浅谈隧道监控量测

摘要：随着我国高铁技术蓬勃发展，在山区铁路路建设中突破过去传统的修路思想，不破坏沿线生态环境，不增长公路里程，采用设置隧道避免因采取高边坡路基带来的滑坡、塌方、滚石、泥石流等自然灾害，确保了行车的安全可靠，亦缩短了行车时间，同时又适应了建设与自然的和谐发展。新奥法作为一种全新的隧道施工概念，其基本原理是运用各种手段 (开挖法——弱爆破，支护形式——早封闭，监控量测——勤量测)抑制围岩变形，最大限度地发挥围岩自身的承载能力．使隧道施工更安全、更经济。而隧道经济性与安全性就是通过现场监控量测所获得的围岩、支护系统的应变和应力信息及时反馈并应用于隧道设计和施工中来实现的。随着新奥法(NATM)在隧道施工中的广泛运用，现场监控量测作为新奥法的灵魂也越来越得到了广泛的重视。为了适应铁路隧道大规模建设发展的需要，提高公路隧道施工水平，确保施工安全，本设计通过对隧道监控量测过程中的监控测量内容、布点要求、必测项目的监控测量方法及内业数据分析进行详细陈述。

关键词：新奥法(NATM)；监控量测；灵魂；信息

U452.1+3

一、隧道施工监控量测内容

1.1 监控量测的目的

（1）通过施工和环境监测进行信息反馈及预测预报， 优化施工组织设计，指导现场施工，确保隧道施工的安全与质量和工程项目的社会、经济和环境效益。

（2）掌握围岩动态，了解支护结构在不同工况时的受力状态和应力分布，对围岩稳定性作出评价。

（3）验证支护结构型式、支护参数，评价支护结构、施工方法的合理性及其安全性，确定支护时间而监控量测是信息化设计与施工的重要内容。

1.2 监控量测要求

隧道监控量测是“新奥法”的重要组成部分，新奥法中量测工作是监视设计、施工是否正确的眼睛，是监视围岩是否安全稳定的手段，始终伴随着施工的全过程。因此有如下要求:

(1)能快速埋设测点；

(2)每一次量测数据所需时间应尽可能短；

(3)量测数据应准确可靠；

(4)量测元件应具有良好的防震、防冲击波能力；

(5)量测数据直观，不必复杂计算即可直接应用；

(6)测点埋设能长期有效工作；

(7)测量仪器和方法应满有足够的精度。

1.3 监控量测项目

监测的项目和具体内容按现行《铁路隧道施监控量测技术规程》TB10121-2007规定所拟定。监测项目包含如下内容：

(1)必测项目（见表1-1）

表1-1监控量测必测项目

(2)选测项目（见表1-2）

表1-2 监控量测选测项目

现场监控量测测点布置、频率按照本方案实施，并参考设计及规范。

1.4监控量测频率（见表1-3）

表1-3 隧道现场监控量测项目及量测方法

二、监控量测测点的布设

2.1 观测点的加工及埋设要求

观测点埋设时间要求：地表沉降监控量测要在开挖前取得观测点的初始值；净空收敛、拱顶下沉监控观测点要在开挖后12小时内按设计断面要求埋设好，初期支护后且在下一循环开挖前必须取得观测点的初始值。

（1）地表沉降测点预埋件（见图2-1）采用φ20mm的钢筋加40mm×40mm铁片制成，长250mm买点位置低洼处可适当加长钢筋，以在选定点架设仪器能观察到为宜；测点埋设：在测点布置的位置挖长、宽、深均为20cm的坑，然后放入地表沉降测点预埋件，测点四周用砼填实，砼固结后即可。

（2）拱顶下沉和净空变化量测点预埋件采用φ8mm的光圆钢筋加工成三角形焊于φ20mm螺纹钢筋端头，三角形为4cm的等边三角形，φ20螺纹钢筋长为38cm。（图2-1）测点埋设：开挖后采用手电钻，钻孔10cm，然后将制作好的量测点预埋件插入并用锚固剂锚好，再施做初期支护28cm，将测点预埋件包裹牢固。

