樺樹墕隧道監控量測與穩定性分析

曾慶剛，陳 琪，劉 洋

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430040；2.武漢港灣工程質量檢測有限公司，武漢 430040）

在當今的隧道建設中，監控量測已成為必不可少的一項施工工序。隧道施工過程中進行的監控量測，主要是通過精密水準儀、收斂計、位移計、測力計、壓力盒、應變計等儀器量測，快速獲取圍巖和支護結構受力與變形的動態信息。如地表下沉、拱頂下沉、收斂位移、錨桿軸力、圍巖壓力、鋼支撐壓力等數據，把獲取的信息進行必要的數學處理，與理論、經驗方法相結合，建立必要的準則，及時調整或確定支護參數，進行施工決策。

1 隧道監控量測研究現狀

目前，在歐洲與日本等一些發達國家，己開展了對隧道工程動態監測系統的開發研制，它是以信息化為基礎、監控量測為目的的新型工程動態監測系統。由于隧道建設起步晚，對隧道施工監測量測管理認識還不完善等原因，我國的隧道建設施工監測量測技術與歐洲、日本等隧道技術先進的國家之間存在著一定的差距。但隨著國家對基礎設施建設的投入，我國交通建設取得了迅猛的發展，隧道特別是超長隧道科研取得了巨大的進步，帶動了監控量測技術的發展和應用。目前，隧道監控量測存在著以下問題：1）隧道設計、施工和監控量測很難有機結合；2）量測技術和分析手段有待完善；3）數據處理技術有待完善；4）對一些特殊地質情況的隧道施工監測辦法不多。

2 監控量測斷面、測點布置原則

2.1 斷面布置的原則

隧道是一個狹長結構，任一段洞室都必須是穩定的、安全的，否則就會出現全局性癱瘓。對于這樣的結構，不可能對每個斷面都進行監控量測，只能選一些具有代表性的斷面進行監控量測，其監控斷面的布設應遵循以下原則：

1）錨噴支護結構，平均每10～50m量測一個斷面。洞口、淺埋地段特別是軟弱地層、地質條件差的地段，量測斷面應加密，間距應小于20m。上述原則可按下列關系描述：設洞跨為B，埋深h，當2B＜h，量測斷面間距20～50m；當B＜h＜2B，量測截面間距10～20m；當h＜B，量測間距5～10m。

2）地表下沉測點位置應與洞內水平收斂和拱部下沉量測點布置在同一橫斷面上。

3）施工進深200m前，每20m應設一個量測斷面；200m后，每30m量測一個斷面，測點離開挖面應小于2m。

2.2 測點布置的原則

監控斷面測點布設與開挖方式密切相關。對全斷面開挖洞段，量測斷面布設1條水平測線，特殊地質，測線布設3條或6條；對短臺階開挖法應布設2條水平測線，特殊地質，布設4條或6條測線；對多臺階每一臺階布設1條水平測線，特殊地質，每臺階布設3條測線。如圖1、圖2所示。

2.3 監控量測數據處理及分析

1）周邊位移量測數據分析

隧道開挖以后，周邊位移變位與時間關系如圖3所示。

隧道進行全斷面開挖時，開始時的位移變位速度最大，之后慢慢減小，當變位速度為零，圍巖達到穩定狀態。如開挖一段時間后，變位速度沒有收斂，或收斂到某一值后出現增長，圍巖有可能出現危險。在分臺階施工，每個臺階開挖開始時，變位有一個增大的過程，然后慢慢變小，最后趨于零。如圖4所示。

在隧道施工中進行的監控量測，受測量儀器精度和偶然誤差影響，致使測量的數據具有離散性，由這些數據導出的圖形總是沿一條線上下波動，所以必須采用數學的方法對量測數據進行分析處理，獲得合理曲線，推算出隧道圍巖變形隨時間變化的規律和不同階段圍巖的變形量以及圍巖變形的發展趨勢。

