基于监控量测技术实现马金岭隧道的动态设计与施工

基于监控量测技术实现马金岭隧道的动态设计与施工

张　胜　刘志楠

（安徽省公路勘测设计院　合肥　230041）

摘　要　文章阐述了马金岭隧道的现场监控量测技术；根据现场采集的数据及地质条件等基本信息，分析了典型断面施工中的围岩稳定性，并判断围岩稳定程度和支护结构的受力状态，对围岩应变和应力峰值变化的发展情况进行了详细讨论；为优化施工方法及结构设计提供准确的变形和应力等参数，从而实现隧道动态设计与施工。

关键词　公路隧道　监控量测　动态设计与施工

由于新奥法隧道设计施工的科学性和先进性，在公路隧道工程中得到了广泛运用^［1］。监控量测技术是现代隧道新奥法施工的重要组成部分，是监控围岩与结构稳定性的重要手段，是施工管理中不可缺少的重要环节^［2］。在施工过程中，一旦遇到溶洞、断层、破碎带、流砂、涌水及围岩较大变形等不良地质现象，往往需要当机立断做出决策，及时改变开挖作业方式，随着地质变化而不断调整支护参数，称为动态设计；依据监控量测数据及实际开挖过程中的地质描述，在现场及时做出决策，改变施工方法或者调整支护结构，以适应地质条件变化的施工工序，称为信息化施工^［3］。在公路隧道新奥法施工中必须及时进行量测和信息反馈来修正设计参数，以达到动态反馈设计和高效施工的目的^［4］。在施工过程中，对围岩受力和变形进行了跟踪量测，可积累必要的基本数据，加以系统分析，并及时反馈于施工中，为隧道在不同地质条件下合理的选择开挖方法、支护方式、支护时间提供科学的依据；为变更设计、修改支护参数和指导施工提供直接信息。

1　工程概况

马金岭隧道是黄塔（桃）高速公路中最长的一座分离式双车道隧道，右线隧道长3 380 m，左线隧道长3 325 m，沿线均为山岭、沟谷，隧道洞口地势极为陡峭；隧址区位于硬质火成岩中低山区之花岗岩、变质火成岩窄谷亚区（V₉）具有中山微地貌特征，地面标高397～920 m，洞口段属于浅埋段，北坡山体地形零乱，起伏较大，自然坡度大于50°；南坡地形较规则，山体自然坡度40°～45°。隧址区发育的地层主要有：第四系全新统残坡积、元古界井潭组英安岩，上元古界南田元钾长花岗岩。本隧道特点为地形较复杂，交通极其不便；施工难点在于洞口段坡面残积土层仅薄层堆积（1～2 m），其下基岩为全—强风化层较厚（约10 m），二者构成的松散层在隧址区比较突出，对隧道洞门开挖造成明显影响，易产生工程垮塌。隧道支护^［6］设计主要参数见表1。

表1　马金岭隧道支护预设计主要参数

2　现场监控量测

2．1　量测目的和意义

①施工中围岩和支护的力学状态，按照动态管理量测断面的信息，正确而经济的施工，以确保施工安全，实现信息化施工管理。

②根据隧道开挖后围岩稳定性的施工信息，进行综合分析，检验施工预设计。把信息反馈给设计，以达到实现隧道动态设计的效果。

③数据经过分析处理与必要的计算和判断，预测和确认围岩最终稳定时间。分析得出进行二次衬砌的最佳时间。

④根据积累的资料及监测成果可以作为以后施工和设计的依据。

2．2　监测内容

在马金岭隧道中，监测内容分必测项目和选测项目。其中必测项目包括：地质和支护状况观察、拱顶下沉量测、周边收敛量测和地表下沉量测。选测项目包括：锚杆抗拔力、锚杆轴力量测、钢支撑内力、围岩与初支压力、初支与二衬压力、二次衬砌应力和初支混凝土内应力。本文对地表下沉、拱顶下沉及周边收敛进行详细的分析与论证，并对选测项目给出监控量测的结论。

