谈监控量测技术在高速公路隧道中的应用

论文 关键词: 公路隧道 新奥法（NATM） 监控量测

论文摘要: 高速公路隧道已广泛采用新奥法设计与施工,现场监控量测是新奥法设计与施工的重要组成部分。通过对隧道进行监控量测,可预测预报围岩变化,优化设计和指导施工,确保隧道施工安全,使工程投资 经济 合理。通过对济邵高速公路乔庄隧道的拱顶下沉、水平收敛、地表沉降、喷层应力、钢拱架应力等多项涉及围岩稳定性及支护合理与否的参数进行跟踪量测, 实时确定了合理的二次衬砌施工时间,成功避免了施工中重大安全事故的发生,确保了隧道施工安全和质量,对隧道施工具有指导意义。

Key words：Highway tunnel; NATM monitoring measurement technology

Abstract: The New Austrian Tunneling Method (NATM) is widely used in design and construction of expressway tunnels. In-situ monitoring and measuring plays a very important role in design and construction of NATM. Through monitoring and measuring carried out for tunnels, surrounding rock change predictions and optimal designs can be done and the construction can be carried out under guidance, so that the construction safety can be guaranteed and the engineering investment can be more reasonable. The monitor measuring of NATM was studied in the Qiaozhuang Tunnel in Jishao Express. Based on some monitoring and measuring job such as subsidence displacement, convergence displacement, submergence of ground, the sprayed coatings stress, the stress of steel bow member, which are related to the stability of surrounding rock and the rationality of support, the optimum time for primary and permanent support are obtained which averting successfully accidents in construction, enhancing the construction qualities and guidance to the same geology tunnel construction.

济（源）邵（原）高速公路项目的乔庄隧道穿过黄土状亚粘土、砂岩和泥质粉砂岩的强风化、弱风化层，围岩强度较低，遇水易软化，节理裂隙发育，隧道两端洞口埋深较浅，自稳能力差，严重威胁着施工安全。在施工的过程中,对围岩及衬砌结构的应力和位移进行了跟踪监控,获得了大量的原始数据,且都及时反馈于施工中,为在不同围岩情况下实施不同的施工方法提供了 科学 依据,为安全顺利的施工提供了保障。

1．工程概况

1.1 概况

济（源）邵（原）高速公路工程东起河南省济源市轵城镇耿章村附近，与二（连浩特）广（州）高速公路济源至洛阳段连接，大致平行省道温邵线（S312），路线沿济源市南部山岭向西，经轵城镇、承留镇、大峪镇、王屋乡、下冶乡、邵原镇，止于河南省济源市与山西省阳城县交界处的西阳河，接山西省运城市境内规划的东（镇）蒲（掌）高速公路，路线全长约59.771km，是河南省高速公路规划网中的省级干线公路，也是河南省西北部通往山西省的主要出口路之一。

图1 乔庄隧道地质构造总体分布

隧道穿越低山丘陵区，地形起伏较大，地表迳流条件好，地表水除部分渗入地下外，多数以地表迳流的形式从沟谷中排泄到区外水系中。总体来说，隧道区地下水水量贫乏，主要为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水，水文地质条件较简单，水质类型为HCO3—Ca、HCO3—Ca·Mg型。

1.3施工方法

Ⅴ级围岩采用管棚注浆或小导管注浆超前支护留核心土环状开挖法施工，人工开挖或弱爆破开挖。Ⅳ级围岩采用台阶法施工。

2．监控量测内容及断面布置

2．1量测内容及量测频率

隧道监控量测工作内容,可分为直接指导工程施工的必测项目和进行科学研究的选测项目两部分内容,其两者是相辅相成的。必测项目中的量测数据,有的可以直接为隧道施工服务,如地表沉降量测,有的是通过利用类比的方法判别承载结构是否稳定,如拱顶下沉、周边位移。选测项目是着重对承载结构内部各种作用机理可以量化的部分得出相关数据,为以后理论研究提供原始数据,同时为评价承载结构受力状况提供 参考 。

