黄家屋基隧道监控量测技术

黄家屋基隧道监控量测技术

杨永强

中铁十七局集团第一工程有限公司山西太原030000

摘要：隧道施工监控量测是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术之一，也是隧道采用信息化施工和动态设计的主要内容，它不仅能指导施工，预报险情，确保安全，而且通过现场量测获得围岩与支护结构的变形和工作状态信息，为优化结构设计、支护参数和施工工艺提供信息依据，为二次衬砌提出合理的施作时间。通过施工监控量测信息对各级围岩实际预留变形量进行调整，确保二次衬砌厚度及减少回填量。

关键词：监控量测；拱顶沉降；水平收敛；地表沉降；全站仪；电子水准仪

1工程概况

黄家屋基隧道为分离式长隧道，隧道进口及洞身段测设线间距约30m，出口段测设线间距19m。左幅隧道起讫桩号为ZK15+536～ZK17+527，长1991m，最大埋深约143m。右幅隧道起讫桩号为YK15+552～YK17+530，长1978m，最大埋深约124m。左右幅隧道进口及洞身平面线形位于直线上，左幅出口段位于R=1300m圆曲线上，右幅出口段位于R=1200m圆曲线。左右幅隧道进口段为上坡，坡度分别为2.478%及2.5%，洞身及出口段为下坡，纵坡坡度分别为-0.84%和-0.86%。

2监控量测的目的

在隧道施工过程中，用现场量测的数据对围岩支护体系的稳定状态进行检测，确认支护参数和施工方法的准确性，为初期支护和二次衬砌设计参数的调整提供依据，验证支护结构效果。监控量测对周围环境的影响，积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据，是确保施工及运营安全、指导施工程序、便利施工管理的重要手段，监控量测是施工过程中必不可少的施工工序。

3监控量测的项目

监控量测实施过程中建立量测点埋设记录资料，量测工作按计划实施，不得中断，量测数据及时、准确，量测结果及时报告，以便掌握动态信息。

（1）必测项目包含洞内外观察、地表下沉、周边位移、拱顶下沉；

（2）选测项目包含围岩压力量测、初期支护喷射混凝土应变量测、钢架内力及所受的荷载量测、二次衬砌混凝土应变量测。

4监控量测的方法和实施情况

4.1洞内外观察

（1）观测内容

洞外观察重点应在洞口段和洞身浅埋段详细记录地表沉陷、变形、边仰坡稳定状态及地表是否有渗漏水及开裂等情况。

（a）对开挖工作面观察：

①岩质种类和分布状态，临近界面位置的状态；

②岩性特征：岩石的颜色、结构、构造；

③节理性质、组数、间距、节理裂隙的发育程度，断面状态特征，充填物类型等；

④断层的性质、产状、破碎带宽度、特征；

⑤溶洞的情况；

⑥地下水类型、水量大小等；

（b）开挖后已支护段：

①初期支护完成后对喷层表面的观测及裂缝状况的描述与记录；

②喷射混凝土是否产生裂缝或剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏；

③钢支撑有无被压曲现象；

（2）量测目的

（a）预测开挖面前方的地质条件；

（b）为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据；

（c）根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的可靠程度。

（3）量测方法

利用地质素描、照相或摄像技术将观测到的有关情况和现象进行详细记录，观测中，如发现异常现象，要详细记录发现的时间、距开挖工作面的距离以及附近测点的各项量测数据。

（4）观测频率及断面

开挖后及初期支护后进行，一至三个循环进行一次。

4.2地表下沉

（1）监测的目的

从地表设点观测，根据下沉位移量判定开挖对地表下沉的影响，以确定隧道支护结构；通过地表下沉量的多少和下沉的快慢，判断分析隧道洞口围岩是否稳定，为设计优化支护参数提供可靠的数据，保证施工安全。

（2）量测方法

地表下沉观察断面设置为每个单洞口浅埋段各设置1个断面。每个断面上测线与隧道中心线垂直，埋设测点时中心监测点设在隧道轴线的地表位置，其它监测点沿中心线对称布置，测点间距由中心监测点开始至距离地表隧道轴线最远一点由密至疏布置，具体距离按2～5m布置，宽度范围为W=B(开挖宽度)+H/2（两侧埋深的一半）。

参照标准水准点埋设方法，埋设2个临时水准基点。基准点要求通视良好，测量方便，基础牢固。一个基准点作为测站点，另外一个作为后视检核点，以便互相校核。参照标准导线点埋设，所有基点应埋设在基岩或原状土层中，测站的基点应进行深埋。监测网点观测标志采用钢筋混凝土观测标墩，或选择其它的标准观测墩。标墩基础力求稳固，或除去表面风化层使标墩浇筑在新鲜基岩上；或当地表覆盖层较厚时，应开挖出一基坑，深度不少于1m，标墩应现场浇筑。

