大坞尖隧道监控量测技术及数据分析

(中南林业科技大学 湖南 长沙 410000)

目前我国在公路的隧道建设过程中，新奥地利隧道施工方法运用的越来越多。新奥法的核心思想是通过对现场的监控量测对工程实际检验、确认和修正，形成一个动态的施工，充分发挥围岩的自承能力，允许围岩产生局部应力松弛，同时允许初支结构有限制的变形[1]。监控量测是指在开挖隧道的过程中，通过各种仪器对隧道洞口地表下沉、初衬应力应变、洞内围岩变形等进行测量的过程[2]。

一、工程概况

大坞尖隧道是S407海口至李宅线德兴李宅至港首段公路改建工程的一处在建隧道，位于上饶市德兴市李宅乡，隧道全长1545m，进口桩号为K23+230，出口桩号为K24+775，属于公路长隧道，为单洞双线、-0.343%纵坡和双向2%横坡。该隧道位于构造剥蚀低山丘陵地貌区，相对高差最大270m，地形起伏较大。隧道区地层主要为奥陶系印渚埠组板岩、含钙质结核泥板岩。K23+230～K23+280、K23+440～K23+490、K24+260～K24+300、K24+540～K24+580、K24+710～K24+775段为Ⅴ级围岩，K23+280～K23+440、K23+490～K23+570、K23+820～K23+920、K24+180～K24+260、K24+300～K24+370、K24+480～K24+540、K24+580～K24+710段为Ⅳ级围岩，K23+570～K23+820、K23+920～K24+180、K24+370～K24+480段为Ⅲ级围岩，隧道洞身段强、中风化层较厚，隧道内拱顶、侧壁易坍塌；隧道进出口地段地质条件差，为Ⅴ级围岩，拱顶易坍塌，设计和施工时应采取加强措施。开挖方法为上下台阶法。

二、监控量测方案

监控量测的目的开展公路隧道工程施工监控量测，通过对洞内围岩及隧道整体结构的受力、变形状况的全面分析，相对准确的评定隧道施工工艺、初期及二次支护衬砌结构参数的安全性和经济性，为后期施工优化提供指导，最终达到安全、经济、优质的目的[3]。

三、监控量测的内容和方法

隧道监控量测分为必测项目与选测项目[4]。具体工程应根据对应隧道围岩情况、工程大小、初期及二次支护类型和相应施工方法等进行选择，着重加强隧道洞内围岩位移、围岩压力、初期及二次支护结构内力的量测[5,6]。

1.地质和支护状况观察在隧道开挖工作面爆破及初期支护后立即进行，对开挖后没有支护的围岩、开挖后已支护段、洞外进行目测观察。利用手绘地质素描、数码相机将观测到的洞内外情况和现象进行详细记录，过程中，如发现异常现象，要详细记录相关的时间、距开掌子面的距离以及掌子面相近测点的各项量测数据。

2.周边位移及拱顶下沉周边位移是利用精密全站仪量测围岩表面两点在连线方向上的相对位移变化，即收敛值。拱顶下沉是利用精密水准仪进行监测。根据围岩的条件沿隧道断面设置的间距为5～50m，每个断面设周边位移测量点和拱顶下沉测量点，观测点布置见图1。

隧道开挖后，净空收敛测点布置应遵循如下原则：设计单位有指导意见的，按设计单位的指导意见考虑布置。量测间距埋设测点应根据对应隧道的围岩条件确定，并按照相关规定量测频率进行量测。

拱顶下沉量测的目的是了解断面变化情况，判断拱顶的稳定性，防止塌方。量测方法为首先在隧道的仰拱埋设水准点，按照《二等水准测量规范》联测水准点的绝对高程。仪器架设在水准点和反光片中间适当的位置，采用自由设站高程传递然后使用全站仪测量水准点到测点的高差，正、倒镜测量3个测回，每测回高差值比较不超过0.5mm，拱顶下沉量测数据结果取平均值。