3　监控量测数据分析

3．1　方法采集要求

监测数据采集的连续性尤为重要，所以要求隧道开挖后马上布置观测断面，以确保数据采集的及时性、准确性及有效性。马金岭隧道必测项目数据采集采用高精度全站仪和收敛计，选测项目采用频率计及相关仪器。其量测仪器和量测频率见表2^［5］。量测数据由于偶然误差的影响具有离散性，现场采集的数据不可避免的存在误差，量测散点在曲线图中呈上下波动状态。监控量测数据一般不具有线性关系，因此，在分析整理数据的过程中，必须应用数学方法对现场采集的围岩收敛数据进行回归分析。某些特殊情况下，应该根据优化法的基本原理，采用一种适用于一般非线性函数回归分析的最小二乘迭代法，找出隧道围岩变形随时间变化的规律。

表2　监控量测项目量测频率表

注：S为距掌子面距离，B为隧道断面宽度

3．2　地表下沉分析

马金岭隧道进出口属于浅埋地段，洞口段最小埋深小于10 m；为Ⅴ级强风化钾长花岗岩，节理裂隙较发育，碎裂散体结构，因此，设计中采取Ⅴ级加强衬砌，采用超前注浆管棚施工；采用上下台阶法进行施工；施工过程中，地表下沉的观测数据及时而准确地提供给施工单位，使得马金岭隧道顺利进洞开挖。本次监测只在洞口端设置地表下沉观测断面，根据长期现场监测表明，左右洞出口地表下沉随着隧道开挖的进行逐步趋于稳定，其中观测时间段内，日变化量没有出现较大的变化；最小沉降点为右洞出口A2点，最小累计变化量只有－1 mm，最大沉降点为左洞出口A6点，最大累计变化量－14 mm。地表下沉监测示意图如图1和图2所示。地表下沉变化曲线图如图3和图4所示。

从长期监测数据表明地表下沉主要分为以下几个阶段：

①前期沉降阶段：指开挖进洞到达测点前发生的沉降，沉降量约为总沉降量的20%，影响范围一般为1～2倍洞径。

②快速沉降阶段：发生在开挖面距离3倍洞径范围，沉降量约为总沉降量的60%。

③沉降收敛阶段：发生在测点下方开挖面后方4～9倍洞径范围，沉降量约为总沉降量的20%。

图1　左线出口ZSK27＋045断面地表下沉监测断面示意图

图2　右线出口SK26＋940断面地表下沉观测断面示意图

图3　左线出口ZSK27＋045断面地表下沉变化曲线图

图4　右线出口SK26＋940断面地表下沉变化曲线图

本隧道地表下沉监测数据揭示，针对预设计方案，预留变形量可适当减小，洞口段超前注浆管棚长度及数量可适当减小，为隧道设计积累相关数据信息。

3．3　拱顶下沉及周边收敛分析

马金岭隧道拱顶下沉及周边收敛断面布置原则为：Ⅴ级围岩地段监测断面间距为20 m；Ⅳ级围岩地段监测断面间距为30 m；Ⅲ级围岩地段监测断面间距为40 m；Ⅱ级围岩地段监测断面间距为50 m。

实例1：选择Ⅳ级围岩一般衬砌段SK26＋880典型断面作为分析实例，本里程段采用上下台阶法施工；隧道设计施工预留变形量为9 cm。为分析沉降规律，采用对数形式进行回归分析，并预测出最终沉降值及收敛值，以此作为净空预留量的参考值。及时调整设计净空预留量，根据隧道实际开挖情况可以及时优化相关设计参数。拱顶下沉和周边收敛曲线及其对数拟合曲线如图5和图6所示。

以上断面是经过两个多月数据采集并利用对数函数进行回归分析。表3为利用对数进行拱顶下沉回归分析所得数据，表4为利用对数进行周边收敛回归分析所得数据。

图5　Ⅳ级围岩SK26＋880典型断面周边收敛曲线图

图6　Ⅳ级围岩SK26＋880典型断面拱顶下沉变化曲线图

从表2回归分析结果可得：截距ln a＝3．106 805，则a＝22．349 5，b＝4．022 143代入指数函数：

可以得到拱顶下沉观测数据回归方程：

由回归方程（2），取t＝∞，可得拱顶下沉的最终值u＝22．349 5 mm。

同理，按求得拱顶下沉最终值步骤，根据表3可以求得周边收敛的最终值u′＝17．491mm。

表3　拱顶下沉对数回归分析表

表4　周边收敛对数回归分析表

从监测断面数据显示Ⅳ级围岩地段隧道拱顶下沉及周边收敛主要经历3个阶段：第1阶段为开挖后1～15 d为变形加速阶段，速率约为1．2 mm/d；第2阶段为开挖后15～30 d为缓慢变形阶段，变化速率约为0．8 mm/d；第3阶段为开挖30 d后为收敛阶段，变化速率小于0．5 mm/d，变形基本趋于稳定，拱顶最终下沉累计变形量小于30 mm。周边收敛最终累计变形量小于20 mm。监测数据显示，对于上下台阶法开挖的隧道，上台阶开挖阶段是围岩变形的主要阶段，下台阶开挖阶段是围岩变形的次要阶段。

