大断面浅埋黄土隧道监控量测对支护各阶段稳定性分析

马晓辉

摘 要：黄土隧道的施工相较于其他类型的隧道施工，难度大，其中大断面浅埋黄土隧道由于拱顶沉降幅度大，在施工中，一般采用三台阶七步开挖法施工。此外由于黄土隧道埋深浅，这就导致周围环境对隧道影响大，易造成变形，尤其是降水，风化现象。为了减少周围环境对黄土隧道的影响，在施工当中保证安全，相关部门要对可能发生的施工灾害最好预防工作，做好施工过程中各阶段的监控量测工作，分析好数据信息以保证能够对施工灾害做到基本的预测。本文以宁夏黑海高速公路赵家山隧道为工程背景，探讨新奥法监控量测在隧道施工过程中的应用，为今后相关工程提供参考。

关键词：大断面浅埋黄土隧道；隧道监控量测；支护各阶段稳定性

1 引言

在实际施工中，相关人员了解黄土隧道的各项数据的主要途径是监控量测，根据数据的结果进行分析，就可以判断隧道设计方案是否符合甲乙双方的需求、选择什么样的施工方法才能达到施工的合理化。监控测量的结果能够帮助相关人员筛选施工方法和工艺。在施工当中的监控量测做得好，就能够实现对隧道的随时监控，形成完善的信息库，对于施工当中不合理的环节能够及时发现，减少损失。与传统大断面隧道相比，大断面浅埋黄土隧道本身由于埋深浅，在施工过程中对地表土层扰动较大，且山体对隧道易产生偏压，造成支护结构各部位应变不均匀，局部应力明显增大；同时由于黄土隧道具有孔隙率大导致透水性好易塌陷等缺点，导致大断面浅埋黄土隧道在施工过程中易产生围岩变形大、支护结构整体下沉、开挖面滑塌，造成人员伤亡和经济损失等事故。所以，在实际施工的过程中，相关的工作人员应该要做好监控测量工作，对支护和围岩的变形情况能实时掌握，分析其中规律，为隧道工程安全稳定施工提供可靠的保障，同时HIA可以降低施工成本。接下来，本文以实力进行分析，结合宁夏黑海高速公路赵家山隧道的施工监测及大變形处治，探讨了在大断面浅埋黄土隧道施工中新奥法监控量测的具体应用情况。

2 工程概况

宁夏黑海公路赵家山隧道为大断面黄土隧道，左线隧道长1217m，起止桩号ZK53+555—ZK54+772，右线隧道长1250m，起止桩号YK53+590—YK54+840，隧道最大埋深约80m。

隧道断面采用三心圆型式，即拱部为单心圆，半径5.4m，曲墙半径为8.9m，净空面积为62.23m2。

隧址区为黄土残塬地貌，地层主要为第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl），第四系上更新统风积马兰组黄土（Q3eol）和中更新统风积离石组黄土（Q2eol）地层。老黄土主要分布在地面13.5～18.5米新黄土以下有80多米的位置，上部马兰黄土浅黄色，具粉土质、垂直节理裂隙发育，疏松、无层理，常形成陡壁，据钻孔揭露，最大厚度达18.5米，多为湿陷性黄土，湿陷等级为Ⅱ级中等～Ⅲ级自重湿陷，湿陷深度10m～15m。隧址地层结构简单，地下水缺乏。隧道围岩总体为ⅴ级，围岩级别较低。

3 大断面浅埋黄土隧道监控量测对支护各阶段稳定性分析

3.1 量测的意义与目的

相关人员只有对影响地表和围岩变形的因素进行了解，从原因出发，科学合理的改进施工参数和施工技术；实时监控围岩的应力状态，了解位移规律，将松弛部门进行标注，以便及时处理，相关部门还要对围岩的稳定性做测评；掌握围岩压力状态分布和支护结构的应力状态，确定支护时间与参数，根据这些情况可以选择最为合适的支护型式；实时预测隧道围岩和衬砌应力的状态，如果发现异常情况，要及时进行处理，防止事故发生。

