公路隧道監控量測及圍巖穩定性的探究

李坤

(廣東冠粵路橋有限公司，廣州 511400)

1 引言

公路隧道工程施工工藝復雜，施工環境惡劣，存在很多不可預知的影響因素。而且在隧道施工中，無論是開挖、支護還是其他操作，都會對隧道圍巖的穩定性產生影響，因此，監控量測的重要性也就越發凸顯。借助有效的監控量測工作，施工單位能夠獲取準確的圍巖及支護結構受力情況，對圍巖在施工中的動態變化進行分析，評價其穩定性的同時，對隧道支護體系進行相應的調整優化，切實保障公路隧道的施工安全。

2 公路隧道監控量測的重要性

公路隧道監控量測主要是利用先進技術和專業設備，對隧道圍巖的變形情況、隧道支護的下沉情況以及支護結構的動態變化等進行測量，幫助工程技術人員及時發現和解決隧道變形問題，保障隧道工程的施工質量和使用安全。隧道工程本身屬于地下工程的一種特殊類型，具有復雜性、隱蔽性，量測難度較大，而且隧道工程在施工和運營過程中，存在很多不可預見的影響因素，如果其所處的地質環境較差，則可能引發隧道涌水、塌方等問題，嚴重影響工程的效益及人員的生命安全。做好公路隧道的監控量測工作，能夠獲得準確全面的隧道信息，能幫助技術人員對隧道建設和使用過程中的潛在問題進行預測和分析，并采取有效的措施來保障其安全性[1]。

3 公路隧道監控量測及圍巖穩定性探究

3.1 工程概況

泉湖山隧道為中隧道，全線均為小凈距。泉湖山左線隧道起訖樁號為ZK173+844.8～ZK174+355，長度為510.2 m；泉湖山右線隧道起訖樁號為K173+848～K174+357，長度為509 m。本隧道進出口端均采用削竹式洞門，明洞長度均為20 m。泉湖山隧道連平端洞口段左右線凈距為15 m，本隧道最大埋深約為84 m。經現場地質勘察，隧址區前第四紀巖性主要為泥盆系砂巖、粉砂巖、灰巖、泥灰巖等；第四紀巖性主要為殘破積粉質黏土、碎石土層等，多分布于山前坡地。項目區位于地震基本烈度Ⅵ度區，地震動峰值加速度為0.05 g，需按Ⅶ度進行抗震設防。本地區屬南亞熱帶季風氣候，具有常年氣候溫和，陽光充足，雨量充沛，無霜期長，植被豐富，水域發達的特點。由于隧道出口征地與水源問題，一直沒有開工，而施工時段恰好處于雨季，如果避開雨季施工，則會導致工程整體延期交付，成本會大大增加，對此，在依照施工方案正常施工的前提下，需要切實做好監控量測工作，時刻把握隧道圍巖的穩定性，以保障施工安全。

3.2 量測內容

公路隧道監控量測主要是針對隧道圍巖位移情況、隧道拱沉降情況進行量測，借助位移數值來判斷隧道圍巖的實際受力情況。同時，在公路隧道監控量測工作中，還應該做好圍巖特征點的全面分析，明確圍巖支護方案及施工工藝，確定好支護結構的監測范圍，這也是隧道監控量測工作的核心所在[2]。

3.2.1 地質分析

結合該工程實際情況，需要借助洞內觀測的方法，在隧道掌子面開挖過程中，對照前期地質勘察資料，對開挖面初期支護圍巖的巖性、結構、水狀及可能存在的不良地質構造等進行觀察分析，把握好地層結構性質，并對掌子面前方的圍巖地質進行預測，通過提前支護的方式來確保圍巖的穩定性。

3.2.2 拱頂下沉測量

結合測量結果對隧道可能出現的塌方等風險進行預測，拱頂下沉測量方法有水準儀測量法、全站儀測量法及收斂計三角測量法等。從實際應用的角度，三角測量法最為常見，因為其操作簡單，只需要結合預先設定好的測點，測量三角形3 條邊的長度，再依照三角形面積公式，就可以換算得到拱頂的下沉量。