2）錨桿軸力量測數據處理與分析

利用剪力和軸力分布曲線，確定是否需增加錨桿數量或長度。

3）圍巖壓力量測的數據分析

經過分析處理隧道施工現場的監控量測數據，可得出圍巖壓力分布曲線，從而進一步了解圍巖壓力大小及分布狀況。

4）地表沉降量測數據分析

地表沉降分析一般采用水準量測、收斂量測和圍巖內部變位量測一起綜合分析，根據下沉量，判斷每一開挖階段對整個隧道地表的影響，分析其原因。地表變形總量的控制可參考表1。

表1 地表沉降基準參考值

3 工程實例

3.1 工程概況

榮成至烏海高速公路十七溝至大飯鋪段SDHSD－1（隧道1標）標段，路線起點樁號K40＋400，終點樁號K42＋600，路線全長2.2km，位于內蒙古自治區呼和浩特市清水河縣境內。樺樹墕隧道位于該標段的分離式路基段，左線里程樁號為ZK40＋946～ZK42＋377，設計高程在1365.831～1390.318之間，路線縱坡1.5%，全長1431m；右線里程樁號為K41＋034～K42＋413，設計高程在1367.611～1389.441之間，路線縱坡1.5%，全長1379m。隧道設計主洞采用單心圓斷面形式，緊急停車帶采用三心圓內輪廓，隧道設置雙側檢修道。隧道限界凈寬10.25m，限界凈高5.0m，隧道最大埋深110m。

隧址區地貌特征為低中山地貌，地形起伏，高差稍大，海拔高程1380～1495m，地表植被不發育。

隧址區地表水系不發育，由于降雨少而集中，故多為短小的季節性泄洪河流水。

3.2 樺樹墕隧道監控量測方案

1）量測斷面位置選擇

一般選取以下地點為量測斷面：特殊地質段，圍巖出現破碎；洞口附近；隧道埋深較淺；圍巖類別漸變；施工方案改變時所處位置等。

2）量測項目

根據規范要求，結合該隧道實際情況，主要對樺樹墕隧道以下項目進行了量測。①淺埋段地表下沉量測

②隧道周邊水平位移測量

③拱頂下沉量測

④隧道圍巖與初期支護之間壓力量測

3）測點布置

樺樹墕隧道進口段為V級淺埋段，需要進行地表下沉量測。在隧道進行開挖前，布置好地表沉降觀測點，隧道外地表沉降觀測點與隧道內沉降觀測點布置在同一樁號處。觀測點橫向間距為3m。

隧道周邊位移和拱頂下沉在隧道開挖后進行，結合樺樹墕隧道圍巖情況，該文主要選取3個斷面進行分析。

3.3 樺樹墕隧道監控量測項目的穩定性分析

1）隧道地表沉降量測

樺樹墕隧道進口淺埋段的起止樁號為ZK40＋976～ZK41＋031。在樺樹墕隧道進口淺埋段設置了兩個地表沉降觀測斷面ZK40＋985、ZK41＋031，在選定的量測范圍內，設置容易測量和固定的基準點，把長度約60cm的φ22鋼筋埋入土層中，采用混凝土澆筑牢固，并在附近插載木樁方便查找，在每個斷面上布置了11個測點，間距為3～5m，中間間距小，兩邊間距大，采用精密水準儀進行量測。斷面布置形式如圖5所示。

2）拱頂下沉和水平收斂現場監測

現場量測拱頂下沉和周邊位移收斂監控點布置如圖6所示。

表1 現場監測數據

由監測數據可知，該斷面水平位移在15d內累計沉降50.35mm；由圖7拱頂下沉時間曲線圖知，此后拱頂沉降時間曲線基本趨于水平，表明隧道圍巖變形已基本穩定。

4 結 論

a.拱頂下沉位移隨時間變化的規律。

b.通過穩定性分析，拱頂沉降時間曲線基本趨于水平，表明隧道圍巖變形已基本穩定。

［1］吳夢軍，陳彰貴，徐錫賓，等.公路隧道圍巖穩定性研究現狀與展望［J］.重慶交通學院學報，2003，22（2）：24－28.

［2］李小紅.隧道新奧法及其量測技術［M］.北京：科學出版社，2002.

［3］馬建俊.隧道施工監控量測分析和應用［J］.河南理工大學學報，2006（5）：25.

［4］趙 河.西太平山隧道監控量測與穩定性分析研究［J］.北方交通，2009（8）.