監(jiān)控量測(cè)在隧道施工中的應(yīng)用

摘要：隧道是修筑在應(yīng)力巖體中的特殊建筑物。為了隧道圍巖以及其支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和施工安全，可以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)達(dá)到其目的。本文主要簡(jiǎn)單的對(duì)隧道監(jiān)測(cè)信息化的運(yùn)用進(jìn)行深入的了解研究。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控量測(cè);隧道施工

1.工程概況

穗莞深城際軌道項(xiàng)目工程施工總承包SZH-2標(biāo)段位于東莞市厚街鎮(zhèn)和虎門鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為DK40+370，終點(diǎn)里程為DK50+485，本工程包括【沙田～厚街站部分區(qū)間】、【厚街站】、【厚街站～虎門站區(qū)間】、【虎門站】、【虎門站～虎門商貿(mào)城部分區(qū)間】，為兩站三區(qū)間線路形式，總長(zhǎng)10.2km。本次監(jiān)測(cè)對(duì)象為沙田～厚街站部分區(qū)間、厚街站-虎門站區(qū)間、虎門站-虎門商貿(mào)城區(qū)間礦山法暗挖區(qū)間隧道。

【明挖段～厚街站區(qū)間】進(jìn)口段～厚街站區(qū)間起始沙～厚區(qū)間明挖段，終點(diǎn)厚街站，全區(qū)間采用礦山法施工，右線全長(zhǎng)1093.554m（DK40+761.846～DK41+855.4、ZDK40+762.483～ZDK41+864.385）。

2.礦山法隧道工程引起的地表沉降規(guī)律分析

地表移動(dòng)可以分為兩個(gè)組成部分，即地表沉降和水平位移;地表變形主要指不均勻地表沉降和不均勻水平位移所形成的地表傾斜、水平變形以及地表的曲率變形。隧道施工地表移動(dòng)與變形的發(fā)生主要是由于施工引起的地層損失和施工過程中隧道周圍受擾動(dòng)或者受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)所造成的。一方面，隧道周圍土體在彌補(bǔ)地層損失中，發(fā)生地層移動(dòng)，引起地表沉降。所謂地層損失，是指隧道施工中實(shí)際開挖的土體的體積與竣工隧道體積之差，竣工隧道體積還包括

隧道周邊的壓入漿體體積。地層損失是由于多種因素作用的結(jié)果，開挖面土體向隧道內(nèi)移動(dòng)，隧道施工斷面產(chǎn)生收斂，可以引起地層損失。另一方面，在含水地層中進(jìn)行隧道施工時(shí)，可能引起周圍土體內(nèi)部孔隙水壓力的變化，使地層發(fā)生排水固結(jié)引起地表沉降，而且土體的蠕變也可能導(dǎo)致地表發(fā)生一定的沉降。因此，無(wú)論采取何種隧道施工方法，都將不可避免地引起或多或少的地表移動(dòng)和變形。

影響地表移動(dòng)和變形的因素很多，地表移動(dòng)和變形的大小不僅與隧道的埋深、斷面尺寸和施工方法、支護(hù)方式有關(guān)，而且受地層條件的影響。對(duì)于地表移動(dòng)和變形預(yù)測(cè)采用了很多方法，主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和模型試驗(yàn)方法等等。

學(xué)者Peck認(rèn)為，在部分排水情況下，隧道開挖所形成的地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積。他假定地層損失在整個(gè)隧道長(zhǎng)度上均勻分布，隧道施工所產(chǎn)生的地表沉降橫向分布近似為正態(tài)分布曲線（如圖2.1），因此提出如下地表沉降分布的預(yù)測(cè)公式：

S（X）="Smax"exp（-X2/2i2） """" （1-1）

式中"S（X）——距離隧道中心軸線為X處地表沉降值;

Vi——施工引起的隧道單位長(zhǎng)度地層損失;

Smax——隧道中心線處地表最大沉降量;

i——地表沉降槽寬度系數(shù)。

公式（1-1）和（1-2）中，需要確定Vi和i兩個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)與隧道開挖深度、斷面尺寸、地層條件和施工條件密切相關(guān)，Peck、Cording、Clough、Schimidt等許多學(xué)者對(duì)參數(shù)的取值進(jìn)行了大量研究，給出了許多經(jīng)驗(yàn)取值。

