試論公路隧道施工監(jiān)控測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)施

1、    試論公路隧道施工監(jiān)控測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)施     摘要：連拱隧道在國(guó)內(nèi)作為一個(gè)新興的課題，尚處于由存在而論證其合理性的階段。結(jié)合目前隧道工程建設(shè)監(jiān)測(cè)工作的需要，對(duì)公路連拱隧道工程安全監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)、實(shí)施方法作了較為深入的研究；并對(duì)主要施工工藝以及施工動(dòng)態(tài)的分析，再結(jié)合隧道施工可能對(duì)周圍環(huán)境影響的分析，指導(dǎo)連拱隧道的信息化設(shè)計(jì)和施工，通過(guò)對(duì)連拱隧道主要施工工藝及施工控制的研究，擬解決隧道動(dòng)態(tài)施工力學(xué)問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：公路隧道；施工；監(jiān)控；測(cè)量 1 公路隧道施工監(jiān)控量測(cè)的必要性 隧道工程是一種特殊的工程結(jié)構(gòu)體系。從巖體力

2、學(xué)的角度看，它是處于與圍巖相互作用的體系之中的結(jié)構(gòu)物；從地質(zhì)力學(xué)的角度看，它是處于千變?nèi)f化的地質(zhì)體之中的工程單元體。在這樣的巖體或地質(zhì)體中，隧道必將受到周圍地質(zhì)環(huán)境的強(qiáng)烈影響；從結(jié)構(gòu)角度看，這種工程單元體是由周圍地質(zhì)休和各種支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即： 隧道結(jié)構(gòu)體系周圍地質(zhì)體支護(hù)結(jié)構(gòu)從隧道的這種復(fù)雜的力學(xué)發(fā)展過(guò)程，可以認(rèn)識(shí)到以下兩點(diǎn)： 第一，隧道工程如果作為一種工程結(jié)構(gòu)物看待，它的受力特點(diǎn)與地面工程有很大的差別。由于隧道工程是處于千變?nèi)f化的巖體之中，其所受外力是不明確的； 第二，隧道工程的成形過(guò)程，自始至終都存在著受力狀態(tài)變化這一特性。即隧道從開挖起，一直到受力平衡和體系穩(wěn)定，或者到結(jié)構(gòu)受損，圍巖內(nèi)部結(jié)

3、構(gòu)一直是在變動(dòng)，支護(hù)和襯砌的內(nèi)力和外形也在變動(dòng)之中。 2 公路隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)要求 2.1公路隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 施工監(jiān)控量測(cè)的項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件、圍巖類別、圍巖應(yīng)力分布情況、隧道跨度、埋深、工程性質(zhì)、開挖方法、支護(hù)類型等因素確定。 2.2公路隧道監(jiān)控量測(cè)要求 （1）能快速埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，隧道在開挖過(guò)程中，開挖土作面四周兩倍洞徑范圍內(nèi)受開挖影響最大。測(cè)點(diǎn)一般是開挖后埋設(shè)的，為盡早獲得圍巖開挖初始階段的變形動(dòng)態(tài)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)緊靠工作面快速埋設(shè)，盡早量測(cè)。 （2）每一次量測(cè)數(shù)據(jù)所需時(shí)間應(yīng)盡可能短。 （3）測(cè)試元件應(yīng)具有良好的防震、防沖擊波能力。 （4）測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確可靠、直觀，不必復(fù)雜計(jì)算即可直接應(yīng)用。

4、（5）測(cè)試元件在埋設(shè)后能長(zhǎng)期有效工作，應(yīng)有足夠的精度。 3 公路隧道監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施分析 隧道工程監(jiān)測(cè)的實(shí)施階段就是進(jìn)行儀器安裝和測(cè)讀的階段，因此需要編制相應(yīng)的監(jiān)測(cè)工程施工組織設(shè)計(jì)，需要收集并分析監(jiān)測(cè)工程設(shè)計(jì)文件、技術(shù)規(guī)范、儀器布置圖等資料，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，研究工程特點(diǎn)和施工條件，確定施工方案，編制進(jìn)度計(jì)劃。 3.1量測(cè)基準(zhǔn)值的確定 各種觀測(cè)儀器的計(jì)算都是相對(duì)計(jì)算，所以每個(gè)儀器必須有個(gè)基準(zhǔn)值?；鶞?zhǔn)值就是儀器安裝埋設(shè)后開始工作的觀測(cè)值，基準(zhǔn)值的確定是觀測(cè)的主要環(huán)節(jié)之一?；鶞?zhǔn)值確定的適當(dāng)與否直接影響以后資料分析的正確性，由于確定不當(dāng)會(huì)引起很大的誤斷。所以各量測(cè)項(xiàng)目應(yīng)十分重視初讀數(shù)的準(zhǔn)確性，因?yàn)榱繙y(cè)所得