3.2.3 地表沉降量測

地表沉降量測主要是在隧道進出口淺埋段，依照一定距離，在平行于掌子面的方向設置高程測點，測量結果能夠將地表圍巖在隧道淺埋段開挖過程中產生的變化直觀反映出來。考慮到掌子面開挖后，圍巖的自穩能力會有所下降，可能會在短時間內出現比較明顯的變形，如果沒有選擇合理的施工方法，則在施工過程中容易出現塌方或安全事故。因此，為保障施工人員人身安全，減少安全隱患，必須切實做好地表沉降量測工作。

3.2.4 周邊位移量測

公路隧道開挖后，隧道圍巖會呈現出從四周向中心收斂的趨勢。周邊位移量測主要就是針對隧道內2 個測量點連線方向變形量的測量，測量結果可以將圍巖內部的應力狀態以及圍巖整體的穩定性反映出來。在該工程中，周邊位移量測采用收斂量測的方式，這也是現階段隧道工程施工中應用最為廣泛的1 種量測方法。

3.3 量測方案

3.3.1 地質勘探資料分析

在針對公路隧道進行監控量測的過程中，需要首先做好地質勘探資料的整理和分析工作，依照相應的統計數據，制訂出具備良好可行性的監控量測方案。例如，在針對地表沉降進行量測時，需要對照隧道施工區域的地質水文條件，確定2 個基本參考點，其主要作用是與原始標準點之間的差距進行對比，幫助施工人員合理判斷隧道支護的沉降情況和位移速度，得到圍巖的位移規律，繼而判斷圍巖的穩定性。

3.3.2 做好測點布置

隧道開挖爆破后，圍巖的應力會重新分布。在布設量測點時，必須盡可能靠近掌子面，同時確保測點不會受到施工破壞。一般情況下，測點與掌子面的距離在1.5～2.0 m，在下一次爆破前得到初始讀數（開挖后12～24 h 內），施工人員需要在下一次循環掘進前，確定圍巖的初期變形值，觀測點的布置需要綜合考慮地質水文、施工流程、斷面位置及洞口埋深等。在該工程施工中，采用臺階法開挖的方式，需要施工人員結合施工現場的實際情況，在邊墻和拱腰位置，各設置1 條水平測線，一些應力集中或變形較大的區域，需要對觀測點進行加密。必須在隧道兩側邊墻及拱腰水平方向埋設帶溝膨脹螺栓，將埋設深度控制在30～50 mm，以紅漆做標記，避免施工破壞測點。

3.3.3 圖表繪制

作業人員需要結合監控量測結果，獲取隧道圍巖的位移變化，繪制出位移測量結果和位移速度變化圖表，為圍巖穩定性分析和支護體系調整優化提供參考依據。圍巖的物理量分析需要借助隨時間變化的動態曲線，得到圍巖位移和變化的規律，確定圍巖是否穩定可靠。在公路隧道施工中，需要做好隧道周邊圍巖及拱頂下沉情況的監控量測，了解圍巖的位移方向、位移速度以及位移量，看其是處于哪一種狀態（升高或下降），當達到某個限值后，圍巖的位移速度會趨于穩定。結合繪制出的圖表，施工人員可以直觀地掌握隧道圍巖的變化情況，預測其變化趨勢，為隧道施工的順利進行提供指導和參考。例如，泉湖山K173+870 斷面地表沉降監測情況如圖1 所示。