3.2 观测系统

这种方法现场需要1台全站仪和安装反射膜片的测点和基准点，采用相对坐标，基准点坐标可自行设置于般取为原点而不必测定，测站也不必对中，可以自由设站。

3.3 全站仪

全球仪要具有三同轴光学系统即，并配置红色可见光激光指示，还要具有目标照明功能，以方便使用。测角精度应达到士1"分辨力达到0.1"，测距精度在100m以内误差只有一毫米，分辨力达到0.1mm，防尘等级大于或者等于IPS。如果施工工期紧，可以通过提高隧道内监测作业的速度，加强观测精度等方式提高施工速度，在此种情况下，可以应用带ATR功能的自动观测全站仪量机器人。如反射膜片的规格应该是70mm×70mm，不得使用尺寸小于50mm×50mm的膜片。

3.4 观测方法

3.4.1 基准点布置

全站仪自由设站坐标系的基准点通常来说是由坐标原点，即定点和于确定横轴方向的一点，这一点是运动的，这一点的运动方向和竖轴，横轴方向位移方向有关，在这里需要特别注意的是测点位置，不能阻碍测点的观测。从隧道观测的角度出发，基准点布置的位置一般都在仰拱封闭和铺底的两侧边墙上，距铺底高度1m左右，最好对通视不产生影响，在设置这两点的时候，两基准点连线与洞轴的关系应该加以保证。对于带中壁的双侧壁、CRD和CD断面，要把坐标原点置于边墙上，横轴方向点置于内壁或中壁上。双侧壁、CRD和CD断面拆撑时，应及时将基准点移出。赵家山隧道采用三台阶七步开挖法，不存在此影响。

3.4.2 测点布置

上台阶位移测点宜埋设在距掌子面第2榀钢架上（第1榀上容易被挖掘机碰掉），之后，这个断面的各台阶位移测点都应该埋设在该榀钢架上，要想防止施工人员在实际操作中受伤或者路过的行人受伤，那么，在埋设后，相关人员应该在此处设置醒目的提醒标志。埋设过程中，相关人员应该注意膜片与仪器光轴之间的关系，检查规板是否对准准测站方向。

3.4.3 反射测点制作

反射测点包括基准点和测点，一般来说是由膜片、规板和埋设杆三部分组成。规板用厚度5mm矩形钢板制作，钢板短边长度=膜片尺寸16mm～20mm，长边长度=膜片尺寸+20mm。埋设杆采用15mm～20mm钢筋，长度10cm～30cm，以膜片伸出混凝土表面15cm～20cm为宜。埋设杆焊接在规板短边中线处。

3.4.5 测站设置

采用自由设站的仪器不需对中，相关的工作人员要注意，不固定测站和固定测站的观测精度有所不同，固定测台的精度高，便于测站位置固定。设置测站特别需要注意测站的位置与测点断面两者的关系，掌握好两者的距离，两者过近就会导致影响回复反射的性能变低。通常情况下，断面和测站二者之间距离应大于25m，这时光轴与膜片的入射夹角可控制在30°以内。过远，影响测程发挥最大作用。根据现场测试，合适的站位是：采用70mm×70mm膜片时测程应控制在30m～60m之间，采用50mm×50mm膜片时测程应控制在30m～45m之间。

3.5 位移加速度判据

隧道变形较为稳定时，位移加速度=0；隧道穩定性较差时，位移加速度a=0，但位移速度v>0时，此时应该发出警告，及时采取加强支护措施；隧道处理危险状态时，位移加速度a>0，此时，隧道将急速失稳，必须要立即停止开挖，进行加固处理。

3.6 观测频率

观测频率的选择与位移速率的高低、距开挖面有着密切的联系，相关人员在选择观测频率时，需要综合考虑，调查位移速率、距开挖面距离的数据，保证两者协调，如果两者存在一定数值的差异，为保证施工安全，需要按照相关行业的规定，实际实行的观测频率选用观测频率较高的频率，并且，在各台阶开挖面通过量测断面前后要增加观测频率。

4 结束语

量测监控在新奥法隧道施工中扮演着重要角色。它是利用量测仪器、仪表等量测工具，通过对地表沉陷情况进行调研，整合数据，考察施工地周围的围岩与支护结构是否产生变化等收集数据，来判断隧道开挖产生的影响，这些数据的存在，帮助施工员完善隧道工程设计，帮助管理层经营管理。测量监控在富水黄土隧道中的应用，取得了很大成功，为我国测量监控的发展总结了很多经验。笔者通过多方数据比较，利用有限元模拟隧道的极限状态，了解到黄土隧道的安全指数及变形范围，从而，总结出了一些施工意见，能够帮助指导施工，为工程安全提供保障。

参考文献：

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