张家湾隧道围岩监控施工总结

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摘要：本文通过对巴达铁路张家湾隧道围岩监控施工技术方案的总结，希望能为今后隧道施工的同行提供参考。

关键词：张家湾隧道围岩监控 总结

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

1、工程概况

张家湾隧道设计为单线隧道，全长3758m，中心里程DK42+664。进口里程为DK40+785，出口里程为DK44+543。本隧道坡度为5‰纵坡。

隧道围岩分为Ⅲ～Ⅴ级：其中Ⅲ级围岩1744m；Ⅳ级围岩1865m；Ⅴ级围岩149m。

隧道出口边仰坡采用锚网喷防护。按新奥法施工，采用光面爆破及湿喷技术。Ⅲ级围岩地段采用全断面法开挖，Ⅳ、Ⅴ级围岩地段采用台阶法开挖，锚网喷初期支护，拱墙一次衬砌。

2、技术要求

隧道监控量测的项目可分为必测项目和选测项目两大类。

必测项目一般包括：

⑴洞内、外观察；

⑵二次衬砌前净空变化；

⑶拱顶下沉；

⑷地表下沉（浅埋隧道必测，H0≤2b时）；

⑸二次衬砌后净空变化；

⑹沉降缝两侧底板不均匀沉降；

⑺洞口段与路基过渡段不均匀沉降观测。

选测项目根据具体情况而定：⑴地表下沉（H0≥2b时）；⑵隧底隆起等。

3、施工要求

3.1测点布置

洞顶地表下沉量测断面布置7个点（中间一个，2米一个，4米一个，5米一个对称布置）

洞内周边收敛量测布置4条（2条水平测线，2条斜测线）。

拱部下沉、底部上拱、填充面下沉1个断面各布置1个点。根据开挖方法不同，拱顶下沉和底部上鼓点应采用不同的布置方式，测点应根据施工情况进行合理布置，并能反映围岩、支护稳定状态，以指导施工。

净空变化，拱顶下沉和地表下沉（浅埋地段）等监控必测项目，应设置在同一断面。

3.2测点设置要求及测设工具

周边位移量测以水平相对净空变化值的量测为主，水平净空变化量测线的布置应根据施工方法、地质条件、量测断面所在位置、隧道埋置深度等条件确定。拱顶下沉量测断面的位置在每一断面宜布置1～3个点。若地质条件复杂，下沉量大或偏压明显时，应同时量测拱腰下沉及基底隆起量。监控量测点必须及时埋设，开挖支护后2小时内读取初始数据。监控量测点要设置标识牌，标示里程、设点时间、责任人等相关信息。坑道周边收敛计可选铰弹簧式或重锤式，拱顶下沉量测采用水平仪、水准仪和挂钩钢尺等，有条件时可采用激光隧道断面监测仪进行量测。变形量测可采用单点或多点式锚头和传力杆，配以机械式百分表或点测位移计。

3.3量测方法

⑴水平收敛量测方法

水平相对净空变化的量测首先要求将预埋件按要求的时间及方法埋设，然后进行仪器的安装(如下图所示)。

当仪器安装完成后，利用弹簧秤、钢丝绳、滑管给钢尺施加固定的水平张力(弹簧秤拉力90N)，并在百分表读得初始数值X0；因第一次量测的初始读数是关键性读数，应反复测读；当连续量测3次的误差R≤0.18mm(R值根据收敛计不同而异)时才能继续爆破掘进作业。用同样方法可读得间隔时间t后的t时刻的Xi值，则t时刻的周边收敛值Ut即为百分表两次读数差：

Ut=L0～Lt+Xtl～Xto

式中：L0——初读数时所用尺孔刻度值；

Lt——t时刻时所用尺孔刻度值；

Xtl——t时刻时经温度修正后的百分表读数值，

Xtl= Xt+εt

Xto——初读数时经温度修正后的百分表读数值，

Xt0= X0+εt0

Xt——t时刻量测时百分表读数值；

X0——初始时刻百分表读数值；

ε——温度修正值，

εt=α(T0～T)L

α——钢尺线膨胀系数；

T0——鉴定钢尺的标准温度，T0=20℃；

T——每次测量时的平均气温；

L——钢尺长度。

⑵拱顶下沉量测方法

拱顶下沉量测采用水准测量法进行，后视点可设在稳定衬砌上，用水平仪进行观测(如下图所示)。将拱顶初始相对高差与t时刻相对高差相减变得拱顶下沉量，即：Ut=(Q0+P0)～(Q+P)=(Q0～Q)+(P0～P)。若Ut为正值，则表示拱顶下沉；若Ut为负值，则表示拱顶向上位移。

3.4监测资料整理、数据分析及反馈

监控量测数据的计算分析主要包括以下内容：

⑴拱顶下沉、净空收敛的位移量，绘制时态曲线。

⑵围岩压力与支护间接触压力值，绘制时态曲线和断面压力分布图。

⑶初期支护、二次衬砌应力（应变）值，绘制时态曲线，反算结构内力并绘制断面内力分布图。

⑷地表沉降值，绘制横向和纵向时态曲线曲线。

⑸孔隙水压力值，绘制孔隙水压力的时态曲线及孔隙水压力与深度的关系曲线。

⑹爆破振动速度，绘制振动速度与测点至震源距离关系曲线。

现场量测所取得的原始数据，不可避免的会具有一定的离散性，其中包含着测量误差。因此，应对所测数据进行一定的数学处理。数学处理的目的是：将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确定量测数据的可靠性；探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化的规律，判定围岩和初期支护系统稳定状态。

在取得监测数据后，及时由专业监测人员整理分析监测数据。结合围岩、支护受力及变形情况，进行分析判断，将实测值与允许值进行比较，及时绘制各种变形或应力～时间关系曲线，预测变形发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况，并将结果反馈给设计、监理，从而实现动态设计、动态施工。