5、的初讀數(shù)是判斷施工安全的基準(zhǔn)點(diǎn)。初讀數(shù)的取得往往需要經(jīng)過(guò)數(shù)次波動(dòng)之后才能趨于穩(wěn)定，測(cè)讀時(shí)必須是連續(xù)三次測(cè)得的數(shù)值基本一致后才能將其定為初讀數(shù)，否則應(yīng)繼續(xù)測(cè)讀，直至滿足要求為止。 3.2圍巖周邊位移量測(cè) 圍巖周邊各點(diǎn)趨向隧道中心的變形稱為“收斂”，所謂圍巖周邊收斂位移量測(cè)主要是指對(duì)隧道內(nèi)壁面兩點(diǎn)間連線方向的位移的量測(cè)，此項(xiàng)量測(cè)稱為“收斂”量測(cè)。收斂值為兩次量測(cè)的距離之差。收斂量測(cè)是隧道施工監(jiān)控量測(cè)的重要項(xiàng)目，收斂值是最基本的量測(cè)數(shù)據(jù)，是判斷圍巖動(dòng)態(tài)最主要的量測(cè)項(xiàng)目，必須量測(cè)準(zhǔn)確，計(jì)一算無(wú)誤。隧道工程施工比較強(qiáng)調(diào)圍巖變形，因?yàn)閹r體變形是應(yīng)力性態(tài)變化的最直觀反映，是隧道開挖時(shí)圍巖動(dòng)態(tài)、圍巖條件、支護(hù)

6、效果的綜合體現(xiàn)，是在隧道全長(zhǎng)進(jìn)行的重要量測(cè)項(xiàng)目。此項(xiàng)目的量測(cè)結(jié)果可用以判斷：周邊圍巖的穩(wěn)定性；確定支護(hù)時(shí)間、推算位移速率、最終位移值、初期支護(hù)的妥當(dāng)與否及襯砌、仰拱的灌注時(shí)間等。 初測(cè)觀測(cè)斷面應(yīng)盡可能靠近開挖掌子面，距離不宜大于1.0m。應(yīng)保證沿隧道軸線每類圍巖至少有一個(gè)量測(cè)斷面。一般情況下，洞口段和埋深小于兩倍隧道寬度地段，間隔510m一個(gè)量測(cè)斷面；其余地段可根據(jù)地質(zhì)條件，按規(guī)范要求布設(shè)斷面。對(duì)于地質(zhì)條件好且收斂值穩(wěn)定的隧道，可加大量測(cè)斷面的間距；對(duì)于圍巖較差，收斂值長(zhǎng)期不穩(wěn)定，開挖進(jìn)度快或采用分部開挖法施工的隧道，可縮小量測(cè)斷面的間距。 測(cè)點(diǎn)的布置要優(yōu)先考慮拱頂、拱座和邊墻，若圍巖局部有穩(wěn)

7、定性差的巖體，也應(yīng)該設(shè)置測(cè)點(diǎn)，遇軟弱夾層時(shí)，應(yīng)在其上下盤設(shè)測(cè)點(diǎn)。 圍巖位移有絕對(duì)位移和相對(duì)位移之分。絕對(duì)位移是指隧道圍巖或頂?shù)装寮皞?cè)端某一部位的實(shí)際移動(dòng)值，其量測(cè)方法是在距測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方設(shè)置一基點(diǎn)（該基點(diǎn)坐標(biāo)已知，且不再產(chǎn)生移動(dòng)），然后定期用經(jīng)緯儀自基點(diǎn)向?qū)崪y(cè)點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)，根據(jù)前后兩次觀測(cè)所得的標(biāo)高及方位變化，即可確定圍巖的絕對(duì)位移量。 應(yīng)當(dāng)根據(jù)洞室跨度的不同和所要求的精度的不同來(lái)選擇不同種類的收斂計(jì)。量測(cè)到的收斂值是指已知兩測(cè)點(diǎn)間在某一時(shí)間段內(nèi)距離的改變量，按下式計(jì)算： uR1R2vu/ttt1t2 式中：u，v，t-分別為收斂值、收斂速度、觀測(cè)時(shí)間間隔； R1，R2，t1，t2-時(shí)刻觀測(cè)值。