图2-1量测点构造示意图

（3）测点埋设要牢固可靠，统一制作标示铭牌，标明里程和测点的编号。施工中注意保护，防止机械和人为破坏，量测点上不得悬挂其他任何物品。

2.2 测点的布设

2.2.1地表下沉

浅埋隧道地表沉降点应在隧道开挖前布设。地表沉降观测点和隧道内测点应布设在同一断面里程。

地表沉降量测点纵向布设表

注：H0为隧道埋深，B为隧道开挖宽度。

地表沉降量测点横向布设图

2.2.2拱顶下沉净空变化

拱顶下沉、净空变化量测点断面布设的间距为：Ⅲ级围岩30～50m，Ⅳ级围岩10～30m，Ⅴ级围岩5～10m，围岩变化处适当加密。可在各级围岩起始地段增设1～2组。

拱顶下沉量测测点布置在拱顶中线上与净空变化量测点在同一里程，净空变化量测点见下图：

三、 监控量测测点的观测

3.1洞内、外观察

3.1.1 工具

目测、使用罗盘仪、相机、手电筒等辅助工具。

3.1.2 洞内观察：

洞内观察分为开挖工作面观察和已施工地段观察。

（1）开挖工作面观察在每次开挖后进行，观察内容包括：

围岩岩质种类和分部状态，结构面位置的状态；

岩石的颜色、成分、结构、构造；

节理性质、组数、间距、规模、节理裂隙的发育程度和方向性，结构面状态特征，充填物的类型和产状；

断层的性质、产状、破碎带宽度、特征等；

地下水类型、涌水量大小、涌水位置、涌水压力、湿度等；

开挖工作面的稳定状态、有无剥落现象。观察中发现围岩条件恶化时，应立即采取相应处理措施。观察后应及时绘制开挖工作面地质素描图，同时进行数码成像，填写开挖工作面地质状况记录表并与勘察资料进行对比。

（2）对已施工地段的观察每天至少应进行一次，并做好记录。主要观察：

喷射混凝土是否发生剪切破坏；

有无锚杆脱落或垫板陷入围岩内部的现象；

钢拱架有无被压屈、压弯现象；是否有底鼓现象。

观察中发现围岩条件恶化时，应立即采取相应处理措施；观察后及时绘制开挖工作面地质素描图、数码照相，填写开挖工作面地质状况记录表，并与设计地质资料进行对比。

3.1.3洞外观察

洞外观察重点在洞口段和洞身埋置深度较浅地段，记录地表开裂、地表变形、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗漏情况，同时对地面建筑物进行观察。

3.2 地表下沉、拱顶下沉、净空收敛观测方法

3.2.1地表下沉观测：

采用高精度水准仪、铟瓦尺、或全站仪进行观测。

高精度水准仪适用于接触测量、全站仪适用于非接触测量。接触测量适合地形比较平坦、高差不大、上下方便、较安全地段、简便可靠、精度较高，施工干扰大、测量速度慢；非接触测量适合地形起伏较大、危险地段、悬空位置，施工干扰小、测量速度快、灵活、适应性强。

接触测量具体步骤：

从沉降区域外、调平高精度水准仪、后视基准点，采用水准测量的方法，把高程引到要观测的沉降观测点跟前；

根据断面设置里程位置、编号从小到大的原则，逐一前视测量各观测点高程；

沉降观测点测量完毕后、回到另一基准点进行闭合，计算闭合高程是否超限、合格，如超限查找原因进行补测；

合格后进行数据整理、分析计算得出本次测量成果；

本次测量成果与上次测量成果之差就得出本次地表下沉沉降量；

非接触测量具体步骤：

用全站仪自由设站和固定设站两种方法，后视沉降区域外的基准点或二等高程点，采用三角高程的测量方法把高程引到要观测的沉降观测点跟前；

根据断面设置里程位置、编号从小到大的原则，用全站仪十字丝照准沉降观测点上贴好的反射片中心逐一进行观测各点的三角高程、取各点连续观测三次的平均值作为该次的测量成果；

