绝对位移测量在隧道监控量测中的应用

蒋晖光

（蒙西华中铁路股份有限公司，北京100073）

1 引言

监控量测可视为隧道施工的眼睛，直观地反映围岩变形及稳定情况，为动态调整支护参数、及时采取加固措施及适时施作二衬提供依据，其重要性不言而喻。相对位移监控量测技术虽然能够监测出拱顶下沉量和周边收敛量，但无法监测出隧道具体变形情况。国内外专家从理论到实践做了许多探索和研究，取得了一定的经验，这些文献主要研究了监控量测在新奥法施工隧道中的应用，通过加强监控量测能够优化调整设计参数, 指导现场施工[1～4]；研究了全站仪三维自由设站隧道非接触监控量测原理及精度分析[5]；分析了监控量测在隧道洞口滑坡段的预测[6]。本文以某隧道工程为研究背景，对浅埋偏压、地层顺层隧道采用绝对位移监控量测进行细致分析，详细说明绝对位移测量技术在隧道监控量测过程中的应用及其重要意义。

2 工程概况

某标段工程地处河南省境内，隧道共计16.8km/26 座隧道，线位高且短隧道数量多，多数隧道为浅埋偏压、顺层隧道。隧道围岩以云母石英片岩为主，局部含绢云母片岩，围岩软弱破碎。断面形式为单洞双线隧道，主要开挖方法为两台阶、三台阶法。为保障施工安全，及时掌握围岩变形规律，实时判断围岩和支护系统的稳定性和安全性，为调整施工方法、及时采取加固措施提供依据，在隧道施工过程中，必须开展合理、实用有效的监控量测工作。

3 绝对位移与相对位移的关系

隧道绝对位移是通过对比不同时刻测点的三维坐标[x（t），y（t），z（t）]，获得该测点在该时刻的三维位移变化量（相对于初测状态）。相对位移量测是通过布设于洞室周边上2 固定点，每次测出2 点的三维坐标并计算测点距离，求出2 次测量的距离变化值，即为相对位移值。由于y（t），z（t）对测线长度的影响微乎其微，可以忽略不计，那么对于同一条测线，2 固定点在同一时间段垂直于洞轴线方向的绝对位移变化值之和就等于相对位移变化值，等式如下：

式中，SAB为AB测线初始值；SA忆B忆为AB测线量测值；SAA忆为A测点垂直于洞轴线方向的绝对位移测量变化值；SBB忆为B测点垂直于洞轴线方向的绝对位移测量变化值。绝对位移与相对位移的关系如图1 和图2 所示。

图1 绝对位移与相对位移关系曲线图

图2 绝对位移与相对位移关系立面图

地质条件好的硬岩或均匀介质隧道，围岩正常变形情况如图2 所示，左右边墙变形基本趋于对称，常规的相对位移量测也把隧道左右边墙的变形视为对称。但在一些浅埋偏压、地层顺层或非均匀介质等软弱围岩隧道中，隧道在开挖时左右边墙产生变形往往是非对称变形，一侧变形大，一侧变形小，或都向某一侧位移。有时初支已经出现局部变形开裂、剥落的现象，但相对位移量测的变形值或变形数率仍处于正常状态，并没有发生预警，此时采用相对位移量测就不能够真实反映围岩变形情况，需要采用绝对位移测量才能监测出围岩真实的变形情况。围岩产生非对称变形情况如图3 所示，围岩产生整体偏移变形的情况如图4 所示。

图3 非对称偏移变形示意图

图4 围岩产生整体偏移变形示意图

4 绝对位移测量

4.1 监测项目

在浅埋偏压、顺层等软弱围岩隧道施工监控量测中，采用绝对位移测量主要监测拱顶下沉和水平净空变化，在穿越疑似滑坡体或滑动层的隧道增加拱顶偏移和洞轴线偏移监测项目。详细如表1 所示[7]。