在测点位置挖长、宽、深均为200mm的坑，然后放入地表测点预埋件（自制），测点一般采用φ20～30mm、@200～300mm长1m的平圆头钢筋，在钢筋的一端焊接一块边长约为5cm见方的钢板，钢筋的另一端放入坑中，用锤敲至贴片距地表30cm左右为宜，并调整测点方向，测点四周用砼填实，待砼固结后即可量测。

地表下沉测点应布置在隧道轴线上方和两侧拱腰上方以及隧道开挖界限上方，测点一般以7个左右。边坡测点应尽量考虑坡形坡度变化的地方，埋深相差悬殊处、刷坡面与天然围岩接壤处、不同围岩分界处等，测点应能控制整个边坡的变形。

（3）断面布设

地表下沉测点断面布设在洞口段、浅埋段，对隧道施工有影响的偏压段或洞身浅埋段。洞口和浅埋段每个断面至少7个测点，每隧道口至少一个断面。

4.3周边收敛及拱顶沉降

（1）量测目的

（a）隧道周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直接反映，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息；

（b）根据变形速率判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机；

（c）判断初期支护设计与施工方法选取的合理性，用以指导设计与施工。

（2）监控量测的方法和实施

水平净空收敛实测步骤：根据设计要求随时掌握岩石的变化情况，测点安装应靠近开挖面又不宜被破坏的地方，并且保证在开挖后12小时（最迟不超过24小时）内埋设，且在下一次循环开挖前量测到初次读数，初期观测为每天两次。监测点的钢筋根部应深入岩石并灌入水泥砂浆使其牢固。量测方法：每个监测断面两次挂尺，第一次量测完成后，记录量测数据，然后交换尺头再次量测，两次量测结果误差在0.5mm内取平均数作为水平净空量测结果。

洞内拱顶沉降监测实测步骤：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（此点坐标也可作为隧道内日常测量施工放样使用）。拱顶监测点位置和埋设时间同水平收敛点相同，埋设方法同水平收敛点一样要把钢筋插入岩石内使其牢固，在钢筋外露部分焊接5㎝×5cm的铁片，然后在铁片上贴测量专用反光片。在后视水准点上架设徕卡仪器自带的金属三角架，固定1.3M作为后视标高，仪器架设在水准点和反光片中间适当的位置，不必量取后视标高和仪器高，这样可消除因量取仪器高和后视标高带来的误差。然后使用全站仪测量水准点到反光片的高差，正、倒镜测量3个测回，每测回高差值比较不超过0.5mm，取平均数作为拱顶下沉量测数据结果。

洞内水平净空收敛的精度分析：收敛仪钢尺受温度影响较小，隧道内温度基本稳定，初次量测温度和日常量测时温度基本一致，不必考虑温度改正。收敛仪的最小读数为0.01mm，量测结果的取值也为0.01mm，能够反映围岩的细微变化，满足精度要求。

洞内沉降监测精度分析：

此公式为光电测距三角高程测量（单向观测）的高差精度估算公式，

其中：如水平距离取值30米，仪器观测测点天顶距取值70°。仪器观测后视棱镜天顶距取值90°。斜距取值32米，地球曲率半径取值6369000米，大气折光系统测量误差忽略不计，未考虑仪器高测定误差及棱镜高测定误差。光电测距边边长中误差及垂直角测角中误差均采用仪器标称精度。计算得此高差精度值为±0.34mm。完全可以满足观测要求。

4.4围岩压力

（1）监测目的

判断围岩压力大小，初期支护承担围岩压力情况。

（2）量测方法

压力盒布设在围岩与初衬之间，即测得围岩压力；应把测点布设在具有代表性的断面的关键部位上(如拱顶、拱腰、拱脚、边墙仰拱等)，每个断面宜为5个测点，埋设后并对各测点逐一进行编号。

埋设压力盒时，要使压力盒的受压面向着围岩。在隧道壁面，当测围岩施加给喷砼层的径向压力时，先用水泥砂浆或石膏把压力盒固定在岩面上，再谨慎施作喷砼层，不要使喷砼与压力盒之间有间隙，保证围岩与压力盒受压面贴紧。记下压力盒编号，并将压力盒编号用胶带紧密贴在测量导线上，测量导线应用细铁丝集结成束妥善保护避免施工时遭受破坏。

