圍巖監控量測等級技術在隧道施工中的應用

賴 明 波， 張 友 坤， 高 青 松

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

新建磨萬鐵路V標I分部管段范圍D1K261+590～DK299+850線路全長38.6 km。共有隧道8座/12 634延長m，占線路總長度的32.7%；其中基淘山、納道村隧道洞身圍巖節理發育，巖體破碎，巖質軟硬不均且以軟巖為主。泥巖、頁巖遇水易軟化，圍巖自穩性差。隧道內主要特殊和不良地質洞段為斷層破碎帶、巖溶發育洞段，隧道個別部位還可能存在瓦斯等有毒、有害氣體。復雜的不良地質條件給施工帶來了較大的安全隱患，增加了施工難度。

圍巖監控量測等級技術是針對隧道圍巖變形展開風險控制的一種管理技術，其主要依據《鐵路隧道監控量測技術規程》等標準，結合隧道圍巖變形特征和施工安全性要求，合理地確定位移控制基準，劃分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級隧道圍巖位移管理等級并配套工程預防處理措施，建立科學等級管理制度；對現場圍巖變形觀察情況和量測數據進行分析，掌握現場圍巖變形風險的特征和數據，應用等級管理制度的工程措施實施變形風險控制，最終達到降低和控制變形風險的目標，確保隧道施工安全。

2 圍巖監控量測等級技術的操作要點

2.1 操作要點

2.1.1 制定監控量測控制位移基準

根據《鐵路隧道監控量測技術規程》及《高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準》TB10753-2010，按照設計單位預留沉降量確定的一個位移基準初始參考值[1]制訂監控量測等級管理制度。該控制位移基準數值應從前期洞內觀測內容和量測數值以及工程措施處理之后觀測到的圍巖變化及量測數值變化兩個方面進行驗證與修訂。

2.1.2 制定隧道軟弱圍巖監控量測等級

(1)依據《鐵路隧道監控量測技術規程》等標準，結合隧道圍巖變形特征和施工安全性要求，合理確定位移控制基準，劃分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級隧道圍巖位移管理等級，并配套相應的工程措施，建立等級管理制度。

(2)按照四級風險管理建立軟弱圍巖監控量測風險等級管理表，其應包括控制等級、位移管理等級、洞內觀測內容，科學量化分級變形量，補充具體的應急設計、施工措施[2]。監控量測等級技術見表1。工程處理措施可以根據現場圍巖變化情況合理進行選擇。

2.1.3 量測斷面的布置

表1 監控量測等級技術表

(1)對量測斷面間距按以下原則進行布置。拱頂下沉測點和凈空變化測點：拱頂下沉測點和凈空變化測點應布置在同一斷面上，監控量測斷面按照Ⅴ級圍巖≤5 m，Ⅳ級圍巖地段≤10 m，Ⅲ級圍巖地段≤30 m，Ⅱ級圍巖地段≤50 m布置。

(2)當圍巖不穩定數據變化較大時，增設臨時加密觀測點。

2.1.4 初始讀數

(1)洞內觀察分為開挖工作面觀察與初期支護狀況觀察。

(2)洞外觀察包括邊仰坡穩定、地表水滲透以及地表沉陷等的觀察。

(3)凈空水平收斂量測和拱頂下沉量測采用相同的量測頻率。

(4)凈空水平收斂量測采用收斂計或全站儀進行，隧道開挖后按要求迅速安裝收斂樁并編號，初始讀數應在開挖后12 h內讀取，最遲不得超過24 h，或在支護完成后2 h內。

2.1.5 拱頂下沉、凈空收斂等按設計頻率量測

(1)預埋測點由鋼筋加工而成，埋入的鋼筋采用直徑不小于18 mm、長度埋入巖層30 cm，外漏3 cm，一端焊接30 mm正方形鋼片，表面光滑平整[3]。

(2)拱頂下沉、凈空收斂采用全站儀,最后輸出監測成果 ,準確、快速地為施工提供數據參考。

2.1.6 數據整理與回歸分析

(1)監控量測工作應形成以下記錄資料：①洞內、洞外觀察記錄表。 ②隧道拱頂下沉量測原始記錄表。 ③隧道水平收斂量測原始記錄表。 ④地表沉降觀測原始記錄表。 ⑤地表沉降觀測斷面、測點平面布置圖。