表1 绝对位移测量监测项目

4.2 断面及测点布设

绝对位移测量拱顶下沉、拱顶偏移和净空变化监测断面间距及每断面测点数量如表2 所示。测点布设可根据各台阶的高度情况进行适当调整，拱顶下沉和净空变化测点应布置在同一断面上；初支应与围岩密贴，测点埋设在格栅等钢架上，无钢架时，埋设在围岩中。测点应在开挖后及时埋设并读取初始读数，测点埋设须在开挖后12h 内完成，初始读数须在测点埋设后8h 内完成。拱顶下沉测点应埋设在拱顶轴线上，数值采用绝对高程，周期性复核后视点，保证其数据可靠性。洞轴线偏移监测点按照洞内导线点布设。测点布置如图5 所示[8]。

表2 监测断面间距及测点数量

4.3 监测频率

绝对位移监测频率根据测点距开挖面距离及位移速度分别按表3 和表4 控制，表3 中B代表最大开挖宽度。由距开挖面的距离决定的监测频率和由位移速度决定的监测频率之中，采用较高的频率值,出现位移速度过大等异常情况时，要加大量测频率。洞轴线监测导线每周复测1 次[9]。

图5 拱顶下沉和水平测线布置示意图

表3 按距开挖面距离确定的监测频率

表4 按位移速度确定的监测频率

4.4 测量方法

洞内布设三等以上导线点，控制点埋设要牢固可靠，导线点要定期复核，保证测量精度，以便真实地分析量测数据的变化情况。为尽量减少误差积累，采用固定导线点测量固定断面的方法测量，尽量减少转站。专人、固定仪器测设，专人计算、专人复核，确保观测数据准确无误。

而变频调速的特性以及无可比拟的节能功效在机械调速领域脱颖而出。因此，怎样更好地把变频调速技术引入并应用到起重机械行业中是一个值得探究的重要领域[1]。本文所研究的变频工况下的起重机械起升机构动力学仿真与研究，就是在这个背景下提出的。

拱顶下沉、拱顶偏移和净空测量采用全站仪配合反射膜片进行。在隧道洞顶中线及左右边墙已埋设测点处设置反光片，利用全站仪红外线无棱镜反射方法进行测量，测得拱顶点及两侧测点三维位坐标。

4.4.1 测点埋设

拱顶及边墙测点埋设在格栅钢架上，采用准20mm 钢筋，尾端朝向洞口方向进行45毅斜切形成斜切面并焊接钢板，钢板上面粘贴测量专用反射膜片（不小于2cm伊2cm）。反光片统一定做，自带十字丝。导线点埋设在隧道地板基岩或仰拱上，尽量沿洞轴线布设。

4.4.2 标识要求

测点布设以后，在测点位置做统一的醒目标识，每个断面左右侧各布设1 个标示牌，及时记录展示相关信息。

4.4.3 保护要求

测点及时进行布设，并做好保护，防止破坏。现场监测与施工必须紧密配合，施工现场应提供监测工作时间，保证监测工作的正常进行，监测测点的埋设计划应列入工程施工进度控制计划中。

4.4.4 失效测点处理要求

如果测点被破坏，应在被破坏测点附近补埋，重新进行数据采集；如果测点出现松动，则应及时加固，重新读取初读数。失效测点应在6h 之内恢复，前期累计变形值作为处理后测点的初始变形量。

4.5 测量精度

采用高精度、稳定性好的观测仪器，测量精度为1.0mm。采用测距精度为1.5mm+2伊10-6mm、测角精度为1义级以上的全站仪，施测时设站点与监测点距离不宜过大，应控制在70m 范围以内，同时保障测试环境的其他要求。导线测量严格按照测量规范要求测设。

4.6 数据处理

每次测量的测点坐标与初始坐标进行比对，计算测点距离变化值，并计算其垂直于洞轴线方向的距离，作为该测点的绝对位移值。每次观测后立即对原始数据进行核对和整理，绘制时态曲线并进行回归分析。

4.7 预警值设置及处置措施

根据大量监测数据分析及现场实际情况对比，一般水平测点每天绝对位移超过6mm 时，按照黄色预警进行处置；超过10mm 时，按照红色预警进行处置。每次发生预警时必须查明原因。当发生黄色预警时，要加强初支表象观察，加快初支仰拱成环速度。发生红色预警时，对预警部位采取增加锁脚锚管、注浆补强等加固措施，必要时采取增加临时横撑或临时仰拱等措施。监测数据回归分析显示，80%的变形量发生在初支成环之前，加快初支仰拱成环速度，缩短初支成环时间是控制变形的最有效手段。持续发生红色预警时，应加强支护，及时进行变更设计。