（3）断面布设

围岩与初期支护间压力主要布设在IV级、V级围岩段。其中洞口浅埋段、断层破碎带及软弱围岩段是监测重点。

4.5初期支护喷射混凝土应变量测

（1）量测目的

将混凝土应变转化为初支混凝土的内应力，以判断初衬的内力分布及变化情况。

（2）量测方法

测点布设∶应把测点布设在具有代表性的断面的关键部位上（如拱顶、拱腰、拱脚、边墙仰拱等），每个断面宜为5测点，对各测点逐一进行编号。

在初期支护的钢筋网上固定混凝土应变计，再喷混凝土。不要使喷砼与应变计之间有间隙。

（3）断面布设

喷射混凝土应力监测断面主要布设在IV级、V级围岩段。其中洞口浅埋段、断层破碎带及软弱围岩段是监测重点。

4.6钢架内力及所受荷载量测

（1）监测目的

了解钢架与混凝土对围岩的组合支护效果；

了解钢架的实际工作状态，视具体情况决定是否需要采取加固措施；

判断二衬支护承载能力，保证施工安全，优化设计参数；

量测钢拱架应力，推断作用在钢拱架上的压力大小，评价钢拱架设计与施工参数的合理性。

（2）量测方法

沿隧道周边在钢支撑内、外侧对称地设置5对钢筋计进行监测。

钢筋计分别沿钢支撑的内外边缘成对布设。安装前，在钢拱架待测部位并联或串联焊接钢弦式钢筋计，在焊接过程中注意对钢筋计淋水降温，然后将钢拱架或钢格栅由工人搬至洞内安装或立好，计下钢筋计型号，并将钢筋计编号，用透明胶布将写在纸上的编号紧密粘贴在导线上。注意将导线集结成束保护好，避免在洞内外被施工所破坏。对于型钢拱架，用钢表面应变计或钢筋应力计量测，其他与钢格栅钢拱架的钢筋计量测法相同。注意将导线集结成束保护好，避免被施工所破坏。

（3）断面布设

钢支撑内力监测断面布设在Ⅲ～Ⅴ级围岩段及紧急停车带段。

4.7二次衬砌混凝土应变量测

（1）量测目的

了解二衬混凝土的实际工作状态，视具体情况决定是否需要采取加固措施或修改设计；

判断二衬支护承载能力，保证施工安全，优化设计参数。

（2）量测方法

测点布设∶应把测点布设在具有代表性的断面的关键部位上（如拱顶、拱腰、拱脚、边墙仰拱等），每个断面各设置5支钢弦式混凝土应变计、钢弦式钢筋计，每个测点安设1个传感器进行监测。

对于设计配有钢筋的混凝土衬砌，在主筋待测部位并联焊接钢弦式混凝土应变计、钢弦式钢筋计，在焊接过程中注意对其淋水降温；对于没有配筋的混凝土衬砌，传感器埋设时要做一个专用的支架，把传感器固定在支架上，再把支架点焊在混凝土模板台车表面，以实现传感器的固定，并对各测点逐一进行编号，用透明胶布将写在纸上的编号紧密粘贴在导线上。注意将导线集结成束保护好，避免在洞内外被施工所破坏。在浇筑混凝土施工时，在边墙部位用PVC管包住电缆引到边墙基础混凝土以外，以便混凝土施工后测量。

（3）断面布设

二衬混凝土应力监测断面主要布设在IV级、V级围岩段。其中洞口浅埋段、断层破碎带及软弱围岩段是监测重点。

5量测数据的整理、分析

5.1现场量测数据及时整理，绘制量测数据与时间的关系曲线，并进行数据处理和回归分析。

5.2以位移-时间曲线为基础，根据位移值、位移速率等分析、评定围岩和支护的稳定性。判别初期支护的工作状态，支护特点并对初期支护进行安全评估。

5.3当位移急剧增加，每天的相对净空变化超过1mm时或位移-时间曲线出现反弯点时，应加强观测，通知现场施工密切注意支护结构的变化。

5.4当地表沉降、水平净空收敛、拱顶下沉量达到预测最终值的80%～90%，收敛速度小于0.1～0.2mm／天，拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm／天时，可认为围岩基本稳定进行下一道工序施工。

5.5在同一断面上，当地表下沉量大而洞内拱顶和水平净空收敛值没有异常变化时，要进行现场观察和分析是否地表有局部滑坡并将数据和情况及时上报。

5.6及时提交成果资料和上报监测数据，在观测期内，位移值超过设计值的20%及以上时，应及时会同建设、勘察设计等单位查明原因，必要时进行地质复查，并根据实测结果调整计算参数，对设计预测位移进行修正或采取控制措施。

5.7通过以上综合分析、评价及时修正设计、调整支护参数，对施工及时提供建议和措施。

6结束语

由于隧道工程的特殊、复杂性和隧道围岩的不确定性，对隧道围岩及支护结构进行监控量测是保证隧道工程质量、安全必不可少的手段。在黄家屋基隧道施工中，通过对隧道施工现场量测数据获得围岩动态及得到沉降最终值，通过分析监控变形趋势来确定下一道施工工序时间，确保施工安全。尤其是在隧道穿过既有通村公路的埋深浅，而且车流量多，吨位大，为确保高速公路不受影响，正常运行，防止发生坍塌，我们增加了监测点的密度和观测频率，随时掌握隧道内部和路面的位移变化，为隧道施工提供了安全保障。另外，在洞内进行拱顶沉降观测利用全站仪进行非接触测量，测量速度快，受施工干扰少。全站仪所观测的三维坐标，也可代替水平净空收敛，同样能在地下厂房、大基坑开挖、高边坡施工等进行监控量测。

参考文献：

[1]JTGF60-2009,公路隧道施工技术规范[S].

[2]GB/T15314-94,精密工程测量规范[S].

[3]GB0026－93,工程测量规范[S].

[4]GB12897-91,国家一、二等水准测量规范[S].