公路隧道拱頂下沉量測技術(shù)探討

劉 劍

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計院試驗(yàn)檢測室)

隧道是一種特殊的工程結(jié)構(gòu)體系。隧道一經(jīng)開挖，其中所包圍的原狀力學(xué)體系便被打破，四周原有的受力狀態(tài)已經(jīng)改變。隨著開挖斷面增大或者深度的增長，這種改變也將不斷地延續(xù)。在支護(hù)敷設(shè)后的一段時間內(nèi)，雖然受力狀態(tài)已發(fā)生改變，但是支護(hù)與圍巖體之間力的作用還沒有達(dá)到最終平衡。隨著時間的推移，根據(jù)得到的信息對支護(hù)再作若干變動，這種受力狀態(tài)的改變才逐漸停止，支護(hù)與圍巖體間力的作用體系逐漸達(dá)到最終平衡。

隧道拱頂內(nèi)壁的絕對下沉量稱為拱頂下沉值，單位時間內(nèi)拱頂下沉值稱為拱頂下沉速度。拱頂下沉量測屬于位移量測，對于埋深較淺、固結(jié)程度低的地層，水平成層的場合，這項量測尤為重要，其量測數(shù)據(jù)是確認(rèn)圍巖的穩(wěn)定性，判斷支護(hù)效果，指導(dǎo)施工工序，預(yù)防工地崩塌，保證施工質(zhì)量和安全最基本的資料。

1 量測方法

1.1 精密水準(zhǔn)法

精密水準(zhǔn)法多采用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼掛尺，在拱頂掛立標(biāo)尺進(jìn)行測讀。圖1 為精密水準(zhǔn)法拱頂下沉觀測示意圖。

圖1 精密水準(zhǔn)法拱頂下沉觀測示意圖

當(dāng)拱頂過高時，立標(biāo)尺就要采用架子，測試工作不安全，也很不方便，還干擾施工。為此，可先在拱頂埋設(shè)掛鉤，再用魚竿將鋼尺掛在拱頂?shù)膾煦^上。計算方法是通過前后兩次拱頂測點(diǎn)的高差來求拱頂?shù)淖兾恢怠＜俣ǖ? 次拱頂高程為h1，第2 次拱頂高程為h2，拱頂位移值△h= h1－h(huán)2，若△h ＞0，則拱頂下沉，若△h ＜0，則拱頂上移。

1.2 全站儀法

當(dāng)采用拱部留核心土環(huán)形開挖時，測量空間較小，用精密水準(zhǔn)法比較困難。這時可以采用由全站儀與反射膜片來監(jiān)測隧道拱頂下沉。為了保證測量精度，要求全站儀的測角精度在2″以內(nèi)，測距精度為±2 mm 以內(nèi)。圖2 為全站儀法拱頂下沉觀測示意圖。

圖2 全站儀法拱頂下沉觀測示意圖

2 量測要求

2.1 監(jiān)測斷面的設(shè)置

監(jiān)測斷面必須盡量靠近開挖工作面，但太近會造成開挖爆破下的碎石砸壞測樁，太遠(yuǎn)又會漏掉該量測斷面開挖后的變位值，因此，測點(diǎn)應(yīng)距開挖面2 m 的范圍內(nèi)盡快安設(shè)，并保證爆破后24 h 內(nèi)或下一次爆破前測讀初次讀數(shù)。《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》對監(jiān)控斷面設(shè)置的規(guī)定比較寬泛，由于公路隧道的斷面普遍比鐵路隧道要大，因此，在公路隧道施工監(jiān)控的斷面設(shè)置時，常參考《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》中對監(jiān)控斷面間距的設(shè)置要求，即:Ⅴ～Ⅵ級圍巖斷面間距為5～10 m，Ⅳ級圍巖斷面間距為10～30 m，Ⅲ級圍巖斷面間距為30～50 m，Ⅱ級圍巖視具體情況確定間距。

2.2 檢測頻率

拱頂下沉的監(jiān)測頻率按表1 和表2 確定，取兩者之間的大值，施工狀況發(fā)生變化時(開挖下臺階、仰拱或撤除臨時支護(hù)等)，應(yīng)增加監(jiān)測頻率。

表1 拱頂下沉的量測頻率(按位移速度)

表2 拱頂下沉的量測頻率(按距開挖面距離)

3 數(shù)據(jù)處理

由于現(xiàn)場量測所得的原始數(shù)據(jù)，不可避免地具有一定的離散性，其中包含著測量誤差甚至測量錯誤。不經(jīng)過整理和數(shù)學(xué)處理的量測數(shù)據(jù)難以直接利用。

以時間為橫坐標(biāo)、位移為縱坐標(biāo)，標(biāo)出由量測值確定的各對應(yīng)的實(shí)測點(diǎn)，根據(jù)實(shí)測點(diǎn)描繪出光滑的試驗(yàn)曲線。根據(jù)所描繪的試驗(yàn)曲線形狀選擇回歸函數(shù)。一般來說，位移時態(tài)曲線都是非線性的。在位移隨時間漸趨穩(wěn)定的情況下，可選擇常用的對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或雙曲線函數(shù)。函數(shù)中的待定系數(shù)可以按量測數(shù)據(jù)，通過最小二乘法求得。設(shè)有一組實(shí)測數(shù)據(jù):t1、t2、t3…、ti…、tn，u1、u2、u3…、ui…、un。選擇雙曲線函數(shù)公式為u=t/(A +Bt)作為回歸函數(shù)，求A、B 值。由于上述函數(shù)是非線性的，通常都需先將其線性化。如將式改寫1/u=A/t+B，令y=1/u，x =1/t，則得:y =Ax +B，則各試驗(yàn)點(diǎn)與它的偏差為di=Axi+B－yi=A/ti+B－1/ui;根據(jù)最小二乘法原理，A、B 應(yīng)滿足下面條件。

4 結(jié) 語

拱頂下沉量測屬于隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測的必測項目，其量測數(shù)據(jù)對于指導(dǎo)施工、保證施工安全具有很重要的意義，因此，要求我們量測人員必須本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木襁M(jìn)行量測，同時，在工作中要不斷的總結(jié)，更好的完善這項技術(shù)。

［1］公路隧道施工技術(shù)規(guī)程(JTG F60－2009)［S］.

［2］鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程(TB 10121－2007/J 721－2007)［S］.

［3］李曉紅.隧道新奧法及其量測技術(shù)［M］.科學(xué)出版社.