一旦监测到洞轴线发生偏移，应立即停止施工，加强地表观测，并采取地质调查、物探、钻探等多种手段查明洞轴线偏移原因，进而采取针对性措施。

5 应用实例

5.1 初支变形情况

某隧道为单洞双线隧道，全长518m。隧道进口DK846+156耀DK+450 段下伏基岩为云母石英片岩、钙质云母石英片岩、石英片岩，全～强化风，片状构造，岩层产状20毅蚁62毅，节理发育，岩体破碎，地形左低右高，埋深较浅，已施工段最大埋深27m，隧道偏压严重。

某日，隧道进口左侧DK846+207耀DK846+250 段43m、右侧DK846+203耀DK846+250 段47m，中下台阶钢架连接板附近出现1耀2mm 纵向裂缝。经取芯发现裂纹已贯通初支厚度。隧道左侧DK846+245耀DK846+257 段上中台阶连接板附近喷混凝土连续剥落，格栅骨架外露变形；隧道右侧DK846+237耀DK846+244 段中下台阶连接板上部0.5m 喷混凝土连续剥落；左 侧DK846 +205 耀DK846 +207、DK846 +265 耀DK846 +273、

DK846+285耀DK846+290 拱顶左侧1.5m 位置出现局部剥落；右侧DK846+210耀DK846+260 下台阶与仰拱连接板附近出现局部剥落。

5.2 监控量测情况

前期采用相对位移进行隧道监控量测，水平收敛值一直处于正常收敛状态，监控量测信息系统未预警。初支变形后，通过测量各监测点的绝对位移量，准确判断出隧道偏移方向和偏移量，监控量测点绝对位移值显示，DK846+166.8耀DK846+200.5 段隧道左右测点均向隧道内侧位移。DK846+200.5耀DK846+305 段隧道整体向线路方向左侧偏移。其中左侧最大偏移值82mm 平均偏移值20mm，右侧最大偏移值106mm，平均偏移值62mm。

5.3 变形处置及支护参数优化

通过绝对位移测量确定隧道位移情况后，采用钢架套拱封闭成环、小导管注浆加固等措施有效控制了初支变形，使隧道变形趋于稳定。通过对隧道洞轴线的监测，结合物探及地质补勘，综合判断隧道没有整体偏移的可能，采取洞内加固措施是可行的。隧道变形的主要原因是浅埋偏压与地层顺层所致，原设计初支强度不足，后期施工时初期支护增加了系统锚杆，格栅钢架由H230 变更为H280，初支喷射混凝土厚度由30cm增加至35cm。

5.4 绝对位移测量情况

鉴于此隧道浅埋偏压严重，地层为顺层，围岩破碎，后续施工增加绝对位移监测项目，监测结果显示，隧道左、右边墙监测点均向隧道左侧偏移，根据变形规律，隧道右侧开挖预留变形值按照200mm 预留，左侧不预留变形量只考虑50mm 施工误差。对隧道右侧钢架连接部位增加锁脚锚管数量，抑制变形。

6 结论与建议

1）绝对位移测量适合在隧道洞口浅埋段、浅埋偏压段、地层顺层及掌子面不均匀介质等地段的监控量测中使用，其他地质条件好的地段不需要采用绝对位移测量进行监控量测。

2）通过对绝对位移测量结果分析，准确掌握初支变形的具体部位及变形规律，为动态调整支护参数、采取局部加固措施、初支适时封闭成环等提供依据。通过洞轴线监测，能够初步判定隧道是否存在整体位移的可能，以便及时采取对策，确保隧道永久安全。

3）根据绝对位移监控量测数据分析，有针对性的调整隧道开挖预留变形量，减少二衬混凝土超耗，预防初支侵限，节约施工成本。

4）绝对位移测量过程中需要布设精密导线，受观测距离影响难免增加转站次数、测量误差相对较大，因此，要与相对位移监控量测配合使用，相互印证。