張海剛

(中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037)

在隧道現(xiàn)代信息化建設(shè)中，監(jiān)控量測(cè)的作用尤為突出，它直接影響到隧道的結(jié)構(gòu)形式、支護(hù)參數(shù)、施工方法、工期、造價(jià)等。然而，傳統(tǒng)的圍巖變形量測(cè)方法，在鐵路客運(yùn)專線大斷面隧道施工中，由于測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，抗施工干擾能力差，測(cè)量結(jié)果誤差大等因素，已不能滿足隧道快速、安全施工的需要，測(cè)量精度也得不到保證。

為了解決傳統(tǒng)量測(cè)方法存在的問(wèn)題，確保監(jiān)控量測(cè)工作正常、有效開(kāi)展，馬家莊隧道采用非接觸量測(cè)方法，既滿足了施工需要，測(cè)量精度也能滿足施工要求，為隧道施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度提供了準(zhǔn)確有力的技術(shù)保證。

1 工程概況

大西鐵路客運(yùn)專線馬家莊隧道全長(zhǎng)9 359 m(含明洞29 m)，其中黃土Ⅳ級(jí)圍巖8 300 m，黃土Ⅴ級(jí)圍巖1 059 m;隧道設(shè)計(jì)開(kāi)挖最大寬度為15.20 m，最大高度為12.98 m，最大開(kāi)挖面積為161.64 m2，初期支護(hù)采用系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)體系，二襯采用復(fù)合式襯砌;隧道最大埋深79 m，最小埋深17 m。隧道洞身全部位于濕陷性黃土地層中，施工方法多為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法。

2 傳統(tǒng)圍巖變形量測(cè)方法及其存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的隧道圍巖變形量測(cè)方法，多采用收斂?jī)x量測(cè)圍巖的水平變形，用水準(zhǔn)儀量測(cè)拱頂下沉。在量測(cè)水平收斂值時(shí)，將收斂?jī)x兩端的掛鉤掛在預(yù)先埋設(shè)在邊墻兩側(cè)的掛鉤上，加載一定的拉力后進(jìn)行讀數(shù)，兩期觀測(cè)值的差值就是該段時(shí)期內(nèi)圍巖的收斂量。在量測(cè)拱頂下沉值時(shí)，預(yù)先在拱頂埋設(shè)量測(cè)樁，并用水準(zhǔn)儀測(cè)量該量測(cè)樁的高程，兩期高程值之差就是該期拱頂下沉值。

傳統(tǒng)量測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是儀器價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，在施工干擾小的情況下操作比較方便，比較適用于小斷面隧道或者斜井。

其缺點(diǎn)是不適合大斷面隧道使用，當(dāng)隧道跨度比較大時(shí)，操作比較困難，而且誤差比較大，測(cè)量結(jié)果容易受到人為因素的影響;水平收斂和拱頂下沉要分別量測(cè)，花費(fèi)的時(shí)間多;容易和其他施工工序發(fā)生沖突，抗施工干擾的能力差;當(dāng)有機(jī)械設(shè)備或其他障礙物停放在測(cè)線上時(shí)量測(cè)工作就無(wú)法進(jìn)行，易影響施工進(jìn)度;需要裝載機(jī)、梯子等輔助工具進(jìn)行高空作業(yè)，或需要量測(cè)人員到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)作業(yè)，不利于量測(cè)人員的安全;量測(cè)的靈活性差，效率低下。

3 監(jiān)控量測(cè)非接觸量測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目

結(jié)合馬家莊隧道地質(zhì)條件和開(kāi)挖方法等，擬訂監(jiān)控量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目為洞內(nèi)和洞外觀察、淺埋地段地表下沉、拱頂下沉、水平收斂等項(xiàng)目;選測(cè)項(xiàng)目為隧底隆起和縱向位移等項(xiàng)目。

3.2 監(jiān)控量測(cè)頻率

(1)洞內(nèi)觀察分為開(kāi)挖工作面觀察和初期支護(hù)觀察2部分。開(kāi)挖工作面觀察在每次開(kāi)挖后進(jìn)行，并及時(shí)繪制開(kāi)挖工作面地質(zhì)素描圖、填寫開(kāi)挖工作面地質(zhì)狀態(tài)記錄表。對(duì)初期支護(hù)的觀察每天至少應(yīng)進(jìn)行1次，主要觀察噴射混凝土是否發(fā)生裂隙和剝離現(xiàn)象，鋼架是否受壓變形等。洞外觀察每天至少進(jìn)行1次，主要觀察地表開(kāi)裂、地表沉陷、邊仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲透情況等。