沉降观测点测量完毕后、观测第二个基准点，进行高程闭合，计算闭合高程是否超限、合格，如超限查找原因进行补测；

④坚持四固定原则，即测量人员固定、仪器固定、测站固定、测量顺序固定。其误差不得超过±0.5√N mm(N为测站数)。

3.2.2拱顶下沉、净空收敛变化观测

净空收敛变化观测采用接触量测方法，分为水平收敛和竖向收敛两种，

（1）水平收敛变化具体步骤：

使用检验合格的收敛仪，在初期支护复喷砼凝固后，先将收敛仪尺头的起端挂入左侧的净空变化观测点中；

将收敛仪的另一端尺头挂钩直接挂入右侧净空变化观测点中；中间将收敛仪拧紧达到水平状态、记录好本次拉力、然后读出收敛仪的读数；

连续三次读数、取其平均值作为该次测量结果；

检查测量数据的准确性、合格后进行数据整理、分析，计算得出本次测量成果；

⑤本次测量成果与上次测量成果之差就得出本次水平收敛变化值；（本次水平拉力与上次水平拉力相同）

（2）竖向收敛变化具体步骤：给水平收敛基本相同。不同之处在于分左右竖向对称两条斜测线。

四、数据评估与分析

4.1成果分析与信息反馈

(1)每次观测后现场计算位移发展增量，出现异常情况，重新测量排除操作失误后立即报告相关部门；

(2)每次测回数据交数据处理员输入计算机，进行位移增量、位移发展速率的计算，绘制位移～时间曲线（如图3）和位移发展速率～时间曲线（如图4），并应用函数拟合和灰色预测等方法进行位移发展短、长期预测；

(3)当隧洞周边水平收敛速度以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降，隧洞周边水平收敛速度小于0.1mm/d～0.2mm/d，拱顶或底板垂直位移速度小于0.07mm/d～0.15mm/d，隧道各项位移已达预计总量的80%～90%以上时，向有关部门报送二次衬砌施工报告。

图3位移～时间曲线图4位移发展速率～时间曲线

4.2监控量测信息反馈及工程对策

监控量测信息反馈根据监控量测数据分析结果，对工程安全性进行评价，并提出相应工程对策与建议。

4.2.1监控量测信息反馈程序按下图进行

4.2.2工程安全性评价及工程对策

4.2.2.1工程安全性评价流程图

4.2.2.2工程安全性评价

（1）极限相对位移

注：净空收敛变化指测点间净空水平变化值与距离之比，拱顶下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比。

（2）监控量测控制基准

①根据位移变化速度，净空变化速度持续大于5.0㎜/d时,表明围岩处于急剧变化状态,应加强初期支护系统,水平收敛(拱脚附近)速度小于0.2㎜/d,拱部下沉速度小于0.15㎜/d,围岩基本达到稳定。

②根据围岩回归位移时态曲线的形态，当围岩位移速度不断下降时表示围岩趋于稳定状态，当位移速度保持不变时表示围岩不稳定，当位移速度不断上升时，围岩进入危险状态，必须立即停止掘进，加强支护。

③位移控制基准

注：B为隧道开挖宽度，U0为极限相对位移值。

④根据监控量测结果按变形管理等级指导施工。

（3）位移管理等级

（4）工程安全性评价

（5)二次衬砌的施工应满足下列要求时进行:

①隧道水平净空变化速度及拱顶垂直位移速度明显下降;

②隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上;

③对浅埋、软弱围岩等特殊地段,应现场具体情况确定二次衬砌施工时间。

4.2.2.3工程对策

（1）一般措施：稳定开挖工作面措施；调整开挖方法；调整初期支护强度和刚度并及时支护；降低爆破振动影响；围岩与支护结构间回填注浆。

（2）辅助施工措施：地层预处理，包括注浆加固、降水、冻结等方法；超前支护，包括超前锚杆、管棚等。

报告提交

施工过程中应进行监控量测数据的实时分析和阶段分析。

（1）实时分析：每天根据监控量测数据及时进行分析，发现安全隐患应分析原因并提交异常报告；

（2）阶段分析：按周、月进行阶段分析，总结监控量测数据的变化规律，对施工情况进行评价，提交阶段分析报告，指导后续施工。

观测的数据记录在专用的表格上，原始记录表格存档以供需要时查用，所有数据均输入计算机。监控量测负责人负责每天出监测日报，每周周日出监测周报，每月月末出监测月报，必要时出专门分析简报。监测月报表提交给监理。

监控量测负责人参加工程现场会，汇报最近一段时期的监测情况，分析数据变化的趋势。

六、总结

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。

参 考 文 献

【1】关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知 （铁建设［2010］120号）

【2】铁路隧道工程施工技术指南 TZ024-800

【3】铁路隧道监控量测技术规程TB10121-2007

【4】高速铁路工程测量规范

【5】关于加强隧道监控量测的通知（云桂安质通【2010】35号）