吳圣增

(沙縣農(nóng)村公路管理站，三明 365050)

1 隧道監(jiān)控量測技術(shù)概述

1.1 監(jiān)控量測技術(shù)內(nèi)涵

為滿足國民經(jīng)濟的全面發(fā)展，同時兼顧我國地形地貌復雜多變的基本情況，在公路鐵路修建中大量采用隧道結(jié)構(gòu)已逐漸趨于常態(tài)。不同于其他常規(guī)工程建(構(gòu))筑物，埋深于隱蔽巖土層中的隧道施工， 往往面臨著諸多未知的風險[1-2]。 為此，利用現(xiàn)場監(jiān)控量測技術(shù)獲得實時地層及支護結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以反饋現(xiàn)場施工的新奧法已成為隧道工程施工中的核心方法[3]。 國內(nèi)外有關(guān)于隧道監(jiān)控量測技術(shù)的研究一直伴隨著新奧法理念而發(fā)展，其中以壓力盒、位移計及應變片等布置在隧道結(jié)構(gòu)用于監(jiān)控量測的接觸式方法最早[4]；隨后發(fā)展了以激光測距為代表的非接觸式監(jiān)測技術(shù)，國外學者R Lindenbergh 和G Walton 等利用激光掃描技術(shù)開展隧道斷面變形的量測工作[5-6]；隨著監(jiān)控量測技術(shù)發(fā)展至今，逐漸形成了一套綜合多種已有量測設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)，用于開展隧道施工現(xiàn)場的監(jiān)控量測工作，朱合華等[7]石碧波[8]研發(fā)了用于隧道施工全過程跟蹤的量測系統(tǒng)。

1.2 監(jiān)控量測目的

鑒于隧道工程因其特殊的隱蔽性給工程掘進帶來的諸多挑戰(zhàn)， 因此， 要求隧道掘進過程中遇到包括斷層、涌水等在內(nèi)的不良地質(zhì)及通道交叉、斷面變化等特殊結(jié)構(gòu)設(shè)置地段等情況時， 在相應區(qū)域內(nèi)設(shè)置系統(tǒng)全面的監(jiān)測斷面，以達到準確預判隱患事件，保障人員和結(jié)構(gòu)的安全性；動態(tài)調(diào)整施工方案，保障施工的順利進行；對原設(shè)計方案進行科學研判，為今后同類似項目提供借鑒和參考等3 方面的目的。

1.3 項目內(nèi)容

隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測方案往往需要根據(jù)隧道圍巖條件、開挖方法以及襯砌形式等方面進行確定，主要有以下內(nèi)容。

(1)視覺觀察

監(jiān)測人員通過肉眼對施工影響區(qū)域范圍進行初步監(jiān)控量測，隧道內(nèi)的掌子面和初期支護為重點區(qū)域，隧道每進尺后都需對掌子面變化情況進行觀測， 并通過地質(zhì)素描和文字表述相結(jié)合的方法進行記錄。

(2)洞身水平收斂和拱頂沉降量測

水平收斂和拱頂沉降的現(xiàn)場量測應緊跟施工工序進行，隧道掘進后24 h 內(nèi)最佳。 全斷面掘進時，應保持至少一條水平收斂測線和兩條拱頂沉降測線；臺階法掘進時，保證每個臺階進尺結(jié)束后至少布置有一條水平收斂測線和兩條拱頂沉降測線。

(3)地表沉降量測

相較于洞身水平收斂和拱頂沉降的量測的滯后性，地表沉降量測能體現(xiàn)隧道掘進過程的實時性， 即地表變形隨掌子面推進的變化情況。因此，要求地表沉降量測斷面與水平收斂、拱頂沉降量測斷面保持一致，且量測范圍應覆蓋兩側(cè)拱腳45°線范圍。

(4)支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力量測

支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力量測主要在于圍巖壓力和初期支護結(jié)構(gòu)兩部分， 其中圍巖壓力通過在初期支護外表面布置壓力盒進行量測， 鋼拱應力通過焊接在內(nèi)翼緣的鋼筋計測得，混凝土應力采用埋入應變計進行量測。

1.4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理與分析

(1) 誤差處理

由于隧道工程現(xiàn)場環(huán)境復雜、 施工人員水平差異及監(jiān)測設(shè)備精度不一等問題， 致使量測數(shù)據(jù)出現(xiàn)難以預料的誤差， 而將統(tǒng)計學相關(guān)理論方法運用到原始數(shù)據(jù)的篩查、處理和分析，可以及時準確對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行判斷，從而保證施工安全，為評價和修改隧道支護參數(shù)，確定施工工序等提供依據(jù)。

(2)回歸分析

受上述各類數(shù)據(jù)誤差分析，受儀器系統(tǒng)誤差、儀器隨機誤差以及人員測量誤差等因素的影響， 致使量測所得數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定程度的離散特征。而在隧道監(jiān)控量測中，各項監(jiān)測數(shù)值均與作業(yè)時間緊密相關(guān)， 若直接使用未經(jīng)處理的離散型原始數(shù)據(jù)， 極容易導致各項監(jiān)測數(shù)據(jù)失去規(guī)律性，不便于反映對應監(jiān)測項目隨時間的變化規(guī)律，難以指導現(xiàn)場施工。

