拱腰)和边墙部位分别埋设观测标，通过测量两侧距离变化监测隧道净空的改变。周边收敛量测方法与拱顶下沉量测方法类似。

2.4 控制基准

依据《铁路隧道监控量测技术规程》(TB10121—2007)，应严格遵循位移速率和量测频率的关系实施量测。一般隧道开挖后前几天的位移变化速率较大，可以根据具体情况增加量测频率。依据相关规定，本隧道先按最不利情况(位移速率>5 mm/d)确定监控量测频率为2次/d，连续量测一个月后发现位移速率基本保持在5 mm/d之内，故调整监测频率为1次/d；当位移变化速率小0.2 mm/d时，表明变形趋于稳定[9]。铁路隧道围岩变形总量和变形速率应在正常范围之内，如果出现异常应及时分析原因，确定安全等级：若为绿色(变形总量<75 mm，变形速率<5 mm/d)，可正常施工；若为黄色(75 mm<变形总量<150 mm，5 mm/d<变形速率<10 mm/d)，需加强监测，必要时采用网喷混凝土等方式补强；若为红色(变形总量>150 mm，变形速率>10 mm/d)，应暂停施工，增设横、竖支撑，后续施工应加强防护并调整施工方法[10]。通常来说，水平收敛和拱顶下沉变形不会长时间急剧增大，若出现异常，应采取紧急措施以防变形扩大，当位移时间曲线趋于稳定时，说明围岩与支护结构又达到了新的平衡。

3 数据处理及计算模型的选择

3.1 数据采集

新奥法要求在整个施工过程中对围岩形态进行连续、系统的动态观测，并根据现场量测数据，对围岩稳定性及支护结构受力与变形状态做出分析评估和反馈[11]。依据本隧道围岩情况，拱顶处于薄弱环节，DK390+000处为Ⅳ、Ⅴ级围岩分界，围岩变化前后拱顶下沉数据显得尤为重要，按照监控量测细则要求，应按时观测并及时上传数据[12]。经过系统初步处理，得到DK389+996断面拱顶下沉数据(如表2)， DK390+001断面拱顶下沉数据(如表3)。

表2 DK389+996断面拱顶下沉数据

表3 DK390+001断面拱顶下沉数据

3.2 数据处理与模型选择

初期支护中现场量测所得数据，不可避免会具有一定的离散性，其中包含着系统误差及偶然误差，不能直接利用，回归分析是目前处理量测数据比较有效的方法[13]。选用Origin软件，利用其强大的回归分析功能，对测点数据进行合理分析。首先对DK390+001断面测点数据进行线性拟合、指数函数拟合、对数函数拟合、三次多项式拟合(如表4)。其中，指数函数模拟时R-Square与Prob>F同时处于领先水平，因而选择指数函数模型作为本测点数据的计算模型，表达式为y1=21.788 6-26.738 5e-0.222 3x。

要分析两种不同围岩等级情况下拱顶的下沉变化，必须选取同一种计算模型才有意义。可利用Origin数据集比对功能(Compare Datasets)，分析DK389+996和DK390+001断面数据是否适合于同一种计算模型，若F-test分析表中的Prob>F值等于零，说明两组断面数据同时适用于指数函数模型且拟合效果显著。用指数函数模拟DK389+996断面数据，得到回归方程y2=16.519 9-21.727 5e-0.259 6x。至此，确定最佳的计算模型为指数函数(如图4)。

表4 DK390+001断面拱顶回归方程

注：(1)Adj-R-Square指修正的相关系数平方，其值越靠近1，说明数据与曲线相关性越好。(2)Prob>F是置信概率，越接近0，说明拟合效果越显著。

图4 拱顶下沉曲线与实测散点

3.3 结果分析

当隧道拱顶下沉和水平收敛变形到达稳定时，结合施工实际，需要在初支结构上布设土工布和防水布，为仰拱和二次衬砌的推进做准备，而这些结构物会遮挡监控量测测点，以致于不能及时观测后续数据。为此，将计算模型进行优化，以对该测点的后续变形做出预测。如当x1=21 d时，y1=21.54 mm；当x2=16 d时，y2=16.17 mm，由预测值可知，累计变形没有超出极限值75 mm。由图4可知，在前一周，Ⅳ、Ⅴ级围岩拱顶下沉量迅速增长，Ⅴ级围岩拱顶下沉总量约为Ⅳ级围岩的1.2倍；Ⅳ级围岩拱顶下沉从第9 d后趋于稳定，15 d后保持稳定状态，前9 d变形量占总变形量的90%以上；Ⅴ级围岩拱顶下沉从第12 d后趋于稳定，20 d后保持稳定状态，前12 d下沉量占总下沉量的90%以上。

4 结论

(1)监控量测工作具有时效性、连续性和长期性等特点，监控量测实施人员必须熟知监控量测实施要点和管理程序。

(2)借助曲线回归方法对现场监控量测数据进行分析，改进计算模型，得到围岩变形的初步发展规律和分布特征并能预测后续变形。

(3)随着隧道施工进入深埋地段，若围岩岩性出现交替，岩石软弱、风化严重，岩性变化前后围岩变形有明显差异，应加强监测并放慢施工进度。

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