長大隧道監控量測技術

吳連波

（深圳市交通公用設施建設中心，廣東 深圳 518000）

0 引言

深圳市葵壩路新建工程位于龍崗區東部大鵬半島，西接葵涌街道延安路，東至壩光化工園區，路線全長5.81km，道路等級為城市II級主干道。該工程2號隧道左洞長4850m，右洞長4792m，屬于長大隧道。

整個隧道隧道圍巖為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，圍巖跨度變化大。因前期勘察設計深度不夠，必須依據“新奧法”設計原理，及時掌握隧道開挖后圍巖發揮的自身承載能力。隧道開挖后，對隧道圍巖開挖面進行動態監測同時研究其變化規律，根據量測數據分析結果及時修改設計參數，指導二次襯砌施工時間，實現了隧道工程的動態化設計與信息化施工。

1 監控量測目的

依據“新奧法”的基本原理和設計要求，在全隧道實施監控量測，其主要目的為：

（1）掌握圍巖動態和支護結構的動態，利用量測結果修改設計，指導施工；

（2）預見事故和災情，以便及時采取措施，防患于未然；

（3）積累資料，以為后續新奧法設計提供類比依據；

（4）為確定隧道的施工安全提供可靠的信息；

（5）對量測數據的分析處理和必要的計算判斷后，進行預測與反饋。

2 監控量測項目

根據隧道監控量測的項目可分為應測項目與選測項目，應測項目為核心，主要包括：

（1）地質及支護狀況觀察；

（2）周邊位移；

（3）拱頂下沉；

（4）地表下沉。

選測項目是根據不同地質、工程性質等具體條件和對現場量測取得的數據類型而選擇的測試項目，其中包括：

（1）圍巖內部位移量測（地表設點、洞內設點）；

（2）圍巖壓力及兩層支護間壓力；

（3）格柵鋼架內力及外力；

（4）支護、襯砌應力量測；

（5）錨桿軸力量測等。

結合葵壩隧道設計要求及實際地質情況，本文展開必測項目的論述。

3 量測方法

3.1 控制量測點的布置

葵壩隧道采用上下臺階法開挖，拱頂下沉、周邊位移為必測項目，隧道斷面上所布置的A、B、C、D、E測點如圖1所示。

圖1 周邊位移及拱頂下沉量測點布置圖

3.2 地質及支護狀況觀察

本文所測地段位于隧道右線掌子面YK5+295處。此段為隧道洞身段，洞頂埋深26.0m，為低山地貌，地形較陡峻。總體而言，本段隧道的圍巖穩定性較好，自穩能力較強，設計圍巖等級為Ⅲ級。

隧道爆破開挖后，應立即實施初期支護，同時通過地質羅盤配合鐵錘等工具，觀察圍巖的穩定情況，并對圍巖巖性、巖質、斷層破碎帶、節理裂隙發育程度和方向、有無松散坍塌和剝落掉塊現象、有無地下水及滲水等進行記錄和描述，特別是對圍巖等級進行判斷。

初期支護主要觀察分析初襯是否產生裂縫、剝離和剪切破壞，格柵支撐是否壓屈等。

同時需對洞口地表沉陷、邊坡、仰拱穩定情況進行觀察，以便確定圍巖開挖掌子面的穩定性和自穩性，

3.3 拱頂下沉及圍巖周邊位移量測

判斷圍巖穩定主要依據圍巖變形能力。隧道開挖后，需盡快鉆孔埋設測樁，測樁主要埋設在隧道的拱頂、拱腰和邊墻部位。埋設要快，一般在爆破后12h內，同時在下一個爆破前完成，并讀取初始量測數據；埋設位置應近掌子面且不超過2m，測點凈空水平收斂應在同一水平線上。

葵壩隧道采用WRM—3型鋼尺式收斂儀量測收斂變形，具體收斂布置見圖2。

圖2 收斂儀布置

3.4 地表下沉量測

葵壩隧道設計圍巖大部分圍巖屬于Ⅲ級，但局部處于軟弱、破碎、自穩較差的Ⅳ、Ⅴ級。地表下沉量是關鍵量測項目。具體量測點布置見圖3。

圖3 地表下沉量量測點布置圖

3.5 量測頻率

隧道現場施工監控量測頻率應嚴格按照施工規范要求，以確保采集數據的可靠性、準確性及科學性。具體量測頻率見表1。

表1 隧道現場監控量測頻率

4 量測數據的整理和處理

為進一步及時掌握葵壩隧道圍巖的變形規律，對比分析同一斷面的量測數據，并去除誤差過大的數據，確保各量測數據真實可靠。根據采集的量測數據繪制時間位移曲線，并根據曲線類型擬合回歸曲線方程，以進一步確定圍巖的變形趨勢。

