公路隧道施工監控量測技術研究

劉順林

（河北高速公路張承張家口管理處，河北 張家口 075000）

1 引言

隨著我國基礎交通設施建設的不斷完善，公路隧道的建設步伐也日益加快。目前，我國公路隧道建設大多采用“新奧法”，且公路隧道圍巖受力變形機理復雜，監控量測技術成為指導隧道施工、評價圍巖應力狀態和支護結構穩定性的關鍵技術之一。國內外學者及工程技術人員也對公路隧道施工監控量測技術進行了部分研究，如韓樂[1]以觀音山隧道為研究對象，歸納總結了公路隧道監控量測中的工作流程、信息反饋和預警方法，對該隧道的周邊位移、拱頂下沉數據開展了回歸分析，并及時地將監測數據分析結論反饋到施工中；劉小俊[2]搜集了四川部分典型的公路隧道監控量測數據，通過回歸分析和數理統計，得到了圍巖隨時間變形規律，并利用有限差分軟件FLAC 3D 對隧道開挖后圍巖的變形開展數值模擬，建立了關于圍巖塌方的三級預警機制。因此，研究公路隧道監控量測的內容、方法、數據分析等具有十分重要的工程意義。

2 公路隧道監控量測目的、內容及方法

2.1 隧道監控量測目的

公路隧道監控量測就是在隧道開挖過程中，采用羅盤、水準儀、全站儀、收斂計等工具對圍巖的位移和支護結構的工作狀態開展動態監測。監控量測的主要目的是指導公路隧道施工，通過分析圍巖實測數據，來判斷支護結構能否滿足圍巖要求、提前判斷開挖過程中可能出現的安全事故，并確定隧道二次襯砌的合理施工時間。

2.2 公路隧道監控量測內容

公路隧道監控量測的內容主要包括必測項目和選測項目[3]。其中，必測項目是必須要量測的，包括拱頂下沉、周邊收斂、地表下沉、洞內外觀察。而選測項目測試方法復雜，量測成本高，可以根據圍巖級別、施工方法、合同約定等在局部危險地段有選擇性地進行測量，包括錨桿軸力、圍巖壓力、鋼架內力、圍巖彈性波速等項目。

2.3 公路隧道監控量測方法

2.3.1 拱頂下沉和周邊收斂

公路隧道圍巖的拱頂下沉量測可以采用水準儀、鋼尺或全站儀等設備，周邊收斂量測可以采用收斂計或全站儀。測點布置時應當盡可能在隧道爆破開挖24h 內或下次爆破之前，量測點距離開挖掌子面不超過2m，測點的布置數量、讀數頻率、停止監測時間應根據圍巖級別、施工方法等條件，并參考相關隧道施工規范確定[4]。同時，公路隧道圍巖拱頂下沉和周邊收斂的量測點應當盡可能地放在拱頂、拱腰兩側，并對稱布置，如圖1 所示。

圖1 隧道拱頂下沉和周邊收斂量測點布置

2.3.2 地表下沉

當隧道埋深小于2 倍的隧道開挖跨度時，應當對地表位移進行監測。公路隧道地表下沉可以采用全站儀量測，地表下沉的測點是以隧道中樁為對稱軸對稱布置，測點布置6～10 個，靠近隧道軸線測點較密，反之，測點稀疏。同時，隧道地表下沉的量測斷面應根據埋置深度確定。

3 公路隧道監控量測數據分析

3.1 依托工程概況

本文以某山區公路隧道為研究對象，隧道全長3.23km，設計荷載為公路-I 級，地質條件較為復雜。設計隧道為雙向分離式，左線起訖樁號為ZK1+260～ZK4+490、右線起訖樁號為K1+265～K4+495，隧道斷面選擇三心圓曲墻式，并選擇復合式襯砌進行支護。同時，隧道進口段存在偏壓、埋置深度較小，隧道穿越強風化、中風化灰巖，巖體較破碎～較破碎，主要是Ⅳ級和Ⅴ級圍巖。該公路隧道超過3 000m，屬于特長隧道，且圍巖較弱，開挖期間必須進行監控量測。

3.2 隧道監控量測數據處理內容

公路隧道監控量測數據處理包括量測數據整理、繪制時間-位移曲線、數據回歸分析、結論等內容[5]。其中，量測數據處理主要是剔除個別明顯異常的數據，以免給曲線繪制和回歸分析產生干擾。同時，隧道的監控量測數據一般具有離散型，不易分析位移隨時間或空間的變化規律，需要對其進行回歸分析。數據回歸分析常用的數學模型主要有雙曲線函數、對數函數、指數函數等，回歸分析軟件可采用Excel 或Origin。

3.3 隧道監控量測預警標準

公路隧道監控量測應當根據控制基準建立相應的預警機制，筆者結合公路隧道施工技術規范，提出了表1 所示的預警機制。

表1 公路隧道監控量測預警機制

3.4 拱頂下沉和周邊收斂監測結果

筆者針對該隧道ZK4+055 斷面的拱頂下沉和周邊收斂數據進行了處理分析，監測結果如圖2 所示。

圖2 隧道拱頂下沉（H）和周邊收斂量（L）監測結果

由監測數據可知，ZK4+055 斷面隧道在開挖后前3d 拱頂下沉量較大，隨著開挖時間的增加，圍巖的拱頂變形速率逐漸減小并趨于穩定，隧道在開挖后第6d 圍巖的拱頂基本不再變形。同理，ZK4+055 斷面隧道在開挖后前5d 周邊收斂速率較大，隨著開挖時間的增加，圍巖的邊收斂速率逐漸減小并趨于穩定，隧道在開挖后第8d 圍巖量測變形基本保持不變。因此，ZK4+055 斷面隧道應當做爆破開挖8d 后，可以開始二次襯砌的施工。

4 結語

本文深入分析了公路隧道監控量測的目的、內容、方法、數據處理方法、預警標準等，主要得到以下幾個方面的結論：（1）公路隧道監控量測包括必測項目和選測項目，其中必測項目包括拱頂下沉、周邊收斂、地表下沉、洞內外觀察，選測項目測試方法復雜，量測成本高，可以根據圍巖級別、施工方法、合同約定等有選擇性地量測；（2）隧道圍巖的拱頂下沉和周邊收斂的應當在隧道爆破開挖24h 內或下次爆破之前布置測點，測點的布置數量、讀數頻率、停止監測時間應根據圍巖級別、施工方法等條件確定；（3）公路隧道監控量測數據處理包括量測數據整理、繪制時間-位移曲線、數據回歸分析、結論等內容；（4）公路隧道監控量測應當根據實測位移和距開挖面1B 范圍內的位移關系建立相應的預警機制。