隧道監控量測施工技術

郭繼東，劉李超

(遼寧省水利廳辦公室，沈陽110003)

0 引言

隧洞新奧法的基本原則為“少擾動、早噴錨、快封閉、勤測量”。十二字真言中“勤量測”對新奧法隧道施工是非常重要的。監控量測工作是量測圍巖一段時間內圍巖的變形位移。伴隨新奧法隧道施工的各個階段，量測是對圍巖的監視，及時提出可靠的、數量足夠的量測信息，動態修正設計參數和變動施工方法，為混凝土襯砌支護時間提供信息依據，從而指導施工和修改設計。

1 概述

根據相關規范要求，量測項目分為必測項目和選測項目。一般而言，隧道施工必測項目為:①必須進行洞內外觀察:洞外觀察包括地表情況、地表沉陷、邊坡及仰坡的穩定、地表水滲透的觀察。洞內觀察為施工中對隧洞掌子面開挖后進行工程地質與水文地質觀察，描述圍巖的巖性、結構面產狀、力學屬性、節理裂隙形態及充填物、含水情況以及支護裂隙觀察或描述，并繪制地質素描圖;檢查噴射混凝土有無裂損及發展，錨桿有無松動，拱架支護狀態觀察等。②進行水平收斂位移量測。③進行拱頂下沉位移量測。④必要時進行底板鼓起量測。⑤洞口淺埋洞段和土洞段，應進行地表下沉監測。

本文主要論述本工程中必測項目中的水平收斂位移量測和拱頂下沉位移量測。

2 量測準備工作及數據采集

2.1 監控量測斷面及測點布置

監控量測斷面布置點數及斷面間距一般由設計單位確定，施工單位按照設計要求進行斷面及測點的布置即可［1］。一般量測斷面間距隨著圍巖類別的不同而不同;一個斷面收斂變形觀測點至少3個以上，拱頂收斂觀測點可兼做拱頂沉降量測點見圖1。

2.2 測點安裝

一般而言，監控量測測點安裝方法由設計單位提出，其典型安裝方法如下:

1)在設定現場臨時監測斷面上測量，進行測點定位。

2)在定位測點巖面鉆設測點預埋件安裝孔。

3)收斂固定點鉆孔直徑為38 mm左右，孔深240 mm，將不銹鋼錨固環的螺栓固定在Φ 18 mm長225螺紋鋼筋的一端，再將鋼筋用M 20水泥砂漿固定在各測點的鉆孔中。

4)待水泥砂漿凝固、測點預埋件穩固后即可量測。

圖1 監控量測點典型布置位置圖

2.3 測點安裝部位及測取初始讀數時機和要求

測點應布設在距開挖面1m范圍之內，并在工作面開挖后12h內和下一次開挖之前，完成測點安裝并測取初始讀數。測試中按各項量測操作規程安裝好儀器儀表，每測點一般測讀三次，取算術平均值作為觀測值;每次測試都要認真做好原始數據記錄，并記錄開挖里程、支護施工情況以及環境溫度等，保持原始記錄的準確性。

2.4 量測頻率

水平收斂位移量測和拱頂下沉量測宜用相同測試頻率，主要根據位移速度及離工作面的距離確定，應從表中根據變形速度和距開挖面的距離選擇較高的一個量測頻率見表1。

表1 量測頻率表

當位移速率明顯下降，水平收斂速度 ＜0.2 mm/d，拱頂位移速度＜0.1 mm/d時，持續穩定后1～3周，經監理人批準，可停止量測。

2.5 量測儀器和工具

利用JSS30A數顯收斂計進行收斂量測，利用DSZ2精密水準儀監測拱頂點的沉降。各類量測儀器和工具的性能應準確可靠，長期穩定，保證精度。操作很簡單，這里就不論述。

3 量測數據處理

量測數據處理是量測工作的重點，現場量測所取得的原始數據，不可避免的會具有一定的離散性，其中包含著測量誤差［2］。因此，應對所測數據進行一定的數學處理。數學處理的目的是:將同一量測斷面的各種量測數據進行分析對比、相互印證，以確定量測數據的可靠性;探求圍巖變形或支護系統的受力隨時間變化的規律，判定圍巖和初期支護系統穩定狀態。根據量測數據及時繪制水平收斂位移時態曲線和拱頂下沉位移時態曲線。當位移時態曲線的曲率趨于平緩時，應對數據進行回規分析，推算最終位移值，確定位移變化規律。

