重慶某鐵路隧道圍巖開挖變形特征及監控方法

孫順應

（蘭州交通大學工程檢測有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

圍巖變形實時監測是隧道安全施工的關鍵，合理的監測方法有助于及時發現可能存在的問題。通過新奧法施工對隧道變形進行實時監測，并對數據進行分析處理，能夠有效預測圍巖變形情況，指導隧道施工[1]。馬永峰實測了開挖過程淺埋連拱隧道的變形發展規律，分析了施工工序等對隧道變形的影響，可為工序安排提供借鑒[2]。王成橋針對汶川-馬爾康隧道，對實測數據進行了分析，研究了隧道開挖變形規律，評估了支護等的影響[3]。陳建勛研究了大斷面淺埋黃土暗挖隧道過程變形規律，為黃土隧道施工提供了參考[4]。

由于地質情況復雜，隧道施工變形監測并不是一成不變的，要根據具體地質條件、支護情況及開挖進度等進行具體設計。本文總結了重慶地區某鐵路隧道施工過程中的變形監測技術，分析了拱頂、洞口及地表的變形規律，可為類似工程實踐提供參考。

1 工程概況

該項目為重慶某鐵路隧道監控量測項目，起點為DK118+216.35，終點為DK135+345.61，正線長度17.404km（標段含木耳貨場、黃茅坪支線20.388km）。主要工程數量為：路基9493.73 m；橋梁11325.27m/21座，其中連續梁7聯，道岔連續梁4聯；隧道16993m/11座；涵洞1583.15橫延米；車站2座（木耳站、黃茅坪站）；隧道地段無砟道床（彈性支撐塊）6.92km。隧道監控量測是隧道施工的重要環節，是保證隧道施工安全和隧道結構長期穩定的有效手段。該項目主要是對管段內隧道洞內外進行監控量測，包含了洞內拱頂下沉量變化監測、拱墻周邊收斂數據的監測以及隧道洞門邊坡和地表沉降的監測。在隧道施工過程中，根據現場施工實際情況、隧道工程的規模、不同地質情況、支護類型和參數及開挖方法對其實施監控量測。該項目隧道施工監測必測項目見表1。

表1 隧道施工監測項目

一般根據圍巖類型、開挖形式以及開挖順序，在同一個里程斷面布置7個測點（三臺階）或者5個測點（兩臺階）。測點如果被現場破壞，應在被破壞測點附近補設。如果出現松動，則應及時加固。觀測應在埋設點穩定后進行。測點布設如圖1所示。

圖1 斷面沉測點布置

2 監測方法

2.1 洞內監控量測方法

隧道洞內采用全站儀自由設站非接觸量測技術進行監測工作，即在外業觀測中，采用全站儀任意測站及坐標測量的方法，直接獲取各監測點的空間三維坐標。該監測方法簡單、易操作，可對變化異常的關鍵節點反復對比測量，增加監測頻次。采用水準儀與全站儀對洞外地表及邊坡進行監測，存在異常時，兩者間可相互驗證，確保數據準確。

2.2 拱頂下沉和水平收斂監測

（1）一般為1次/d。

（2）臺階法施工，下部開挖過程中，監測頻率為1次/d。

（3）出現變形非線性增大或者異常波動時，要縮短監測時間，增加監測頻率。

（4）變形發展速率較為穩定時，可以按照表2進行監控。

表2 地表下沉降的監測頻率

（5）初期支護完成后，根據實際情況可以停止對應斷面的實時監測，但至少應該滿足以下條件：

①初期支護表觀現象正常；

②施工項目及周邊變形速度大大降低，并且趨于穩定，水平收斂較小，隧道拱頂部的沉降速度減小，累計位移已經較大；

③變形時態曲線已經收斂。

2.3 監測測點的布置

在隧道開挖之前，就應布置沉降觀測點，且對于重點工程應布置足夠數量的觀測點備用。隧道內的觀測點應該和地表沉降點在同一個斷面，進而排除斷面位置差異的影響。觀測點的間距可參考表3。

表3 地表沉降測點縱向間距

（1）如圖2所示，地表沉降的觀測點間距在2～5m范圍，越靠近隧道中線，測點間距應越小，以提高測量精度。

圖2 地表測點布置

（2）在測點布置中，隧道拱頂的沉降觀測點和洞內的凈空觀測點也應布置在同一個斷面上。且測點應盡量左右對稱布置，以便觀測閉合，相互印證自洽。但現場并非理想狀態，遇到開挖裝備、管線等其他干擾時，可以適當調整。

3 數據分析處理

實測拱頂累計變形量如圖3和圖4所示。在隧道出口正洞DK130+630-GD00處，開挖階段前20d，變形發展迅速，累計達到8mm，變形速率約4mm/d，變形勻速發展，并未出現非線性增長型失穩。在20～30d時，隨著支護進行，變形曲線出現一個小平臺。第30d后，隨著開挖持續進行，累計變形持續發展，但中間由于支護等的進行，曲線有波動，到第60d后變形基本穩定。第二階段的變形速率約2mm/d，變形速率約為初始階段的一半，呈現收斂狀態。

圖3 隧道出口正洞DK130+630-GD00

圖4 隧道進口正洞HMDK3+617-SL01-SL02

隧道進口正洞變形規律與出口處有所不同，在第30d后累計變形便基本保持穩定。但與出口處類似的是，在20～30d階段，變形迅速發展，變形速率約2mm/d。

由圖3和圖4可知，在開挖初始階段變形速率很大，處于相對危險期，需要加密監測。在達到穩定前的第二階段，變形波動較大，對于收斂的判斷難度較大，一般曲線都要來回波動幾次才能進入穩定區間，此時萬萬不可大意。

地表沉降觀測點布置如圖2所示，其中洞頂部測點數據如圖5所示。地表沉降規律與隧道進出口位置變形規律并不一樣，地表沉降更加雜亂和隨機，在開挖0～25d范圍內，地表沉降快速發展，隨后受支護、地應力釋放等因素影響，變形又有所恢復，隨后在0～2mm范圍內穩定波動，與隧道進出口一樣進入穩定期。由此可見，地表沉降規律復雜，在實際施工監測中可作為輔助監測。

圖5 地表累計變形規律

4 結論

在項目開挖過程中，圍巖變形速度在初始10～20d內較大，需要重點監控。在30～60d的第二階段，圍巖繼續變形，但變形速率低于10～20d階段，且受其他因素干擾，累計變形曲線波動較大，多次回頭，較難預測達到平穩階段的時間。在約60d后，變形趨于平穩，累計位移曲線形成一個平臺，圍巖變形基本完成，隧道確認安全。地表沉降規律波動較大，受支護、地應力逐漸釋放等因素影響明顯，在60d左右波動逐步穩定。

隧道圍巖變形情況監測中，要根據具體支護情況、開挖進度等，設計針對性的監控方法。測點布置要能夠相互印證，自我閉合。在地質條件較差、施工工序復雜、擾動較多地段，應增大測點的空間密度。在變形速度較快階段，應增加測量頻率，以防出現異常情況。