3.地表移動(dòng)和變形對(duì)建（構(gòu)）筑物的影響分析

隧道施工中伴隨著地層應(yīng)力狀態(tài)的改變，因而相應(yīng)地引起地層和地表位移與變形。這種位移和變形與土地自重以及附加應(yīng)力作用引起的土的固結(jié)沉降在沉降速度和空間分布上有著不同的特點(diǎn)。通常，隧道施工可以在一段較短的時(shí)間內(nèi)引起較大的位移，而這種快速變形對(duì)于建筑物的危害可能更大。

隧道施工引起的地表沉降和變形對(duì)建筑物的影響因素很多。除地層特征以外，建筑物遭受損害的程度與建筑物的基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)型式、建筑物所處的位置，以及地表的變形性質(zhì)和大小有關(guān)。

隧道開挖引起的地表以及建筑設(shè)施的損害可以分為直接開挖損害和間接開挖損害，在開挖范圍內(nèi)的對(duì)象（建筑物、管線、道路等）所受的損害稱為直接開挖損害;但是在個(gè)別情況下，在主要影響范圍以外比較遠(yuǎn)的地方，也可發(fā)現(xiàn)開挖影響的存在，這種影響也與隧道開挖有關(guān)，稱為間接開挖損害，如開挖引起的大范圍的地下水的變化對(duì)環(huán)境的影響等。常見的開挖損害可以下列形式表現(xiàn)出來(lái)。

⑴、地表沉降損害

地表的均勻沉降使建筑物產(chǎn)生整體下沉。一般說來(lái)，這種均勻沉降對(duì)于建筑物的穩(wěn)定性和使用條件并不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，但是過量的地表下沉，即使是均勻的，也有可能從另一個(gè)方面帶來(lái)嚴(yán)重問題，如下沉量較大，地下水位又較淺時(shí)，會(huì)造成地面積水，不但影響建造物的使用，而且使地基土長(zhǎng)期浸水，強(qiáng)度減低。

⑵、地表傾斜損害

雖然地層沉降本身對(duì)結(jié)構(gòu)物不至于產(chǎn)生嚴(yán)重的損害，但是地層不均勻的沉降所導(dǎo)致的地表傾斜改變了地面的原始坡度，將可能對(duì)建筑物產(chǎn)生危害。地表傾斜對(duì)于高度大而底面積小的高聳建筑物的均勻荷重將改變成非均勻荷重，導(dǎo)致建造物結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化而引起破壞。對(duì)于普通樓房，即使不喪失穩(wěn)定性，過量?jī)A斜會(huì)使建造物的使用條件惡化。

某些大型精密設(shè)備在基礎(chǔ)傾斜后，必須另行調(diào)平，以保證設(shè)備正常使用。同時(shí)地表傾斜會(huì)改變排水系統(tǒng)和鐵路的坡度，造成污水倒灌和影響鐵路的運(yùn)營(yíng)。

⑶、地表曲率損害

由于曲率使得地表形成曲面，地表曲率對(duì)建筑物有較大的影響。在負(fù)曲率（地表相對(duì)下凹）的作用下，建筑物的中央部分懸空，使墻體產(chǎn)生正八字裂縫和水平裂縫。如果建筑物長(zhǎng)度過大，則在中立作用下，建筑物的將會(huì)從底部斷裂，使建筑物破壞;在正曲率（地表相對(duì)上凸）的作用下，建筑物的兩端將會(huì)部分懸空，使建筑物墻體產(chǎn)生倒八字裂縫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)屋架或梁的端部從墻體或柱內(nèi)抽出，造成建筑物倒塌。

建筑物因地表彎曲而導(dǎo)致的損害時(shí)一種常見的開挖損害形式，這種損害與地基本身的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，更主要的與開挖引起的地表變形有關(guān)。因地表彎曲又不同，不同之處在于開挖引起的地基地彎曲時(shí)在開挖影響下自行彎曲，它是獨(dú)立于上部結(jié)構(gòu)所施加荷載的彎曲，在這種前提下，由于疊加建筑物自重的影響，便構(gòu)成了彎曲損害。

⑷、地表水平變形損害

地表水平變形有拉伸和壓縮兩種，它對(duì)建筑物的破壞作用很大，尤其是拉伸變形的影響，建筑物抵抗拉伸變形的能力遠(yuǎn)小于抵抗壓縮變形的能力，壓縮變形使墻體產(chǎn)生水平裂縫，并使縱墻褶曲，屋頂鼓起。