根据乔庄隧道的地质、水文特性以及施工要求，量测内容的重点除了规范规定的4项必测内容之外根据研究的需要,进行了初期支护的喷射混凝土层应力和钢拱架应力的量测工作，另外，由于隧道的两端洞口围岩均为 = 5 * ROMAN V级，围岩强度底，自稳能力差，岩性变化大，如施工工艺不当易造成围岩失稳，因此在隧道洞口进行了地表沉降的量测。具体的量测内容及频率见表2

表2 乔庄隧道主要监控量测项目及量测频率

序号

项目名称

量测元件

量测频率

1-15d

16d-1个月

1-3个月

＞3个月

1

净空收敛

JSS30型收敛计

1-2次/天

1次/天

1-2次/周

1-3次/月

2

拱顶下沉

水准仪

1-2次/天

1次/天

1-2次/周

1-3次/月

3

隧道内目测观察

─── 全长度，各开挖面，每次爆破后进行

4

锚杆抗

拔力

锚杆拉拔器 每30m一个断面，每个断面测试5根

5

地表沉降

水准仪

1-2次/天

1次/天

1-2次/周

1-3次/月

6

钢拱架

应力

钢板应变计

1-2次/天

1次/天

1-2次/周

1-3次/月

7

喷混凝土应力

混凝土应变计

1-2次/天

1次/天

1-2次/周

1-3次/月

2.2 量测断面的布置

图2 监控量测点布置 图3 应变计布置详图

3．数据的采集与分析

为了能对围岩及支护结构的性态作较全面的分析,并且能获得完整的数据,同时又使各项数据间能相互比较、相互验证,因此必测项目和选测项目的各项量测内容应尽量布置在同一个断面上。各量测断面的测点应在靠近开挖面及时安装，范围控制在2m以内，并在工作面开挖后12ｈ内和下一次开挖之前测取初始读数。在实际的安装埋设中，有时因为施工干扰或避免测点遭到破坏，测点安装位置会离开挖面远些，此时在利用此数据分析判别时，应考虑围岩初期的变形释放。量测频率也可以根据施工具体情况调整,由产生的最大位移速率来确定。乔庄隧道已测数据表明,量测时间以30～50ｄ为宜。

3．1隧道拱顶下沉及净空收敛量测

隧道拱顶是隧道周边上的一个特殊点，其位移情况具有较强的代表性，通过对隧道拱部下沉的绝对值量测,了解断面变形情况、判断拱顶的稳定性,该手段是防止塌方的有效措施之一，因此应加强拱顶位移的监测；洞内净空位移收敛量测是目前洞内监测的主要内容之一,因为周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反映,量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息，而且还可以根据变位速率判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机。乔庄隧道代表性断面ZK42+665的拱顶下沉和净空收敛曲线见图4，图5。

图4 ZK42+665断面位移值与时间的关系曲线 图5 ZK42+665断面位移速率与时间的关系

3．2 隧道内目测观察及锚杆抗拔力检测

通过肉眼观察、地质锤和地质罗盘测量,描述和记录围岩地质情况、岩层产状、断层破碎带、褶皱、地下水及支护效果,对围岩稳定性进行评价,判断围岩类别是否与设计相符,必要时拍照,测量地下水流量,每一量测断面要有一张记录表并填图。

通过锚杆抗拔力检测,可以测定锚杆的锚固力是否达到设计要求,判断所使用的锚杆长度是否适宜以及检查锚杆安装质量。采用快速量测法,使用设备为ＭＬ型锚杆拉力计,检测值根据设计要求的锚固力不小于50KN作为标准,采用非破坏性试验。

3．3地表沉降观测

乔庄隧道入口为 = 5 * ROMAN V级围岩，隧道埋深较浅，围岩稳定性差，在隧道入口地段（ZK42+358～ZK42+365）共埋设地表下沉测点7个,具体布置见图2，测点间距为2～5m。用水准仪和塔尺进行地表下沉的观测,历时65天，从获取的量测数据来看,最大值为2ｍｍ,考虑测量误差,地面无明显沉降，不会对洞室周围建筑物产生大的影响。