4.1 量測數據回歸分析原理及曲線

回歸分析是研究變量之間相關關系的一種統計推斷法。

受偶然誤差的影響，量測數據具有離散性。根據實測數據繪制的變形隨時間而變化的散點圖出現上下波動的現象，很不規則，難以進行分析，必須應用數學方法對量測數據進行回歸分析，找出圍巖變形隨時間變化的規律，以便修改設計與指導施工。提供科學依據量測的數據只是針對某一個量測項目而得，即只有一個控制變量時，稱為一元線性回歸模型。

設有一組量測記錄數據：

以f(x)=a+bx為回歸方程，求回歸方程中的回歸系數a，b。

采用最小二乘法，記平方和為：

找出使Q（a.b）達到最小時的a、b作為其估計，即：

稱y=a+bx為經驗回歸（直線方程）或經驗公式。回歸精度即誤差計算公式為：

測量極限值即為在回歸曲線方程下xn所對應的yn。

一般來說，量測項目所量測的數值一般不可能都隨時間呈線性規律，除線性函數y=a+bx作為回歸方程外，還有相應的回歸曲線方程，如：

（2）對冪函數y=axb（或y=ax-b）（b＞0）對兩邊取對數 lny=lna+blnx ，變換為 y′=lny,x′=lnx,a′=lna 則有 y′=a±b′x′；

（3）指數函數y=aebx或y=ae-bx（b＞0），兩邊取對數lny=lna±bx令y′=lny,α′=lnα，得y′=a′±bx；

（5）對數函數y=a+blnx，變換為x′=lnx，則有y=a+bx′。

4.2 量測數據處理與分析

量測當天根據現場采集數據進行篩選核查后，繪制必測項目時間位移曲線，同時進行回歸曲線方程分析。根據回歸分析處理結果，及時預測圍巖穩定變形結果，并將結果及時反饋給現場隧道施工作業隊與設計人員，以指導下一步施工作業。

5 現場量測數據分析

本文重點結合上述理論分析葵壩隧道YK5+295處斷面情況。根據設計，該處圍巖等級為Ⅲ級，圍巖節理發育較差，埋深約為24m。根據采集到的該斷面拱頂下沉位移變形量，依據Excel繪出拱頂下沉位移與時間的對應分散點后，繪出相關圓滑變化曲線，見圖4。

圖4 YK5+295斷面拱頂下沉量累計曲線（單位：mm）

根據量測數據及時間位移曲線進行回歸分析，確定回歸曲線方程為y=-16818ln(x)+17855，方差為0.657。拱頂24d理論下沉量為22.68mm，30d理論下沉量為24.32mm，預計最終沉降量為24.86mm，沉降速率小于0.08mm/d，收斂加速率小于0。依據公路隧道施工技術規范相關標準可以確定圍巖已基本穩定，能夠進行二次襯砌。

6 結論

（1）采用隨時監控量測技術，能夠快速準確地量測隧道整個斷面的變形情況，及時掌握監控圍巖的穩定狀態，較好地預測了現場圍巖變化情況。

（2）運用回歸分析量測數據，可較準確地預測圍巖的最終變形量，評判圍巖等級及支護結構的穩定性。監測表明葵壩隧道上下臺階法施工斷面各項位移已達到預計理論位移量的80%～90%，位移速度小于0.10～0.2mm/d、拱頂下沉速率小于0.07～0.15mm/d時，可認為圍巖基本穩定，可施作二此襯砌。

（3）通過監控量測，為新奧法施工、變更設計提供理論與現場依據，降低工程造價，提高經濟效益，保證了工程的進度和質量，為深圳類似條件的隧道監控量測提供了理論參考。

[1]TJJ 042—94，公路隧道施工技術規范[S].

[2]王建宇.隧道施工監測技術和信息化設計[J]，中國鐵道科學，1987，2（8）：7-13.

[3]吳連波.隧道施工災害計算機輔助決策系統研究[D].重慶：重慶交通大學，2008.

[4]關寶樹.隧道施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]周愛國.隧道工程現場施工技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[6]李曉紅.隧道新奧法及其量測技術[M].北京：科學出版社，2002.

[7]黃光成.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2001.