沪昆铁路客运专线栋梁坡隧道监控量测应用技术

摘要：栋梁坡隧道作为沪昆铁路客运专线控制性工程之一，隧道穿越浅埋、山寨居民区、断层破碎带、采空区、顺层偏压等不良地质段，隧道工程地质与水文条件极为复杂，安全风险多。为确保隧道安全顺利穿越不良地质地段，在施工中将监控量测纳入工序管理，在隧道洞内、地表、敏感建筑物基础分别布设监测点，采用多种的监测仪器设备进行监测分析，为施工方案优化、支护参数调整、安全风险评估管理等方面的决策提供了重要依据。

关键词：隧道；浅埋；非接触测量；变形监测；技术

Abstract: pillar slope tunnel as one of shanghai-kunming railway passenger dedicated line controlling engineering, tunnel shallow buried, shanzhai residential, fault fracture zone, goaf, bedding bias and other adverse geological section, tunnel is very complex engineering geological and hydrological conditions, safety risk. Geological location, to ensure the smooth through the tunnel safety monitoring in construction into process management, within the tunnel hole, the surface, sensitive buildings foundation layout monitoring points, respectively, using a variety of monitoring instruments and equipment to monitor the analysis of the construction scheme optimization, parameter adjustment of support, safety risk assessment management decision to provide important basis.

Key words: tunnel; Shallow buried; Non-contact measurement; Deformation monitoring; technology

中图分类号： U45 文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1.工程概况

新建沪昆铁路客运专线栋梁坡隧道位于贵州省黔东南州三穗至凯里区间，隧道起讫里程为DK499+055～DK508+349，全长9294m，设计为单洞双线铁路隧道，线间距5.0m，隧道纵坡为“人”字形坡。栋梁坡隧道为全线控制性工程之一，是Ⅱ级高风险隧道，同时也是沪昆线贵阳以东段最长的隧道。为确保隧道的安全优质快速施工，隧道采用“长隧短打”的施工理念，栋梁坡隧道设计采用2座斜井、1座平导作为辅助坑道，包括进出口共有7个工作面共同组织施工。

2.工程特点

隧道洞身穿越青白口系清水江组地层，岩性为灰色中-厚层状变余砂岩、粉砂岩夹薄层状凝灰质板岩，洞身穿越3条高角度张扭性断层破碎带，构造较为复杂。隧道出口浅埋偏压，洞身2处是典型的超浅埋区段，最小埋深仅9.75m，地表有0～4m的风化残坡积土层，节理裂隙发育，富含地下水，穿越2处山寨居民区，山寨居民区建筑物木质结构房屋，抗倾斜、抗振动能力差。在施工过程中极易发生坍塌、突水突泥、偏压位移、地表沉陷、危害地面建筑物等安全风险。

隧道在施工过程中对沉降控制标准要求高，但是变形控制难，如何控制隧道围岩变形及地面沉降位移将是本隧道的难点和重点。为了确保隧道快速实现贯通以及地表构筑物安全稳定，在施工过程中将监控量测纳入工序管理，作为一项重要的工序来实施。施工期间通过对隧道初期支护和掌子面、浅埋段地表、隧道线路地表建（构）筑物等部位布设测点进行变形监测，以分析和掌握围岩变形稳定状态，以动态信息化指导现场施工，为施工方案的完善优化、支护参数的调整、安全风险管理等方面的决策提供了重要依据。

3.监控量测方法

隧道现场监控量测应由专人负责组织实施，根据规范和设计要求进行测点埋设、日常量测和数据处理，及时反馈信息，并根据地质条件的变化和施工异常情况，及时调整监控量测计划。监控量测主要包括洞内沉降、周边收敛、掌子面位移、地表沉降和位移、爆破振动等项目。洞内沉降监测非接触监测方法，采用高精度全站仪直接测量读数。掌子面位移是针对在贯通时或者掌子面极为不稳定时，采用应力计或深孔多点位移计对掌子面的围岩稳定性状态进行监测。地表监控量测是在洞身浅埋、洞口浅埋、偏压顺层等区段在开挖前埋设观测桩，采用精密水准仪、铟钢尺监测，基准点应设置在地表沉降影响范围之外。在隧道穿越敏感建（构）筑物时应对地面或建筑物进行爆破振动监测，通过爆破振动记录仪自动记录爆破振动速度和加速度，分析振动波形和振动衰减规律，以调整爆破的单段装药量和总装药量。