目前，回归分析是量测数据数学处理的主要方法，通过对量测数据回归分析预测最终位移值和各阶段的位移速率。

每次测量时要做好详细的量测记录，记录内容包括日期、时间、里程编号、环境温度、量测数据等，并及时根据现场测量数据绘制时态曲线和空间关系曲线。当位移时间曲线趋于平缓时，及时进行量测数据的回归分析，以推求最终位移和掌握位移变化的规律。目前，常采用的回归函数有：

对数函数U=A+Bln(t+1)

U=Aln()

指数函数U=Ae～B/t

U=A(e～Bt0～e～BT)

双曲函数U=A

式中：U—变形值(mm)；

A、B—回归系数；

t—量测时间(d)；

t0—测点初读数时距开挖时的时间(d)；

T—量测时距开挖时的时间(d)。

具体方法如下：

(1)将量测记录及时输入计算机系统，根据记录绘制纵横断面地表下沉曲线和洞内各测点的位移u～时间t的关系曲线，见图4。

图4位移u～时间t的关系曲线图

(2)若位移～时间关系曲线如上图中b所示出现反常，表明围岩和支护已呈不稳定状态，加强支护，必要时暂停开挖并进行施工处理。

(3)当位移～时间关系曲线如上图中a所示趋于平缓时，进行数据处理或回归分析，从而推算最终位移值和掌握位移变化规律。

(4)各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定后，进行二次衬砌的施作。

3.5监控量测管理

围岩稳定性的综合判别，应根据量测结果按以下方法进行。

⑴按变形管理等级指导施工，见表2。

表2 变形管理等级

⑵根据位移变化速度判别

净空变化速度持续大于5.0mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护。

水平收敛（拱脚附近）速度小于0.2mm/d，拱顶下沉速度小于0.15mm/d，围岩基本达到稳定。

在浅埋地段以及膨胀性和挤压性围岩等情况下，应采用监控量测分析判别。

⑶根据位移时态曲线的形态来判别

当围岩位移速率不断下降时（du2/d2t＜0），围岩趋于稳定状态；

当围岩位移速率保持不变时（du2/d2t=0），围岩不稳定，应加强支护；

当围岩位移速率不断上升时（du2/d2t＞0），围岩进入危险状态，必须立即停止掘进，加强支护。

围岩稳定性判别是一项很复杂的也是非常重要的工作，必须结合具体工程情况采用上述几种判别准则进行综合评判。

⑷工程安全性评价应根据表2要求的位移管理等级进行，并采用表3相应的工程对策。

表3工程对策

4. 监控量测质量控制

4.1技术措施

⑴根据隧道地质情况、施工方法、断面情况制定监控量测实施方案，制定监控量测控制基准值，成立监控量测工作小组，及时掌握使用先进仪器设备。

隧道开挖后应及时进行地质素描及数码成像，必要时进行物理力学试验。当浅埋隧道上方有地面建筑物、地下管线时，而且需要钻爆法开挖时，应进行爆破振动监测。

⑵隧道开挖时要及时对工作面地质变化和围岩稳定情况观察，察看喷射混凝土、锚杆和钢架等的工作状态，发现异常时立即采取相应处理措施。浅埋地段要做好洞顶地面观察和沉降监测。

⑶测点应在开挖面施工后及时安设，并尽快取得初读数，测点布置应牢固可靠、易于识别，并注意保护，拱顶下沉和地表下沉量测基点应与洞内或洞外水准基点联测，每15～20d应校核一次。

⑷净空变化和拱顶下沉点布置在同一断面上，测点断面间距根据地质条件、隧道结构形式、开挖支护方式等确定，一般Ⅲ级围岩不大于30m，Ⅳ级围岩不大于10m、V级围岩不大于5m。

⑸必测项目监控量测频率：按位移速度≥5mm/d，测2次/d，在1～5mm/d，测1次/d，在0.5～1mm/d，测1次/2～3d，在0.2～0.5mm/d，测1次/3d，在＜0.2mm/d，测1次/7d。隧道结构应力、应变监测频率根据设计和施工要求及反馈结果确定。

⑹监测结果分析采用散点图（时态曲线）和回归分析法，依据时态曲线的形态结围岩稳定性、支护结构的工件状态安全性评价，并提出实施意见指导施工。

⑺当拱顶下沉、水平收敛速率达5mm/d或位移累计达100mm时，应暂停掘进，并及时分析原因，采取处理措施。

⑻当采用接触量测时，测点挂钩应做成闭合三角形，保证牢固不变形。

4.2管理措施

⑴将监测管理及监测实施计划纳入施工生产计划中，作为一个重要的施工工序来抓，并保证监测有确定的时间和空间。各施工单位应由工程技术管理中心组成专门监测小组，具体负责各项监测工作。

⑵制定切实可行的监测实施方案和相应的测点埋设保护措施，并将其纳入工程的施工进度控制计划。

⑶施工监测紧密结合施工步骤，监控每一施工步骤对周围环境、围岩、支护结构、变形的影响，据此优化施工方案。

⑷积极配合监理、设计单位做好对监测工作的检查、监督和指导，及时向监理、设计单位报告情况和问题，并提供有关切实可靠的数据记录，工程完成后，根据监测资料整理出标段的监测分析总报告纳入竣工资料中。

⑸量测项目人员要相对固定，保证数据资料的连续性。量测仪器专人使用、专业机构保养、专业机构检校。量测设备、元器件等在使用前均经过检校，合格后方可使用。

⑹测试完毕后检查仪器、仪表，做好养护、保管工作，及时进行资料整理及信息反馈。

5结束语

希望此技术总结能为隧道进洞施工安全取到参考指导作用。