3．4　其他相关选测项目分析

为和上例互相验证，给出围岩接触压力和钢支撑内力两个选测项目监测结果。围岩接触压力量测测试结果显示：围岩受力阶段主要集中在上台阶开挖阶段，下台阶开挖阶段受力较小；拱顶测点接触压力最大，拱腰测点较小，最大值达到0．458 MPa，围岩在开挖一个月以后，受力达到稳定状态。钢支撑内力测点显示：钢支撑受力主要阶段也集中在上台阶施工阶段，下台阶施工阶段受力变化较小；拱顶所受内力最大，30 d后受力趋于稳定，其稳定值在25 kN。与拱顶下沉和周边收敛趋于稳定变化阶段基本一致，达到了互相验证的效果。

4　信息反馈实现动态设计与施工

选择Ⅲ级围岩ZSK26＋800典型断面作为另一分析实例2，隧道设计施工预留变形量为5 cm。算法同上，并与实例1对比不同级别围岩最终拱顶下沉和周边收敛情况，可得出此典型断面拱顶下沉最终值为16．983 2 mm，周边收敛最终值为20．952 4 mm。

通过监测数据分析，对照实例1和实例2得出结论并反馈给施工和设计，从而实现动态设计与施工：Ⅳ级围岩实际监测数据拱顶下沉及周边收敛均在30 mm以内；Ⅲ级围岩实际监测数据拱顶下沉及周边收敛均在25 mm以内；验证了设计参数的合理性，Ⅳ级围岩一般衬砌段和Ⅲ级围岩衬砌段在设计时预留变形量分别为90 mm和50 mm；此预留变形量能够满足实际施工要求；考虑施工水平的进一步提高，施工误差有可能进一步减小，则对于Ⅳ级和Ⅲ级花岗岩衬砌段两车道隧道的预留变形量可适当减小。最大允许位移值与地质条件、埋深、开挖方法、断面尺寸及支护参数有关；二次衬砌一般是在初期支护变形稳定后施作，可以减小围岩对衬砌的作用力。通过监测初期支护长期不能收敛地段，应对初级支护参数加强调整，然后施作二次衬砌。监控量测信息及时反馈施工可以保证施工开挖循环进尺、支护参数、预留变形量和二次衬砌施作时间提供依据，使其起到动态施工、优化设计的作用。

5　结论及建议

根据监控量测数据分析和隧道施工现场监控量测的情况得出以下结论和建议：

①隧道是百年工程，在建设和运营过程中都存在不确定性的影响因素，监测断面及点位布置应具有代表性和重点性，监控量测数据的采集应保证及时性和连续性，对于围岩较差地段应该加大监测频率。

②施工过程中建立监控量测是保证施工安全的必要手段；对围岩及支护结构状态有了充分了解；用科学的态度掌握隧道施工，取得了对隧道施工的主动权，保证了马金岭隧道的施工质量和进度。

③为了发挥围岩的自身承载力，隧道开挖后，针对不同级别的围岩，根据监测提供的成果，选择最佳支护时间和二次衬砌时间。

④施工过程中应根据现场监控量测指导施工，不应盲目改变支护参数。

参考文献

［1］温玉辉．公路隧道施工监控量测手段及测试元件埋设方法［J］．地下工程，2006：21-25．

［2］李言芳．隧道施工过程中的监控量测［J］．山西交通科技，2000，（增刊1）：51-53．

［3］顾延元，魏波．北茹隧道开挖过程中围岩稳定的监控量测［J］．隧道及地下工程，1997，18（1）：47-52．

［4］张胜，王飞，等．黄山至塔岭和小贺至桃林高速公路施工图［R］．安徽省公路勘测设计院，2005．