(2)地表下沉、凈空水平收斂和拱頂下沉量測(cè)采用相同的量測(cè)頻率，量測(cè)頻率見(jiàn)表1。

表1 量測(cè)頻率表

3.3 非接觸量測(cè)方法

非接觸量測(cè)是將反射膜片貼在隧道測(cè)點(diǎn)處的預(yù)埋件上作為測(cè)點(diǎn)靶標(biāo)，采用全站儀自由設(shè)站的方法(不需設(shè)站，只需整平)，直接測(cè)存各測(cè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)(x(t)，y(t)，z(t))，將各次量測(cè)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，并通過(guò)圍巖收斂分析軟件對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析處理，輸出圍巖位移成果，如測(cè)線的位移趨勢(shì)圖及回歸分析圖、各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間段的位移值等，并自動(dòng)對(duì)成果進(jìn)行分析，判斷圍巖的穩(wěn)定性，為支護(hù)提供參數(shù)。

與傳統(tǒng)接觸式量測(cè)方法相比，該方法操作簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)精度高，同時(shí)具有快速、省力、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

3.4 量測(cè)要求

(1)全站儀(標(biāo)稱精度不得低于2″、2 mm+2 ppm)必須經(jīng)過(guò)鑒定合格后方能使用，并且應(yīng)定期或不定期對(duì)全站儀進(jìn)行檢校。

(2)量測(cè)規(guī)范要求:測(cè)距取位至0.1 mm，角度0.1″，空間位置(X、Y、H)0.1 mm。

(3)觀測(cè)前儀器開(kāi)箱適應(yīng)洞內(nèi)溫度20～30 min，并且要修正溫度和氣象參數(shù)。

(4)測(cè)站位置應(yīng)盡量靠近隧道中線，并使測(cè)站離最近監(jiān)控?cái)嗝娴木嚯x大于15 m，以確保監(jiān)控量測(cè)的精度。

(5)每站測(cè)量，應(yīng)對(duì)各斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行兩測(cè)回觀測(cè)(盤左、盤右為1個(gè)測(cè)回)，并將測(cè)量成果直接存儲(chǔ)于全站儀的內(nèi)存中，便于后續(xù)處理。

(6)若遇外界干擾，則應(yīng)暫停測(cè)量，確保儀器穩(wěn)定后再測(cè)量。

(7)為避免誤差對(duì)監(jiān)控量測(cè)成果的影響，應(yīng)固定儀器和監(jiān)控人員。

3.5 測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)控量測(cè)斷面間距嚴(yán)格按照監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程和鐵道部(2010)120號(hào)文件要求，Ⅳ級(jí)圍巖不得大于10 m，Ⅴ級(jí)圍巖不得大于5 m。三臺(tái)階開(kāi)挖法每個(gè)斷面布設(shè)7個(gè)量測(cè)點(diǎn)，即1個(gè)拱頂下沉點(diǎn)和6個(gè)水平收斂點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)與測(cè)線布置見(jiàn)圖1。

圖1 三臺(tái)階開(kāi)挖法測(cè)點(diǎn)與測(cè)線布置

3.6 量測(cè)點(diǎn)埋設(shè)要求

(1)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)和凈空變化測(cè)點(diǎn)必須布置在同一斷面上，測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量對(duì)稱布設(shè)，即“同面等高”。

(2)測(cè)點(diǎn)采用Leica4×4 cm反射膜片，粘貼在埋設(shè)于圍巖中的鋼板(圖2)上，鋼板粘貼反射膜片的一面要經(jīng)過(guò)防銹處理，并清理干凈，反射膜片可以用強(qiáng)力膠粘附于鋼板上。

(3)監(jiān)控量測(cè)布點(diǎn)應(yīng)在噴設(shè)混凝土前預(yù)埋，并保證測(cè)點(diǎn)鋼筋伸入圍巖40 cm，嚴(yán)禁將測(cè)點(diǎn)焊在鋼架上。

(4)量測(cè)點(diǎn)預(yù)埋鋼筋應(yīng)采用φ20 mm以上的鋼筋。拱頂下沉、水平收斂量測(cè)點(diǎn)初始值要在開(kāi)挖并施作拱部初期支護(hù)后3～6 h內(nèi)完成，其他量測(cè)項(xiàng)目應(yīng)在開(kāi)挖后12 h內(nèi)取得初讀數(shù)，最遲不得超過(guò)24 h，且在下一循環(huán)開(kāi)挖前必須完成。

(5)量測(cè)點(diǎn)要用紅色油漆做統(tǒng)一標(biāo)識(shí)并且懸掛標(biāo)識(shí)牌(圖3)，上面要標(biāo)明斷面里程、埋設(shè)日期以及責(zé)任人。

(6)測(cè)點(diǎn)應(yīng)牢固可靠、易于識(shí)別，并采取有效措施進(jìn)行保護(hù)。監(jiān)控量測(cè)樁上嚴(yán)禁懸掛電線、管線等雜物。如果測(cè)點(diǎn)被破壞，應(yīng)在被破壞測(cè)點(diǎn)附近補(bǔ)埋，及時(shí)獲得初始值繼續(xù)觀測(cè)。