此時， 可采用回歸分析的數(shù)學理論對原始數(shù)據(jù)進行處理， 即選取一與實測數(shù)據(jù)變化趨勢吻合且數(shù)值誤差在允許范圍內(nèi)的函數(shù)曲線，對原始數(shù)據(jù)進行擬合。

選擇函數(shù)方程對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合時，需從曲線變化趨勢和數(shù)值準確度兩方面進行考量，因而引入殘差平方和C 的概念用于判斷擬合曲線的匹配程度：

式中，C 為殘差平方和；yi為實測數(shù)據(jù)；yi′為擬合曲線對應值。

通過對殘差平方和C 求極值， 可獲得保證回歸方程殘差平方和C 最小的系數(shù)解：

式中，a，b 分別為擬合函數(shù)中的兩個系數(shù)。

從中解出系數(shù)后，得到擬合后的回歸方程：

引入相關(guān)系數(shù)R 用于判斷擬合曲線的數(shù)值的關(guān)聯(lián)程度：

式中，R 為相關(guān)系數(shù)； 為實測數(shù)據(jù)算術(shù)平均值。 當R越接近1，回歸曲線擬合效果越好。

2 施工監(jiān)控量測技術(shù)在隧道施工中的應用

2.1 工程概況

擬建隧道位于福建快速通道改線工程沙縣段， 隧道全長2530 km，最大埋深358.5 m，洞室凈空10.25×5.0 m，全線四車道設(shè)計，洞身輪廓采用單心圓，且洞身線型整體為緩和曲線，主洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 S5a 型復合襯砌設(shè)計圖

2.2 隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

收集現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)后， 利用數(shù)理統(tǒng)計方法繪制數(shù)據(jù)時程散點圖，對數(shù)據(jù)進行誤差分析處理，并利用上述回歸數(shù)學方法對數(shù)據(jù)進行分析。 得到回歸曲線后，作出位移時程曲線圖， 根據(jù)所得曲線變化趨勢可判斷當前施工的安全性，具體來說：

(1)當位移時程曲線出現(xiàn)多處波峰波谷時，說明圍巖變形變化波動大，隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)已趨于失穩(wěn)狀態(tài)，此時應密切關(guān)注隧道變形情況，隨時做好應急措施。

(2)當位移時程曲線起伏不大時，說明隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定，可認為此數(shù)據(jù)為最終累計變形值。

(3)參照相關(guān)規(guī)范中的有關(guān)于隧道變形的限值要求(表1)，若隧道最終累計變形值小于表中各限值，可認為隧道圍巖在此階段已趨于穩(wěn)定，但需要注意的是，若最終累計變形值不斷趨近表中允許值時，盡管數(shù)值小于允許值，現(xiàn)場也應采取臨時補強措施，以防止情況進一步惡化。

表1 隧道周邊允許相對位移值(%)

2.3 隧道監(jiān)控量測應用

2018 年4 月2 日，瑯口隧道進口右洞YK7+470 段洞口淺埋段的地表出現(xiàn)裂縫，現(xiàn)場如圖2 所示。

圖2 隧道洞口淺埋段地表開裂

針對地表開裂現(xiàn)象，現(xiàn)場立即加強了對YK7+470 段地表的監(jiān)控量測工作。 具體布置方案為：洞口淺埋段設(shè)置10 個監(jiān)測樁號，采用水平儀及水平尺進行量測，當開挖面距量測斷面＜2B 時，量測頻率1～2 次/d；開挖面距量測斷面＜5B 時，量測頻率1 次/2d；開挖面距量測斷面＞5B 時，量測頻率1 次/周。 監(jiān)測結(jié)果見2。

表2 洞口淺埋段10 個監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果

從監(jiān)測結(jié)果可知，從2018 年4 月2-5 日，監(jiān)測段的地表累計沉降量不斷增大，DBZ-1～DBZ-4 4 個地表監(jiān)測點累計沉降值分別為54 mm、63 mm、56 mm、54 mm，已超過預警值。 同時，全部10 個監(jiān)測點的沉降變化速率均遠超過1 mm/d，最大為10.34 mm/d，最小為5 mm/d，沉降變化速率均已達到預警值。

考慮到該段地表沉降累計變化值部分已達到預警值，同時初期支護及地表已出現(xiàn)裂縫特征，經(jīng)分析，判斷是由于施工擾動過大和初支受力調(diào)整變形所致， 由于地表為淺埋段土層，內(nèi)部受力結(jié)構(gòu)、受力方向不可預知，因此圍巖變形過大地段極易發(fā)生滑塌、冒頂?shù)仁鹿?，建議停止施工，及時對YK7+470 段地表淺埋段的初期支護采取加固措施，防止繼續(xù)沉降導致局部滑塌、冒頂?shù)韧话l(fā)的安全事故。 同時，需繼續(xù)對本段實施跟蹤監(jiān)測及現(xiàn)場巡視檢查工作，并及時與相關(guān)單位溝通，嚴防事故發(fā)生。

3 結(jié)語

為充分利用圍巖自身可控變形實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定， 作為新奧法施工技術(shù)重要實現(xiàn)手段之一的監(jiān)控量測技術(shù)，已成為目前隧道施工過程中必不可少的一環(huán)。 通過在地質(zhì)條件復雜的福建瑯口隧道中應用該技術(shù)， 準確定位了施工過程中的風險部位， 以此對施工方案進行相應動態(tài)調(diào)整，從而及時有效規(guī)避施工過程中的風險，保證工程的順利進行，取得了滿意的效果。