重庆某铁路隧道围岩开挖变形特征及监控方法

孙顺应

（兰州交通大学工程检测有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

围岩变形实时监测是隧道安全施工的关键，合理的监测方法有助于及时发现可能存在的问题。通过新奥法施工对隧道变形进行实时监测，并对数据进行分析处理，能够有效预测围岩变形情况，指导隧道施工[1]。马永峰实测了开挖过程浅埋连拱隧道的变形发展规律，分析了施工工序等对隧道变形的影响，可为工序安排提供借鉴[2]。王成桥针对汶川-马尔康隧道，对实测数据进行了分析，研究了隧道开挖变形规律，评估了支护等的影响[3]。陈建勋研究了大断面浅埋黄土暗挖隧道过程变形规律，为黄土隧道施工提供了参考[4]。

由于地质情况复杂，隧道施工变形监测并不是一成不变的，要根据具体地质条件、支护情况及开挖进度等进行具体设计。本文总结了重庆地区某铁路隧道施工过程中的变形监测技术，分析了拱顶、洞口及地表的变形规律，可为类似工程实践提供参考。

1 工程概况

该项目为重庆某铁路隧道监控量测项目，起点为DK118+216.35，终点为DK135+345.61，正线长度17.404km（标段含木耳货场、黄茅坪支线20.388km）。主要工程数量为：路基9493.73 m；桥梁11325.27m/21座，其中连续梁7联，道岔连续梁4联；隧道16993m/11座；涵洞1583.15横延米；车站2座（木耳站、黄茅坪站）；隧道地段无砟道床（弹性支撑块）6.92km。隧道监控量测是隧道施工的重要环节，是保证隧道施工安全和隧道结构长期稳定的有效手段。该项目主要是对管段内隧道洞内外进行监控量测，包含了洞内拱顶下沉量变化监测、拱墙周边收敛数据的监测以及隧道洞门边坡和地表沉降的监测。在隧道施工过程中，根据现场施工实际情况、隧道工程的规模、不同地质情况、支护类型和参数及开挖方法对其实施监控量测。该项目隧道施工监测必测项目见表1。

表1 隧道施工监测项目

一般根据围岩类型、开挖形式以及开挖顺序，在同一个里程断面布置7个测点（三台阶）或者5个测点（两台阶）。测点如果被现场破坏，应在被破坏测点附近补设。如果出现松动，则应及时加固。观测应在埋设点稳定后进行。测点布设如图1所示。

图1 断面沉测点布置

2 监测方法

2.1 洞内监控量测方法

隧道洞内采用全站仪自由设站非接触量测技术进行监测工作，即在外业观测中，采用全站仪任意测站及坐标测量的方法，直接获取各监测点的空间三维坐标。该监测方法简单、易操作，可对变化异常的关键节点反复对比测量，增加监测频次。采用水准仪与全站仪对洞外地表及边坡进行监测，存在异常时，两者间可相互验证，确保数据准确。

2.2 拱顶下沉和水平收敛监测

（1）一般为1次/d。

（2）台阶法施工，下部开挖过程中，监测频率为1次/d。

（3）出现变形非线性增大或者异常波动时，要缩短监测时间，增加监测频率。

（4）变形发展速率较为稳定时，可以按照表2进行监控。

表2 地表下沉降的监测频率

（5）初期支护完成后，根据实际情况可以停止对应断面的实时监测，但至少应该满足以下条件：

①初期支护表观现象正常；

②施工项目及周边变形速度大大降低，并且趋于稳定，水平收敛较小，隧道拱顶部的沉降速度减小，累计位移已经较大；

③变形时态曲线已经收敛。

2.3 监测测点的布置

在隧道开挖之前，就应布置沉降观测点，且对于重点工程应布置足够数量的观测点备用。隧道内的观测点应该和地表沉降点在同一个断面，进而排除断面位置差异的影响。观测点的间距可参考表3。

表3 地表沉降测点纵向间距

（1）如图2所示，地表沉降的观测点间距在2～5m范围，越靠近隧道中线，测点间距应越小，以提高测量精度。

图2 地表测点布置

（2）在测点布置中，隧道拱顶的沉降观测点和洞内的净空观测点也应布置在同一个断面上。且测点应尽量左右对称布置，以便观测闭合，相互印证自洽。但现场并非理想状态，遇到开挖装备、管线等其他干扰时，可以适当调整。

3 数据分析处理

实测拱顶累计变形量如图3和图4所示。在隧道出口正洞DK130+630-GD00处，开挖阶段前20d，变形发展迅速，累计达到8mm，变形速率约4mm/d，变形匀速发展，并未出现非线性增长型失稳。在20～30d时，随着支护进行，变形曲线出现一个小平台。第30d后，随着开挖持续进行，累计变形持续发展，但中间由于支护等的进行，曲线有波动，到第60d后变形基本稳定。第二阶段的变形速率约2mm/d，变形速率约为初始阶段的一半，呈现收敛状态。

图3 隧道出口正洞DK130+630-GD00

图4 隧道进口正洞HMDK3+617-SL01-SL02

隧道进口正洞变形规律与出口处有所不同，在第30d后累计变形便基本保持稳定。但与出口处类似的是，在20～30d阶段，变形迅速发展，变形速率约2mm/d。

由图3和图4可知，在开挖初始阶段变形速率很大，处于相对危险期，需要加密监测。在达到稳定前的第二阶段，变形波动较大，对于收敛的判断难度较大，一般曲线都要来回波动几次才能进入稳定区间，此时万万不可大意。

地表沉降观测点布置如图2所示，其中洞顶部测点数据如图5所示。地表沉降规律与隧道进出口位置变形规律并不一样，地表沉降更加杂乱和随机，在开挖0～25d范围内，地表沉降快速发展，随后受支护、地应力释放等因素影响，变形又有所恢复，随后在0～2mm范围内稳定波动，与隧道进出口一样进入稳定期。由此可见，地表沉降规律复杂，在实际施工监测中可作为辅助监测。

图5 地表累计变形规律

4 结论

在项目开挖过程中，围岩变形速度在初始10～20d内较大，需要重点监控。在30～60d的第二阶段，围岩继续变形，但变形速率低于10～20d阶段，且受其他因素干扰，累计变形曲线波动较大，多次回头，较难预测达到平稳阶段的时间。在约60d后，变形趋于平稳，累计位移曲线形成一个平台，围岩变形基本完成，隧道确认安全。地表沉降规律波动较大，受支护、地应力逐渐释放等因素影响明显，在60d左右波动逐步稳定。

隧道围岩变形情况监测中，要根据具体支护情况、开挖进度等，设计针对性的监控方法。测点布置要能够相互印证，自我闭合。在地质条件较差、施工工序复杂、扰动较多地段，应增大测点的空间密度。在变形速度较快阶段，应增加测量频率，以防出现异常情况。