由于建筑物對(duì)于地表拉伸變形非常敏感，位于地表拉伸區(qū)的建筑物，其基礎(chǔ)底面受有來(lái)自地基的外向摩擦力，基礎(chǔ)側(cè)面受有來(lái)自地基的外向水平推力的作用，而一般的建筑物抵抗拉伸作用的能力很小，不大的拉伸變形足以使建筑物開裂（如下圖1-2.2-"a）。

4.人員及儀器設(shè)備配置

5.監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的采集與處理

在進(jìn)行量測(cè)前，下載工程信息。全站儀對(duì)隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，監(jiān)測(cè)手機(jī)利用全站儀自帶或外置藍(lán)牙接收監(jiān)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將坐標(biāo)存入對(duì)應(yīng)的點(diǎn)名中。數(shù)據(jù)采集完畢后，在現(xiàn)場(chǎng)由監(jiān)測(cè)手機(jī)將量測(cè)數(shù)據(jù)上傳至業(yè)主專用服務(wù)器。

服務(wù)器接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算差值、累計(jì)值計(jì)算、形成圖表，并反饋至手機(jī)用戶及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。若有預(yù)警則自動(dòng)發(fā)送，平臺(tái)中以警示符號(hào)閃爍提示預(yù)警，并以短信形式將預(yù)警信息發(fā)送至相關(guān)管理者手機(jī)。

將服務(wù)器處理后的本次、累計(jì)圍巖變化值用計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言進(jìn)行代替轉(zhuǎn)換后，整理輸出至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及手機(jī)用戶，即可查看圍巖變化的數(shù)據(jù)列表及趨勢(shì)圖。

6.監(jiān)控量測(cè)信息化管理的優(yōu)點(diǎn)

通過近一段時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用，隧道監(jiān)控量測(cè)信息化管理優(yōu)點(diǎn)可以概括為以下幾點(diǎn)：

6.1量測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、真實(shí)、可靠

傳統(tǒng)測(cè)量方法是人工采集、手工錄入數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)差錯(cuò)，甚至出現(xiàn)人為修改量測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果的情況，測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性無(wú)法保證，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)失去了作為設(shè)計(jì)變更依據(jù)的權(quán)威性。監(jiān)控量測(cè)信息平臺(tái)的應(yīng)用完全杜絕了這種現(xiàn)象的發(fā)生，由它獲取的原始數(shù)據(jù)及時(shí)、可靠、真實(shí)、準(zhǔn)確。

6.2數(shù)據(jù)信息傳遞及時(shí)

傳統(tǒng)的測(cè)量方法想獲得監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)、了解隧道圍巖變形情況基本上以天為單位。而現(xiàn)在從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集到成果分析卻以分鐘為單位，數(shù)據(jù)采集上傳到信息管理平臺(tái)后，業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理單位均可在第一時(shí)間內(nèi)瀏覽所有數(shù)據(jù)。

6.3量測(cè)工作高效、成本低

監(jiān)控量測(cè)信息化管理平臺(tái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)服務(wù)器自動(dòng)分析處理，決策者可以通過終端設(shè)備獲取相關(guān)信息。充分利用既有設(shè)備和公共通訊系統(tǒng)等社會(huì)資源，通過軟件平臺(tái)整合，達(dá)到微投入，降低了成本，提高了效率，從而使其性價(jià)比高。同時(shí)，及時(shí)處理、規(guī)避隧道大變形、坍方等事故帶來(lái)的效益更加明顯。

7.監(jiān)控量測(cè)在隧道施工中的作用

隧道監(jiān)控量測(cè)信息化管理實(shí)施以來(lái)，項(xiàng)目部的監(jiān)控量測(cè)工作水平得到了很大的提高。通過對(duì)不同圍巖級(jí)別的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出黃土隧道的圍巖變化規(guī)律，為隧道圍巖預(yù)留沉降量的設(shè)置、安全步距的合理設(shè)置和支護(hù)參數(shù)的選擇提供了可靠的依據(jù)。

8.展望和優(yōu)化

監(jiān)控量測(cè)信息化的建立，通過人機(jī)互動(dòng)來(lái)對(duì)隧道安全施工主管理。它將隧道的巖體變化狀態(tài)赤裸裸呈現(xiàn)在我們面前，通過管理者的界定、決策和引導(dǎo)，將隧道施工導(dǎo)向安全。

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