图1 拱顶下沉周边位移断面测点布置示意图

3.地表下沉观测表下沉观测是了解大坞尖隧道开挖过程中隧道顶部地表的最大沉降值，为调整大坞尖隧道开挖速度和支护强度参数提供依据，以确保大坞尖隧道支护结构和周边环境的安全。在隧道开挖前对每一个测点进行初测。初测时，对测点进行二次观测(二次差值小于±用精准水准)，初始值取平均值。量测过程中读数时严格控制各项限差，每个观测点读数误差不宜超过0.3mm。测点布置如图2所示。

图2 地表沉降观测点布置图

四、监测数据的整理与分析

1.洞内变形量测周边收敛和拱顶下沉量测结果如表1所示。表1的结果显示：周边收敛最大值小于34mm，允许值为120mm。拱顶下沉量一般情况下最大值小于30mm，允许值为120mm。大坞尖隧道围岩趋于稳定的时间一般为36天左右，周边收敛、拱顶沉降日变化速率一般在1.0～2.1mm/天，最大不超过3mm/天，大坞尖隧道围岩最终均趋于稳定。

表1 大坞尖隧道围岩周边收敛及拱顶下沉量测结果

断面桩号周边收敛稳定值/mm 最大收敛速率(mm/d)拱顶下沉稳定值/mm 最大沉降速率(mm/d)趋于稳定时间/d

K23+340-25.4-2.4-24.6-2.3 33

K23+350-31.2-2.4-28.2-2.6 33

K23+360-29.6-2.6-29.3-2.9 35

K24+740-30.9-2.8-27.1-2.8 37

K24+750-33.1-2.9-29.1-2.8 37

K24+760-28.2-2.9-26.5-2.9 28

以进出口六个断面监测结果讨论大坞尖隧道围岩的变形规律，结果如图3～图6所示。从图中可以看出：大坞尖隧道周边收敛与拱顶下沉基本同步。围岩变形分为四个阶段：第一阶段加速变形阶段，呈直线增长，周期为9～13d左右，该阶段变形达到总量65%左右；第二阶段为变形稳定阶段，围岩变形速率基本稳定，说明大坞尖隧道围岩变形受开挖面开挖的影响显著减小；第三阶段为变形再加速阶段，由于下台阶的开挖，围岩应力释放，使变形加速，周期为6天左右；第四阶段变形再稳定阶段，由于仰拱修筑，支护封闭成环，围岩应力重分步，达到平衡状态，围岩达到最终稳定，可以进行二衬施工。

图3 周边收敛-时间曲线图

图4 周边收敛速率-时间曲线图

图5 拱顶下沉-时间曲线图

图6 拱顶下沉-时间曲线图

2.地表下沉监测在隧道进出口共设置了K23+235、K24+265四个地表下沉监控量测断面，每个断面按照图2所示布置7个测点，采用精密全站仪测量大坞尖隧道进出口地表测点。

监控量测结果显示，大坞尖隧道开挖后前六周沉降量较大，沉降量达到了总沉降的95%，第7周的大坞尖隧道地表沉降量很少，处于基本稳定状态。每个断面隧道中心线对应的观测点沉降量最大，分别为16.1mm、16.2mm。K23+235、K24+265量测数据如图7—8所示。

图7 K23+235地表沉降曲线图

图8 K24+265地表沉降曲线图

五、结论

1.监测结果表明大坞尖隧道在开挖期间围岩进出洞口地表下沉、拱顶沉降、周边收敛均在规范要求的范围内，而且大坞尖隧道围岩的变形最终都趋于稳定，说明大坞尖隧道初期支护合理，可安全进行二衬施工。

2.大坞尖隧道围岩主要为强、中风化板岩，岩质较硬，隧道洞内围岩变形较为缓慢，隧道洞内围岩稳定时间在38天左右。

3.大坞尖隧道进出口地表前六周沉降速率较大，但随着时间的推移逐渐减小，第七周地表各个观测点沉降基本稳定，说明大坞尖隧道洞口山体稳定，可进行洞门施工。

4.大坞尖隧道同一监测断面拱顶下沉、周边收敛、洞内围岩形变等监测指标随时间的变化规律大致相同，各个指标普遍经历了加速、稳定、再加速、再稳定等四个变化阶段。