絕對位移測量在隧道監控量測中的應用

蔣暉光

（蒙西華中鐵路股份有限公司，北京100073）

1 引言

監控量測可視為隧道施工的眼睛，直觀地反映圍巖變形及穩定情況，為動態調整支護參數、及時采取加固措施及適時施作二襯提供依據，其重要性不言而喻。相對位移監控量測技術雖然能夠監測出拱頂下沉量和周邊收斂量，但無法監測出隧道具體變形情況。國內外專家從理論到實踐做了許多探索和研究，取得了一定的經驗，這些文獻主要研究了監控量測在新奧法施工隧道中的應用，通過加強監控量測能夠優化調整設計參數, 指導現場施工[1～4]；研究了全站儀三維自由設站隧道非接觸監控量測原理及精度分析[5]；分析了監控量測在隧道洞口滑坡段的預測[6]。本文以某隧道工程為研究背景，對淺埋偏壓、地層順層隧道采用絕對位移監控量測進行細致分析，詳細說明絕對位移測量技術在隧道監控量測過程中的應用及其重要意義。

2 工程概況

某標段工程地處河南省境內，隧道共計16.8km/26 座隧道，線位高且短隧道數量多，多數隧道為淺埋偏壓、順層隧道。隧道圍巖以云母石英片巖為主，局部含絹云母片巖，圍巖軟弱破碎。斷面形式為單洞雙線隧道，主要開挖方法為兩臺階、三臺階法。為保障施工安全，及時掌握圍巖變形規律，實時判斷圍巖和支護系統的穩定性和安全性，為調整施工方法、及時采取加固措施提供依據，在隧道施工過程中，必須開展合理、實用有效的監控量測工作。

3 絕對位移與相對位移的關系

隧道絕對位移是通過對比不同時刻測點的三維坐標[x（t），y（t），z（t）]，獲得該測點在該時刻的三維位移變化量（相對于初測狀態）。相對位移量測是通過布設于洞室周邊上2 固定點，每次測出2 點的三維坐標并計算測點距離，求出2 次測量的距離變化值，即為相對位移值。由于y（t），z（t）對測線長度的影響微乎其微，可以忽略不計，那么對于同一條測線，2 固定點在同一時間段垂直于洞軸線方向的絕對位移變化值之和就等于相對位移變化值，等式如下：

式中，SAB為AB測線初始值；SA憶B憶為AB測線量測值；SAA憶為A測點垂直于洞軸線方向的絕對位移測量變化值；SBB憶為B測點垂直于洞軸線方向的絕對位移測量變化值。絕對位移與相對位移的關系如圖1 和圖2 所示。

圖1 絕對位移與相對位移關系曲線圖

圖2 絕對位移與相對位移關系立面圖

地質條件好的硬巖或均勻介質隧道，圍巖正常變形情況如圖2 所示，左右邊墻變形基本趨于對稱，常規的相對位移量測也把隧道左右邊墻的變形視為對稱。但在一些淺埋偏壓、地層順層或非均勻介質等軟弱圍巖隧道中，隧道在開挖時左右邊墻產生變形往往是非對稱變形，一側變形大，一側變形小，或都向某一側位移。有時初支已經出現局部變形開裂、剝落的現象，但相對位移量測的變形值或變形數率仍處于正常狀態，并沒有發生預警，此時采用相對位移量測就不能夠真實反映圍巖變形情況，需要采用絕對位移測量才能監測出圍巖真實的變形情況。圍巖產生非對稱變形情況如圖3 所示，圍巖產生整體偏移變形的情況如圖4 所示。

圖3 非對稱偏移變形示意圖

圖4 圍巖產生整體偏移變形示意圖

4 絕對位移測量

4.1 監測項目

在淺埋偏壓、順層等軟弱圍巖隧道施工監控量測中，采用絕對位移測量主要監測拱頂下沉和水平凈空變化，在穿越疑似滑坡體或滑動層的隧道增加拱頂偏移和洞軸線偏移監測項目。詳細如表1 所示[7]。