圖1 泉湖山隧道右線K173+870 斷面地表沉降監測圖

3.4 回歸分析

3.4.1 回歸曲線

在對公路隧道進行監控量測的過程中，通過對采集到的數據信息進行分析，可以明確隧道周邊圍巖的收斂情況、隧道拱頂的下沉情況與隧道開挖時間t 存在密切關聯，但這種聯系無法通過函數關系表達，對此，可以借助回歸分析的方式對隧道監控量測數據與開挖時間的關系進行分析。在當前技術條件下，隧道圍巖量測數據處理通常都是采用回歸分析的方法，這種方法可以幫助施工技術人員更好地對最終值進行預測，了解隧道圍巖在不同變形階段的變形速度。回歸分析法的核心是最小二乘法，需要找出相應的回歸曲線，確保所有已知點到曲線的偏差最小。監控量測數據一般需要借助指數函數模型、對數函數模型、雙曲線函數模型等實現回歸分析，相應的公式為：

式中，u 為圍巖位移值，mm；a 和b 為回歸系數；t 為初讀之后的時間，d。

3.4.2 數據分析

在該隧道監控量測中，涉及的數據信息量較大，從方便分析的角度選擇其中一個斷面ZK173+864.8 的觀測數據，觀測1 d，周邊位移1.94 mm，拱頂下沉2.03 mm；觀測4 d，周邊位移5.68 mm，拱頂下沉6.07 mm；觀測7 d，周邊位移7.52 mm，拱頂下沉8.02 mm；觀測10 d，周邊位移8.48 mm，拱頂下沉9.12 mm；觀測13 d，周邊位移9.15 mm，拱頂下沉9.82 mm；觀測16 d，周邊位移9.48 mm，拱頂下沉10.15 mm；觀測19 d，周邊位移9.58 mm，拱頂下沉10.29 mm。

結合指數函數進行相應的回歸分析，以最小二乘法得到回歸系數a 和b，最終得到的指數函數回歸方程為：

相關系數r 的值為0.963。

借助同樣的方法，可以得到對數函數的回歸方程為：

雙曲線函數的回歸方程為：

其相關系數r 的值分別是0.915 和0.894。

上述方程為斷面拱頂沉降的回歸分析結果，而周邊位移回歸分析結果為：

該工程采用指數函數來對周邊位移和拱頂沉降進行回歸分析，得到的相關系數較對數函數和雙曲線函數更高，表明指數函數的回歸曲線更能對監控量測數據進行準確擬合。

3.4.3 結果分析

依照JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術規范》的相關要求，公路隧道圍巖變形釋放率需要達到80%～90%，周邊位移變形速率應不能超過0.1 mm/d，拱頂下沉速率不能超過0.07 mm/d。以此為參照，可以計算出隧道圍巖變形的基本穩定時間，技術人員可以將這個時間作為核心參數，指導施工人員及時進行二次襯砌工作。針對指數函數的回歸方程求極限，得到的斷面凈空收斂最終位移數據為：

在第20 d， 隧道周邊位移的收斂速度達到了9.6/10.07=95.33% ， 隧道拱頂下沉收斂速度達到了10.3/10.79=95.46%。對照相關標準可知圍巖變形基本趨于穩定，可以開展二次襯砌施工。

4 結語

結合該公路隧道工程實際情況，借助最小二乘法，對監控量測數據進行相應的回歸分析，依照選擇的最佳回歸曲線，對隧道圍巖的穩定性進行判斷，預測圍巖變形情況。依照上文對于某斷面回歸分析的結果可知，開挖后的第7 d，圍巖的變形速度增長較快，然后增速減緩，逐漸趨于穩定，開挖第20 d，隧道圍巖周邊位移和拱頂沉降的收斂速度全部達到90%以上，可以對隧道實施二次襯砌施工。該隧道工程雖然長度小，施工周期短，但是因為是在雨季施工，影響了隧道整體的施工安全。對此，施工人員應該充分重視起來，切實做好監控量測工作，時刻關注圍巖的穩定性，加大對于地表下沉的量測頻率，同時強調管棚與超前小導管支護，做好注漿施工控制，降低單次開挖的距離，邊開挖邊支護，將隧道圍巖的位移和變形程度控制在相關標準允許的范圍內，避免因過度變形引發的安全事故，最大限度地保障公路隧道工程的施工安全。