3.1 繪制收斂變形觀測位移時態散點曲線

先把圍巖收斂記錄表中數據進行處理。由于收斂計的鋼尺受溫度變化的影響會產生熱脹冷縮，而每次觀測的環境溫度不盡相同，即要對觀測值進行溫度修正，以消除變溫引起的誤差。

式中:L為量測的真實值;L’為量測的實測3次讀數的平均值;ΔL為修正值;α為鋼尺的膨脹系數;T1為第一次量測的環境溫度;Ti為第i次量測的環境溫度;S為鋼尺測長度。

得到鋼尺的真實值L后，U=Li-L1，U即為收斂位移值，現在得到兩個有用的數據，收斂位移值U和時間T，把U和T輸入到excel表格里，每個位移值U對應一個時間T。用鼠標選中U和T，在excel工具欄進入“插入”菜單，選中“圖表”，會出現“圖表類型”對話框，在“標準類型”中，選“XY散點圖”，再點擊“完成”，即可以生成收斂變形觀測位移時態散點曲線。

3.2 對數據進行回規分析，推算最終位移值

根據測試數據散點分布規律，選用指數函數公式u=a×e-b/t作為回歸函數較為合理。U和T為已知值，a和b為待求的回歸常數值，回歸過程即用已知值去估計常數值。由于指數函數為非線性函數，可先將其線性化。等號兩邊同時取自然對數，得Inu，得 u'=Ina+bt'，這函數是線性函數，可對其線性回歸分析。為得u'對u進行取自然對數處理。對t取負倒數處理得t'。由于每個位移值U對應一個時間T，同樣每個u'值對應一個t'值［2］。利用Excel對觀測數據進行回歸分析，要使用Excel的數據分析工具，使用數據分析工具之前，要確認“分析工具庫”處于加載狀態，勾選“分析工具庫”、“分析工具庫-VAB函數”、“規劃求解”，再確定即可。點擊Excel菜單中的“工具”→“數據分析”，出現數據分析窗口，選擇“回歸”，確定后出現回歸分析窗口，在Y值輸入區域選擇:u'值的區域;在X值輸入區域選擇:t'值的區域，選擇“確定”，得到回歸分析結果。得好分析結果有用的數據為 lna，b，R2 ，a=eIna，即求得了待求值 a、b。R2 為判定系數即為擬合優度，取值范圍:0-1，擬合優度越大，自變量對因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動占總變動的百分比高。觀察點在回歸直線附近越密集。現得函數 u=a×e-b/t，當 t→ ∞ ，，在工程實用上的意義是經一段t時間的變形，圍巖的變形最終值為a。

采用新奧法隧道施工不僅關系圍巖變形量U，更關系變形速率和變形速率變化率。V=Δu/Δt是實際的變形速率，對u=a×e-b/t求t的一次導數是理論分析的變形速率，由理論分析得隨著時間t是變小的。對u=a×e-b/t求t的二次導數，由此分析得出正常安全圍巖實際的變形速率是隨著時間推移變小的，特別在圍巖開挖完1～6 d變形速率很大，一周以后變形速率很小。可以認為圍巖經過一段時間段t變形后停止變形，變形位移趨向最終位移值。即變形速率的變化率，對于指導施工和修改設計參數也非常重要。一般有3種情況:

3.3 周邊位置相對值

量測工作另一重要參數周邊位移相對值，它是指兩測點間實測位移累計值(或用回歸分析推算的最終位移值)與兩測點間距離之比，或拱頂實測位移值與隧道寬度之比。正常安全隧道的周邊位移相對值應小于隧道周邊允許位移相對值，如果測得的周邊位移相對值超過允許位移相對值，說明初期支護設計參數偏小，應增加噴層厚度，或增加錨桿數量和長度加強支護。如果測得的周邊位移相對值遠小于允許位移相對值時，可降低其他地段初期支護設計參數。可以周邊位移相對值亦可以指導施工。位移應控制在允許位移之內，實測水平收斂位移和拱頂下沉位移的相對值或用回歸分析推算的最終位移相對值，均應小于所列允許位移相對值見表2。

表2 隧洞周邊允許位移相對值 %

4 結論

量測工作是監視設計、施工是否正確的眼鏡，是監視圍巖是否安全穩定的手段。伴隨著新奧法的施工的全過程。特別是周邊位移相對值、變形速率、變形速率變化率這3個重要參數對工程施工的指導有非凡的意義。只有“位移值小于規范限值，變形速率(速率)隨著時間的推移遞減，變形速率變化率(加速度)＜0”同時滿足才能確保圍巖的穩定性。應該踏實落實好量測工作，同時積累經驗和數據，為工程施工的安全和穩步發展更好地服務。

［1］于波.隧道新奧法施工中圍巖的監控量測技術［J］.山西建筑，2004，30(07):129-130.

［2］金理強，喻樂華.監控量測技術在龍鳳山隧道施工中的應用［J］. 華東交通大學學報，2008，25(04):15-18.