4.洞内监控量测

4.1 主要监测项目

栋梁坡隧道监控量测将洞内沉降、周边收敛变形作为必测项目和监测重点，洞口段、超浅埋、快贯通时围岩极不稳定区段应对掌子面核心岩土的位移进行必要的监测，其具体情况见下表。

表1 洞内监控量测项目及方法表

4.2 监测断面间距控制

一般情况下Ⅴ级围岩量测断面间距不得大于5m，Ⅳ级围岩量测断面间距不得大于10m，Ⅲ级围岩量测断面间距20～30m，特殊地段必要时应增加监测断面点位。

4.3 监测点埋设

在隧道喷锚支护施作后，最好在开挖后24h内、下一循环开挖前，拱顶沉降点埋设在中线顶部，两侧收敛点在同一里程断面、同一水平线上，监测收敛点分别在上、下台阶各设置一组。布点时可采用风钻钻孔，监测桩必须深入拱圈围岩不小于30cm，监测点采用φ22钢筋，外露10cm，埋点前将钢筋埋设外露端头用切割机切成45°斜平状或者焊接一个角钢，然后用砂浆或锚固剂固定，端头斜面背向掌子面，待点位凝固稳定后，将反射膜片贴在钢筋头斜面上，完毕后在监测点旁边标识详细显目的监测断面里程牌。

4.4 量测方法

埋点完成后，将取初始观测值，监测仪器采用高精度全站仪，精度达到0.1mm，监测时将拱顶沉降原始观测高程值为H0，两侧收敛点的坐标读数记录下来，包括纵向里程（Y0）、横向支距（X0）、竖向高程（Z0）三维坐标全部记录下来。监测量测方法为非接触测量，每次量测时采集数据不少于三次，取平均值为该次观测读数。

4.5 监测变形值计算

4.5.1拱顶沉降变形

其中累计沉降变形量为：ΔH= Hn—H0

式中ΔH为累计变形量，Hn为最后观测值，H0为初始观测值。

当日（或单位时间段内）沉降变形量为：Δh=Hn—Hn-1，式中Δh为当日（或单位时间段内）沉降变形量，Hn本次观测值，Hn-1为上次观测值。通过该数据还可以计算围岩变形速率，即

υ=Δh/t=（Hn—Hn-1）/t

式中υ为变形速率，t为两阶段时间差，将变形速率求出后，可以根据数据分析应力变化趋势及掌握围岩的稳定状态。

4.5.2周边收敛变形量测

栋梁坡隧道开挖断面最大达到154.61m2，工程地质条件差，在隧道施工中采用“以大化小”的理念，灵活采用微台阶法短台阶控制、台阶法加临时仰拱、台阶法加临时横撑、三台阶七步法等施工。

台阶法施工可以直接按照对边测量进行收敛监测，采集数据。如按照分部开挖法，两侧齐头不在同一断面上时，对围岩收敛监测时按照传统的收敛仪监测实施起来难度大，很难进行现场实际操作。但是在栋梁坡隧道施工过程中，结合实际情况，对隧道边墙监测点根据施工先后埋设，采用非接触测量分别对围岩监测点的坐标位移监测，建立围岩监测点的三维坐标体系，将纵向里程（Y0）、横向支距（X0）、竖向高程（Z0）等三维坐标全部进行监测记录，待两侧施工完成后再将各点变化值累加统计收敛量。监测过程中按照监测频率及技术规范进行，围岩变形位移量可根据监测坐标变化状态进行计算，并分析结论以评估周边围岩变形及稳定状态。

4.5.3掌子面位移监测

为准确了解掌子面围岩变化情况，在栋梁坡隧道贯通前、或者在洞口、洞身浅埋区段，可以通过在掌子面布设位移观测点，采用应力计、应变计或多点位移计埋设在围岩内部，对面围岩变形位移情况进行监测，以获取前方核心岩土的稳定性状态，关注掌子面的岩土变形掌子以拟定超前加固措施及参数。