圖2 測(cè)點(diǎn)預(yù)埋件正面(單位:cm)

圖3 量測(cè)點(diǎn)及標(biāo)識(shí)牌

3.7 數(shù)據(jù)處理與分析

拱頂下沉和水平收斂隨時(shí)間變化分析:以DK713+860斷面為例，開(kāi)挖方法為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，該斷面的圍巖級(jí)別為IV級(jí)，主要為第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土，棕黃色，土質(zhì)不均，局部含零星小礫石，巖體受構(gòu)造影響較微，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎。開(kāi)始觀測(cè)日期為2011年8月25日，截止于2011年9月10日，拱頂下沉總沉降量為63.6 mm，水平收斂總位移量分別為:上臺(tái)階28.43 mm，中臺(tái)階23.86 mm，下臺(tái)階14.73 mm，位移隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 位移隨時(shí)間變化曲線

從圖4中可以看出，隧道圍巖變化曲線總體經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—趨于穩(wěn)定的過(guò)程?？焖僭鲩L(zhǎng)期一般在開(kāi)挖后10 d左右，在仰拱施工封閉成環(huán)后，處于緩慢變化，14 d以后趨于穩(wěn)定，可進(jìn)行二襯施工。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隨著開(kāi)挖步驟的進(jìn)行，隧道圍巖拱頂下沉量不斷增加，在整個(gè)施工過(guò)程中，拱頂沉降量最大，并且下臺(tái)階開(kāi)挖及仰拱開(kāi)挖對(duì)拱頂沉降影響最大。當(dāng)仰拱開(kāi)挖后，邊墻混凝土有個(gè)別地段出現(xiàn)拉裂的情況，這需要在施工管理過(guò)程中嚴(yán)格控制開(kāi)挖速度與安全距離，加快封閉速度。

5 結(jié)論

通過(guò)馬家莊隧道監(jiān)控量測(cè)方案的實(shí)施，已初步掌握了一些變形規(guī)律和成果，真正地起到指導(dǎo)施工的作用。

(1)三維非接觸式圍巖量測(cè)技術(shù)在馬家莊隧道圍巖變形觀測(cè)中，顯示出方便、準(zhǔn)確、靈活、快速、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，比傳統(tǒng)的接觸式圍巖量測(cè)技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)，尤其在大跨度隧道中，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

(2)采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工時(shí)，圍巖與支護(hù)變形有以下規(guī)律:開(kāi)挖中臺(tái)階時(shí)，D點(diǎn)和C—E基線位移會(huì)發(fā)生突變，中臺(tái)階墻部初期支護(hù)施作完成后，變形趨于平緩;開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí)，D點(diǎn)和B—F基線位移會(huì)發(fā)生突變，下臺(tái)階墻部初期支護(hù)施作完成后，變形趨于平緩;開(kāi)挖隧底時(shí)，D點(diǎn)和A—G基線位移會(huì)發(fā)生突變，仰拱初期支護(hù)施作完成，支護(hù)全環(huán)閉合后，變形趨于穩(wěn)定。

(3)三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工應(yīng)做好工序銜接，工序安排應(yīng)緊湊，盡量減少圍巖暴露時(shí)間，避免因長(zhǎng)時(shí)間暴露引起圍巖失穩(wěn)。各分部平行開(kāi)挖，平行施作初期支護(hù)，及時(shí)封閉成環(huán)。

(4)監(jiān)控量測(cè)工作必須緊跟開(kāi)挖、支護(hù)作業(yè)進(jìn)行布點(diǎn)和監(jiān)測(cè)，量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)分析反饋，必要時(shí)應(yīng)根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量，保證施工安全。

(5)當(dāng)圍巖變形較大或突變時(shí)，應(yīng)停止掌子面掘進(jìn)，加強(qiáng)支護(hù)，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調(diào)整閉合時(shí)間，盡量縮短臺(tái)階長(zhǎng)度，確保初期支護(hù)盡快閉合成環(huán)，仰拱和二襯及時(shí)跟進(jìn)，盡早形成穩(wěn)定的支護(hù)體系。同時(shí)，加大監(jiān)控量測(cè)頻率，加強(qiáng)地表巡查和地表觀測(cè)。

[1]鐵建設(shè)[2010]241號(hào) 高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

[2]TB10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

[3]經(jīng)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)[2007]119號(hào) 鐵路大斷面隧道三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工作業(yè)指南(試行)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

[4]劉旭全.沉降觀測(cè)技術(shù)在客運(yùn)專線大斷面黃土隧道中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(S1):109-111.

[5]劉旭全，等.監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在客運(yùn)專線大斷面黃土隧道中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(S1):117-119.

[6]譙生有.全站儀在軟弱圍巖初期支護(hù)變形量測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004(Z3):272-275.