表1 絕對位移測量監測項目

4.2 斷面及測點布設

絕對位移測量拱頂下沉、拱頂偏移和凈空變化監測斷面間距及每斷面測點數量如表2 所示。測點布設可根據各臺階的高度情況進行適當調整，拱頂下沉和凈空變化測點應布置在同一斷面上；初支應與圍巖密貼，測點埋設在格柵等鋼架上，無鋼架時，埋設在圍巖中。測點應在開挖后及時埋設并讀取初始讀數，測點埋設須在開挖后12h 內完成，初始讀數須在測點埋設后8h 內完成。拱頂下沉測點應埋設在拱頂軸線上，數值采用絕對高程，周期性復核后視點，保證其數據可靠性。洞軸線偏移監測點按照洞內導線點布設。測點布置如圖5 所示[8]。

表2 監測斷面間距及測點數量

4.3 監測頻率

絕對位移監測頻率根據測點距開挖面距離及位移速度分別按表3 和表4 控制，表3 中B代表最大開挖寬度。由距開挖面的距離決定的監測頻率和由位移速度決定的監測頻率之中，采用較高的頻率值,出現位移速度過大等異常情況時，要加大量測頻率。洞軸線監測導線每周復測1 次[9]。

圖5 拱頂下沉和水平測線布置示意圖

表3 按距開挖面距離確定的監測頻率

表4 按位移速度確定的監測頻率

4.4 測量方法

洞內布設三等以上導線點，控制點埋設要牢固可靠，導線點要定期復核，保證測量精度，以便真實地分析量測數據的變化情況。為盡量減少誤差積累，采用固定導線點測量固定斷面的方法測量，盡量減少轉站。專人、固定儀器測設，專人計算、專人復核，確保觀測數據準確無誤。

而變頻調速的特性以及無可比擬的節能功效在機械調速領域脫穎而出。因此，怎樣更好地把變頻調速技術引入并應用到起重機械行業中是一個值得探究的重要領域[1]。本文所研究的變頻工況下的起重機械起升機構動力學仿真與研究，就是在這個背景下提出的。

拱頂下沉、拱頂偏移和凈空測量采用全站儀配合反射膜片進行。在隧道洞頂中線及左右邊墻已埋設測點處設置反光片，利用全站儀紅外線無棱鏡反射方法進行測量，測得拱頂點及兩側測點三維位坐標。

4.4.1 測點埋設

拱頂及邊墻測點埋設在格柵鋼架上，采用準20mm 鋼筋，尾端朝向洞口方向進行45毅斜切形成斜切面并焊接鋼板，鋼板上面粘貼測量專用反射膜片（不小于2cm伊2cm）。反光片統一定做，自帶十字絲。導線點埋設在隧道地板基巖或仰拱上，盡量沿洞軸線布設。

4.4.2 標識要求

測點布設以后，在測點位置做統一的醒目標識，每個斷面左右側各布設1 個標示牌，及時記錄展示相關信息。

4.4.3 保護要求

測點及時進行布設，并做好保護，防止破壞?，F場監測與施工必須緊密配合，施工現場應提供監測工作時間，保證監測工作的正常進行，監測測點的埋設計劃應列入工程施工進度控制計劃中。

4.4.4 失效測點處理要求

如果測點被破壞，應在被破壞測點附近補埋，重新進行數據采集；如果測點出現松動，則應及時加固，重新讀取初讀數。失效測點應在6h 之內恢復，前期累計變形值作為處理后測點的初始變形量。

4.5 測量精度

采用高精度、穩定性好的觀測儀器，測量精度為1.0mm。采用測距精度為1.5mm+2伊10-6mm、測角精度為1義級以上的全站儀，施測時設站點與監測點距離不宜過大，應控制在70m 范圍以內，同時保障測試環境的其他要求。導線測量嚴格按照測量規范要求測設。

4.6 數據處理

每次測量的測點坐標與初始坐標進行比對，計算測點距離變化值，并計算其垂直于洞軸線方向的距離，作為該測點的絕對位移值。每次觀測后立即對原始數據進行核對和整理，繪制時態曲線并進行回歸分析。

4.7 預警值設置及處置措施

根據大量監測數據分析及現場實際情況對比，一般水平測點每天絕對位移超過6mm 時，按照黃色預警進行處置；超過10mm 時，按照紅色預警進行處置。每次發生預警時必須查明原因。當發生黃色預警時，要加強初支表象觀察，加快初支仰拱成環速度。發生紅色預警時，對預警部位采取增加鎖腳錨管、注漿補強等加固措施，必要時采取增加臨時橫撐或臨時仰拱等措施。監測數據回歸分析顯示，80%的變形量發生在初支成環之前，加快初支仰拱成環速度，縮短初支成環時間是控制變形的最有效手段。持續發生紅色預警時，應加強支護，及時進行變更設計。

