西格嶺隧道施工監控量測技術研究

張先軍，王玉鎖，葉躍忠

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031;2.西南交通大學(峨眉校區)土木工程系，四川 峨眉 614202)

1 工程概況

西格嶺隧道位于西昌市經久工業園區東南端，介于張家山至李宗仁屋脊之間，是一條雙線鐵路隧道，全長1 160 m，圍巖等級V級，最大埋深約70 m。隧址地段巖層風化嚴重，主要為粉砂巖、泥質粉砂巖、黏土巖及砂質黏土巖，圍巖自穩能力較差、強度較低，遇水易軟化，但巖層地下水欠發育，無斷裂構造。

2 監控量測方案

隧道施工過程中，現場監控量測是對圍巖及支護系統的穩定狀態進行動態監測，為圍巖級別變更、初期支護和二次襯砌的參數調整提供依據，是確保隧道施工安全、指導施工程序、便利施工管理的重要手段，也是采用新奧法施工過程中必不可少的施工環節之一。

2.1 監測內容

隧道監控量測內容分必測項目和選測項目，必測項目包括:地表沉降、洞內外觀察、拱頂下沉、洞周收斂;選測項目作為必測項目的驗證和補充，可根據隧道圍巖性質、埋深、開挖方式等條件確定，主要包括圍巖壓力、鋼架壓力、錨桿軸力、噴混凝土內力、二次襯砌內力、孔隙水壓、爆破振動和縱向位移等。

結合西格嶺隧道實際地質和施工設計要求，監控量測以必測項目為重點，擬對無尺量測技術進行深入研究，必測項目測試內容及儀器如表1。

表1 必測項目測試內容及儀器

2.2 監測方法

2.2.1 地表沉降量測

隧道洞口段圍巖高度風化、埋深較淺，開挖易塌陷，為確保洞口段施工安全，需進行地表沉降量測。根據西格嶺隧道洞口段實際埋深，縱向布置5排地表沉降測點，間距分別為 10 m、10 m、20 m、20 m;橫向每排布置9個測點，間距為2～5 m，隧道中線附近測點適當加密，兩側量測范圍不小于H0+B。地表測點布設采用長為1 m，直徑8～16 mm光圓鋼筋，鋼筋端部露出基巖2～3 cm刻十字線，以十字中心作為地表測點，同時在穩定基巖上布置2個測量基準點，以備校核。具體布置按圖1所示。

2.2.2 地質及支護狀況觀察

圖1 地表測點橫向布置

觀察項目包括掌子面和支護狀況兩方面。掌子面觀察內容有:地質特征及分布情況、巖性特征、地層時代及產狀、節理性質及發育程度、斷層性質及破碎帶狀況、涌水特征等;根據觀測結果每周繪制掌子面素描圖并整理成冊，為后期分析圍巖穩定性提供依據。支護狀況主要觀察噴混凝土表層、錨桿及鋼架工作應力狀態，表面裂紋等，通過分析可直觀反應支護結構的可靠程度。