5.地表监控量测

5.1 地表沉降位移监测

在隧道洞身穿越超浅埋、地表山寨居民区、洞口浅埋、偏压顺层区段时，地表沉降监测要严格控制。穿越山寨居民区段的建筑物主要为木质结构，抗震能力差。通过对隧道中线上方地表两侧各50m范围建（构）筑物的详细调查，并测量隧道上部建筑物基础的覆盖层厚度、隧道埋深情况。在隧道两侧布设地面沉降监测测网，洞内与地表的沉降观测点尽量布置在同一断面上，以便掌握变形关系及规律。量测原则是：观测断面超前隧道开挖掌子面，超前距离按太沙基理论计算而定，一般为20～30m，对浅埋和偏压顺层要求对坡面移位、沉降监测。

对于穿越敏感建筑群区的地段，地表沉降沿隧道纵向在建筑物周围布设观测点并及时观测，通过观测洞内拱顶下沉和围岩变形均在6～10天左右基本达到稳定状态，累计变形量基本在18mm以内，地表下沉最大累计也在5mm以内，对地表的建筑物未造成任何影响。

5.2 爆破振动监测

由于栋梁坡隧道是采用钻爆法开挖，地面建筑物主要为木质瓦房结构，大部基础薄弱或无基础，基础一有扰动，房屋极易产生不均匀沉降及倾斜。为了取保安全下穿敏感建筑群区，施工期间专门进行现场爆破震动监测分析，以调整循环进尺、单段装药量和总装药量、支护参数等，以确保地面建筑物安全稳定。

6.监测数据分析处理

监测数据取得后，应及时进行校对和整理，同时应注明开挖方法、施工步序和开挖面距监控量测点距离等信息，浅埋段应将地表和洞内监测数据相结合分析。监控量测数据可采用指数模型、对数模型、双曲线模型、分段函数经验公式等分析计算，并预测最终变形值。依据时态曲线的形态对围岩稳定性、支护结构体系的工作状态、对周围环境的影响程度进行判定，验证和优化设计参数，指导施工。

7.结论

7.1传统的监测方法是利用收敛仪直接量测两点之间长度的变化，要利用装载机设备辅助监测，特别是大断面隧道，开挖以后采用即使辅助措施也难以对拱顶及拱腰部位进行量测，量测过程安全隐患多，难以操作，且影响施工作业。采用反射膜片非接触测量有利于监控点的保护，用全站仪自带的软件及功能可直接量测，操作高效，监测数据准确。

7.2在监控量测实施过程中，要认真保护好监测点，由于其他因素导致监测点被破坏的，要及时将点补上并读取数据，以确保数据的连续性。

7.3对于紧邻建筑物的浅埋暗挖大断面隧道施工，控制沉降是首要而又关键的问题。施工中严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测、紧衬砌”等原则，控制好掌子面、仰拱、二衬之间的安全距离。

7.4 对于隧道穿越浅埋、断层破碎带、沟谷、居民区等区段时，要密切监测地表沉降、沟内和人居饮用水井的水位变化情况，防止因地下水流失而导致地表沉降危及建（构）筑物的安全，必要时应进行爆破振动监测，以调整循环进尺和单段炸药耗量。

7.5施工过程中应合理选择施工方法，根据经验和现场监测数据分析，一般浅埋隧道围岩变形量较大的主要是掌子面开挖前、上台阶开挖、下台阶开挖、仰拱开挖等时段，一定严格按照规范进行施工，保证支护结构的质量。

7.6 对于浅埋地段施工，一般拱部围岩风化程度较大或者岩土松散，应在拱架上埋设应力计或拱脚、拱墙处增加沉降收敛监测点。

7.7 在斜井、平导与正洞交汇处施工时，由于工序较多、工序转换频繁，施工过程中一定要在斜井洞身、交汇处门架、正洞洞顶等敏感地段多布置监控量测点，以及时掌握围岩应力变形和支护结构稳定性状态。