8、 須指出，按上式計(jì)算的數(shù)值，前后兩次觀測(cè)時(shí)的量測(cè)方法應(yīng)相同，必要時(shí)還需進(jìn)行鋼帶尺刻度和溫度的修正。 3.3拱頂下沉量測(cè) 隧道拱頂內(nèi)壁的絕對(duì)下沉量稱為拱頂下沉值，單位時(shí)間內(nèi)拱頂下沉值稱為拱頂下沉速度。拱頂下沉量測(cè)也屬位移量測(cè)，對(duì)于埋深較淺、固結(jié)程度低的地層，水平成層的場(chǎng)合，這項(xiàng)量測(cè)比收斂值量測(cè)更為重要，其量測(cè)數(shù)據(jù)是判斷支護(hù)效果，指導(dǎo)施工工序，保證施工質(zhì)量和安全的最基本的資料。 拱頂下沉量的大小，可通過(guò)凈空收斂觀測(cè)值利用計(jì)算的方法而得到，根據(jù)測(cè)線A， B， C的實(shí)測(cè)值并利用三角形面積換算求得。 3.4 圍巖內(nèi)部位移量測(cè) 隧道圍巖內(nèi)部位移量測(cè)是通過(guò)鉆孔位移計(jì)量測(cè)孔壁巖體不同深度的軸向位移。它不同于隧

9、道圍巖收斂觀測(cè)，后者僅能測(cè)到洞室凈空收斂變形，前者則能測(cè)到洞室圍巖內(nèi)不同深度上軸向變形。因此根據(jù)這些觀測(cè)資料，可分析判斷洞室圍巖位移的變化范圍和松弛范圍，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)圍巖穩(wěn)定性，為修改錨桿支護(hù)參數(shù)提供重要依據(jù)。因此，隧道圍巖內(nèi)部位移量測(cè)的主要口的是為了解隧道圍巖的徑向位移分布和松弛范圍，優(yōu)化錨桿參數(shù)，指導(dǎo)施工。 實(shí)踐證明，當(dāng)隧道開挖后，巖體固有結(jié)構(gòu)被破壞，塊體間阻力削弱而變形松弛，坑道圍巖應(yīng)力重分布，坑道周邊徑向應(yīng)力被釋放，圍巖內(nèi)通常形成塑性區(qū)，一方面使應(yīng)力不斷地向圍巖深部轉(zhuǎn)移，另一方面又不斷地向隧道方向變形并逐漸解除塑性區(qū)的應(yīng)力。這種向隧道方向的變形，一般在開挖后24h內(nèi)發(fā)展較快，而圍巖開挖初始

10、階段的變形動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)又在全部變形過(guò)程中占十分重要的地位，因此要求測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡快安裝，并在下一循環(huán)開挖前獲得初讀數(shù)。 圍巖內(nèi)部變形量測(cè)的設(shè)備，主要是使用位移計(jì)。 當(dāng)在鉆孔內(nèi)布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，就能分別測(cè)出沿鉆孔不同深度巖層的位移值。測(cè)點(diǎn)1的深度愈大，本身受開挖的影響愈小，所測(cè)出的位移值愈接近絕對(duì)值。 圍巖內(nèi)位移的量測(cè)多在軟弱、破碎或具有較大地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的圍巖內(nèi)進(jìn)行。這類圍巖本身力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，受力變形規(guī)律不易預(yù)測(cè)，支護(hù)比較困難。進(jìn)行圍巖內(nèi)位移量測(cè)，可以比周邊位移量測(cè)獲取更多的地層信息，特別是有關(guān)圍巖內(nèi)的信息，對(duì)分析圍巖的位移規(guī)律，并據(jù)此調(diào)整支護(hù)參數(shù)，或設(shè)計(jì)新的支護(hù)結(jié)構(gòu)大有助益。 實(shí)用中，一般根據(jù)量測(cè)結(jié)果，先繪

11、出位移-深度關(guān)系曲線（如圖2）和位移-時(shí)間關(guān)系曲線（如圖3）。 如果在兩相鄰測(cè)點(diǎn)間位移突然變化，則表明在此兩點(diǎn)間很可能有不連續(xù)位移發(fā)生，即松弛圍巖的界面在此兩點(diǎn)之間，調(diào)整支參數(shù)時(shí)，如有可能則應(yīng)使錨桿長(zhǎng)度超出此兩點(diǎn)。如果相鄰測(cè)點(diǎn)間位移變化比較均勻，且最深測(cè)點(diǎn)仍有較大變形，則表明圍巖受到擾動(dòng)范圍較大，僅靠調(diào)整錨桿長(zhǎng)度一般難以解決支護(hù)問(wèn)題；這時(shí)應(yīng)采取綜合治理措施，采用特殊的鋼支撐加錨噴（掛網(wǎng)）等方案進(jìn)行初期支護(hù)，并在必要時(shí)加大二次襯砌的強(qiáng)度與剛度。通過(guò)位移一時(shí)間曲線，如果掌握了圍巖內(nèi)部隨時(shí)間變形的規(guī)律，則可更好地用于指導(dǎo)施工，如確定復(fù)噴的時(shí)間和二次襯砌的施工時(shí)間。 其他實(shí)施項(xiàng)目，如地表下沉及邊坡滑移量測(cè)、錨桿力