2.2.3 拱頂下沉及洞周收斂

本隧道采用臺階法和CRD法施工。根據圍巖級別、施工方法和隧道尺寸等，沿隧道縱向及洞周布設測點，縱向測點斷面間距為10 m，洞周測點按圖2布置。

圖2 測點布置

布設反射膜片測點時應注意:拱墻膜片與隧道中線約60°角;拱頂膜片約30°俯視角，確保測量反射光線沿原路返回測試透鏡中，消除反射誤差。

2.3 監測頻率及判別基準

2.3.1 監測頻率

隧道采用位移速度確定的監測頻率進行監測，按表2確定[1]，當位移速度出現異常情況或遇不良地質地段時，應增大監測頻率。

表2 按位移速度確定的監測頻率

2.3.2 判別基準

1)Ⅴ級圍巖允許相對位移值為0.2% ～0.8%，位移管理等級標準[1]:Ⅰ級 U<正常施工，Ⅱ級<加強支護，Ⅲ級采取特殊措施(U—實測位移，U0—極限位移)。

2)凈空變化速率持續 >1.0 mm/d時，圍巖處于急劇變形狀態，應加強初期支護;凈空變化速度 <0.2 mm/d 時，圍巖達到基本穩定[2]。

3 數據處理及分析

3.1 數據處理

按實測數據繪制位移時程曲線和速率時程曲線。由于量測數據可能存在偶然誤差，曲線波動幅度較大，用它來表示變形發展趨勢是不準確的。因此需要采用數學統計知識，對實測數據進行回歸分析，得到圍巖最終的變化規律，指導各施工工序的進行(如確定二次襯砌、仰拱施作的合理時間、上下臺階工作面間距等)。

以DK1+080斷面(臺階法施工)回歸分析為例，根據以往工程經驗，一般采用指數、對數及雙曲線函數進行擬合［3-4］。原形公式及換算線性公式具體如下:

1)指數函數:u=Ae－B/t，轉 化 為 直 線 函 數

設一般直線函數形式為y=a+bx，求出a、b值，然后換算出A、B值，詳細回歸參數見表3。

表3 線性回歸分析參數表

圖3 拱頂下沉時程曲線擬合

圖4 上臺階收斂時程曲線擬合

圖5 下臺階收斂曲線擬合

圖6 速率實測曲線

3.2 數據分析

1)實測速率曲線直接預警施工初期險情狀況。

圖6中實測速率基本在(1～5)mm/d之間，監測頻率應為1次/d，但前期開挖時拱頂下沉速率 >5 mm/d，應加大監測頻率，確保施工安全。

2)回歸分析能夠避免實測數據的偶然誤差，預測變形發展趨勢。

圖3、圖4和圖5反應了DK1+080斷面在后續施工過程中圍巖的變形趨勢、穩定時間及最終位移。第41 d后洞內位移均趨于基本穩定，通過回歸分析可知拱頂下沉極限位移u=74.366 mm，上臺階收斂極限值u=－23.51 mm，下臺階收斂極限u=4.1 mm。

3)下臺階收斂實測曲線，反應了仰拱緊跟施作的必要性。

圖3中30 d后，擬合曲線略小于實測值;圖4中30 d后，擬合曲線絕對值略大于實測值。原因是第30 d進行了下臺階開挖，隧道上部整體小幅下沉。圖5反應下臺階收斂變化較復雜，很難采用某種單一曲線擬合(圖示擬合不理想)預測發展趨勢。圖5中第37 d下臺階開挖完成，斷面凈空加大，位移呈直線增長。為保證施工安全，第41 d緊跟施作仰拱形成圓環，斷面支護強度大大提高，圍巖變化趨勢迅速穩定。

4)全斷面分析。

4 結論及建議措施

隧道洞內變形及地表沉降監測獲得的數據是可靠的，將時程曲線與圍巖等級、施工方法、支護結構及埋深等結合分析，可迅速反饋圍巖穩定狀況、支護參數和施工方法的合理情況，對調整設計參數具有重要意義。

動態監測表明，西格嶺隧道圍巖條件較差、風化嚴重、變形較大及地下水等，施工中應減小上下臺階工作面間距;降低循環進尺，適當縮小鋼拱架間距、加強超前支護;每個施工循環，掌子面開挖工序完成應噴漿封閉圍巖，減小該循環其它工序對圍巖的擾動;下臺階開挖，上部鋼架應加強鎖腳錨管措施，防止圍巖整體下沉，同時緊跟施作仰拱，盡早成環;施工中加強洞內外排水措施，避免巖體軟化;特殊地段可以提前施作二次襯砌，保證隧道安全通過。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10121—2007 鐵路隧道監控量測技術規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10204—2002 鐵路隧道施工規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10108—2002 鐵路隧道噴錨構筑法技術規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

[4] 于廷新，佴磊，于炎鑫.基于兩步分級法和現場監控量測的隧道圍巖穩定性研究［J］.鐵道建筑，2009(12):43-45.