(2)監控量測數據的分析處理應包括數據校核、數據整理及數據分析。

(3)每次觀測后立即將數據上傳至圍巖量測管理系統并系統對觀測數據進行分析校核，生成日報、周報、月報及回歸分析。

2.1.7 工程處理措施

(1)穩定開挖工作面措施：主要采取臺階法開挖、分步支護、分區穩定的方式降低對圍巖(土體)的擾動以保證穩定。

(2)調整開挖方法：根據施工工法，當出現變形大時，及時修改成更加安全可靠的施工方法。

(3)調整初期支護強度和剛度并及時支護：增加錨桿、錨管等方式，及時加設橫向臨時支撐，豎向支撐等[4]。

(4)降低爆破振動影響：針對不良地質洞段，盡可能地采用機械開挖方式以減少爆破振動。采用爆破開挖時，應優化爆破單響藥量，減少爆破振動。

(5)圍巖與支護結構間的回填注漿：及時回填支護面與圍巖間因塌塊、超挖引起的空腔，減少圍巖的變形自由，讓支護體約束圍巖變形。

(6)地層預處理的方法包括注漿加固、降水、凍結等方法。

(7)超前支護：包括超前錨桿(管)、管棚等。

2.1.8 驗證監控量測控制位移基準、完善監控量測等級管理制度

(1)依據特定支護參數下的隧道圍巖變形情況，結合施工的安全性，由建設單位組織設計、 施工等單位通過現場驗證確定控制基準數值，進而制訂監控量測等級管理制度。

(2)量測工作要注意儀器測量與圍巖、初期支護外觀觀察相結合，相互驗證、補充，提高量測工作對施工、設計的指導、反饋作用[5]。

3 工程應用

3.1 基淘山隧道監控量測等級管理技術的應用

新建磨萬鐵路基淘山村隧道DK263+840～DK263+865段為三疊系(T)砂巖，泥巖夾頁巖，巖體破碎，節理發育，圍巖穩定性差。該段通過地段處于三疊系砂泥巖與二疊系灰巖交界處，巖質較軟，遇水易軟化。Ⅴa圍巖、拱墻采用Ⅰ16型鋼，間距1 m，拱部設置φ42小導管，長4.5 m，環向間距為0.4 m。項目部邀請建設單位、設計單位到現場實際查勘，結合圍巖變形特點制定了該段圍巖監控量測數據分析圖(圖1)。

圖1 量測數據分析圖

2017年8月8日，在準備開挖DK263+840～DK263+852段仰拱施工時，該段初支局部出現縱向開裂，圍巖收斂明顯，拱頂位移最大值為17 mm，變形速率連續 2 d 以上達 到8 mm/d以上且達到監控量測等級Ⅱ級時，項目部立即采取工程措施，及時對初支面增設φ60鎖腳錨管加固并進行注漿處理，測量人員加大了對圍巖監控量測及初期支護變形觀察的頻率，在采取相應措施后，變形量仍較大，沉降一天達7 mm，變形速率仍然連續 2 d達到 5 mm/d 以上。2017年8月28日，在監控量測等級管理達到Ⅰ等級時，項目部立即增加了豎向、橫向支撐對圍巖變形進行了加固處理,并增加了φ22徑向砂漿錨桿數量，2017年8月28日后圍巖變形趨于穩定，圍巖變形小于2 mm/d，裂縫無明顯變化，在水平收斂趨于穩定后，項目部加快了作業進度，施工過程中加強了對積水的抽排，嚴禁積水浸泡基底，對仰拱采取了逐榀開挖支護，支護完成3 m后及時進行了仰拱施作，仰拱完成6 m后及時進行了二襯施作，確保了安全順利地通過該不良地質段。

3.2 監控量測等級管理技術在納道村隧道中的應用

新建磨萬鐵路納道村隧道DK274+720～DK274+778段圍巖為粉質黏土、碎石土，下伏三疊系(T)砂巖、泥巖、頁巖，遇水易軟化，圍巖自穩性差。Vc圍巖、全環采用Ⅰ18型鋼，間距0.6 m，拱部設置φ89大管棚，環向間距為0.4 m。采用臺階法開挖。該段圍巖監控量測數據分析情況見圖2。

圖2 量測數據分析圖

2017年8月2日，在開挖DK274+746～DK274+749段下導時，收斂明顯突變，8月10日的變形量達到18 mm/d，達到了監控量測等級Ⅱ級，項目部遂立即增加了拱架鎖腳錨管，施作了徑向砂漿錨桿并與拱架有效連接。當下導初支施工完成后，對拱腳處采取反壓回填，有效控制了沉降，快速處理落下臺階后，初支基本形成較穩定的結構， 2017年8月15日，圍巖變形趨于穩定，變形速率小于2 mm/d，2017年8月24日，累計變形為160 mm。

4 結 語

監控量測等級技術能夠較好地應用監控量測成果，及時開展支護參數調整和施工工藝變更等工程設計動態管理工作；及時應用工程措施對變形風險進行有效的控制和處置，尤其是在一些軟弱圍巖地段，通過對圍巖和支護系統的穩定狀態進行監測，為初期支護和二次襯砌的參數調整提供依據，將量測的數據經整理和分析得到的信息及時反饋到設計和施工中，進一步優化設計和施工方案，以達到安全、經濟、快速的目的，同時也是施工安全和質量的保障。