3．4喷射混凝土层和钢拱架应力量测

乔庄隧道出入洞口为 = 5 * ROMAN V级围岩，其余为 = 4 * ROMAN IV级围岩。各级围岩地段的初期支护形式如表3 所示。

根据实际地质情况，在乔庄隧道左线选取了两个断面进行初期支护的应力量测（ZK42＋665，ZK42＋798）。选取的两个断面中，ZK42＋665断面埋深为58m，地表处于一个大的冲沟范围内，地形呈左高右低走势，存在偏压现象。该断面附近洞段岩性主要为泥岩和泥质粉砂岩互层，岩体呈典型的块碎石状镶嵌结构，受地质构造影响严重，节理裂隙普遍发育，同时隧道内有大量的地下水渗入，与设计图纸中的“隧道区地下水水量贫乏”地质情况不符，施工中时有掉块现象，围岩稳定性较差，因而该断面在隧道软弱围岩段中具有典型代表性。

表3 乔庄隧道初期支护参数

围岩级别

锚杆

钢筋焊接网

喷射混凝土

钢拱架

Ⅴ

φ25先锚后灌式注浆锚杆－1.0×0.75m，长3.5m

φ R 6间距

15×15cm

25cm厚C25混凝土

18号工字钢间距0.75m

Ⅳ

φ25先锚后灌式注浆锚杆－1.0×1.0m，长3.0m

φ R 6间距

15×15cm

20cm厚C25混凝土

14号工字钢间距1.00m

采用XJH-2型振弦式混凝土应变计和XJD-2(B)型钢板应变计分别进行喷射混凝土层和钢拱架应力量测。在初期支护的施工过程中，先将混凝土应变计布置在喷射混凝土层的两侧，将钢板应变计焊接在测试钢拱架的上下翼缘，待初期支护完毕后采用PZX-1型振弦频率检测仪进行量测。

通过对断面ZK42＋665初期支护进行50d的应力监测，得到喷射混凝土层和钢拱架应力随时间的变化曲线如图7，8 所示：

图7 ZK42+665断面喷射混凝土应力时间曲线 图8 ZK42+665断面钢拱架应力时间曲线

从量测的数据可以看出，初期支护的受力状态与实际相吻合，且初期支护的应力偏大，应加强支护。鉴于该支护体的实际受力情况，为保证施工安全，对后序施工采用浅眼爆破，控制总药量，延长注浆持压时间等措施，同时加强监控量测的频率。当施工到ZK42+672时，围岩条件依旧很差，而且裂隙水多，渗水严重，开挖后坍塌掉块严重，在隧道拱顶左侧形成一个64m3左右的锥形坍塌空间。通过对现场采集监测数据以及实际地质情况综合分析后，采取对坍塌空间用喷砼（分层）＋锚杆（多层）＋钢筋网（多层）形式回填处理，对后续围岩较差地段按Ⅴ级围岩（原设计为Ⅳ围岩）初期支护的施工方案，并采用注浆小导管进行超前支护，在施工过程中加强监控量测。监控数据表明：加强初期支护后，数据逐渐趋于稳定，截至断面ZK42＋686，施工安全渡过破碎带，初期支护又调整为Ⅳ级围岩支护。

5．结 论

由于隧道工程的特殊性、复杂性和隧道围岩的不确定性，对隧道围岩及支护结构进行监控量测是保证隧道工程质量、安全的必不可少的手段。通过量测，及时对乔庄隧道个别围岩失稳趋势的区段提供了预报，为施工单位及时调整支护参数以及合理确定二次衬砌时间提供了可靠的科学依据。通过大量量测发现隧道开挖及初期支护后大约30d围岩基本上稳定，于是建议施工单位及时施作二次衬砌。同时由于监控措施得当，及时的指导施工和修改设计，从而保证了隧道施工的安全、 经济 、收到了良好的效果。但由于监控量测工作是一项具体而又复杂的工作，在实际过程中尚需不断积累经验和完善相关理论，因此，对隧道监控量测及数据的整理分析及应用应该做好一下几点：

（1） 监控量测内容的选择，量测断面位置选择和量测测点的布置；

（2） 监控量测数据的采集和施工状态变化情况紧密结合，分析数据变化和施工状态的关系；

（3） 量测数据的应用，量测数据变化的准确分析和判断，量测信息的及时反馈，指导设计、施工和修改支护参数；

（4） 通过监控量测保证隧道安全，预防隧道塌方。

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