一旦監測到洞軸線發生偏移，應立即停止施工，加強地表觀測，并采取地質調查、物探、鉆探等多種手段查明洞軸線偏移原因，進而采取針對性措施。

5 應用實例

5.1 初支變形情況

某隧道為單洞雙線隧道，全長518m。隧道進口DK846+156耀DK+450 段下伏基巖為云母石英片巖、鈣質云母石英片巖、石英片巖，全～強化風，片狀構造，巖層產狀20毅蟻62毅，節理發育，巖體破碎，地形左低右高，埋深較淺，已施工段最大埋深27m，隧道偏壓嚴重。

某日，隧道進口左側DK846+207耀DK846+250 段43m、右側DK846+203耀DK846+250 段47m，中下臺階鋼架連接板附近出現1耀2mm 縱向裂縫。經取芯發現裂紋已貫通初支厚度。隧道左側DK846+245耀DK846+257 段上中臺階連接板附近噴混凝土連續剝落，格柵骨架外露變形；隧道右側DK846+237耀DK846+244 段中下臺階連接板上部0.5m 噴混凝土連續剝落；左 側DK846 +205 耀DK846 +207、DK846 +265 耀DK846 +273、

DK846+285耀DK846+290 拱頂左側1.5m 位置出現局部剝落；右側DK846+210耀DK846+260 下臺階與仰拱連接板附近出現局部剝落。

5.2 監控量測情況

前期采用相對位移進行隧道監控量測，水平收斂值一直處于正常收斂狀態，監控量測信息系統未預警。初支變形后，通過測量各監測點的絕對位移量，準確判斷出隧道偏移方向和偏移量，監控量測點絕對位移值顯示，DK846+166.8耀DK846+200.5 段隧道左右測點均向隧道內側位移。DK846+200.5耀DK846+305 段隧道整體向線路方向左側偏移。其中左側最大偏移值82mm 平均偏移值20mm，右側最大偏移值106mm，平均偏移值62mm。

5.3 變形處置及支護參數優化

通過絕對位移測量確定隧道位移情況后，采用鋼架套拱封閉成環、小導管注漿加固等措施有效控制了初支變形，使隧道變形趨于穩定。通過對隧道洞軸線的監測，結合物探及地質補勘，綜合判斷隧道沒有整體偏移的可能，采取洞內加固措施是可行的。隧道變形的主要原因是淺埋偏壓與地層順層所致，原設計初支強度不足，后期施工時初期支護增加了系統錨桿，格柵鋼架由H230 變更為H280，初支噴射混凝土厚度由30cm增加至35cm。

5.4 絕對位移測量情況

鑒于此隧道淺埋偏壓嚴重，地層為順層，圍巖破碎，后續施工增加絕對位移監測項目，監測結果顯示，隧道左、右邊墻監測點均向隧道左側偏移，根據變形規律，隧道右側開挖預留變形值按照200mm 預留，左側不預留變形量只考慮50mm 施工誤差。對隧道右側鋼架連接部位增加鎖腳錨管數量，抑制變形。

6 結論與建議

1）絕對位移測量適合在隧道洞口淺埋段、淺埋偏壓段、地層順層及掌子面不均勻介質等地段的監控量測中使用，其他地質條件好的地段不需要采用絕對位移測量進行監控量測。

2）通過對絕對位移測量結果分析，準確掌握初支變形的具體部位及變形規律，為動態調整支護參數、采取局部加固措施、初支適時封閉成環等提供依據。通過洞軸線監測，能夠初步判定隧道是否存在整體位移的可能，以便及時采取對策，確保隧道永久安全。

3）根據絕對位移監控量測數據分析，有針對性的調整隧道開挖預留變形量，減少二襯混凝土超耗，預防初支侵限，節約施工成本。

4）絕對位移測量過程中需要布設精密導線，受觀測距離影響難免增加轉站次數、測量誤差相對較大，因此，要與相對位移監控量測配合使用，相互印證。