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试论公路隧道施工监控测量的设计与实施
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内容提示：连拱隧道在国内作为一个新兴的课题，尚处于由存在而论证其合理性的阶段。结合目前隧道工程建设监测工作的需要，对公路连拱隧道工程安全监测的设计、实施方法作了较为深入的研究；并对主要施工工艺以及施工动态的分析，再结合隧道施工可能对周围环境影响的分析，指导连拱隧道的信息化设计和施工，通过对连拱隧道主要施工工艺及施工控制的研究，拟解决隧道动态施工力学问题。
摘要：连拱隧道在国内作为一个新兴的课题，尚处于由存在而论证其合理性的阶段。结合目前隧道工程建设监测工作的需要，对公路连拱隧道工程安全监测的设计、实施方法作了较为深入的研究；并对主要施工工艺以及施工动态的分析，再结合隧道施工可能对周围环境影响的分析，指导连拱隧道的信息化设计和施工，通过对连拱隧道主要施工工艺及施工控制的研究，拟解决隧道动态施工力学问题。
关键词：公路隧道；施工；监控；测量
1 公路隧道施工监控量测的必要性
隧道工程是一种特殊的工程结构体系。从岩体力学的角度看，它是处于与围岩相互作用的体系之中的结构物；从地质力学的角度看，它是处于千变万化的地质体之中的工程单元体。在这样的岩体或地质体中，隧道必将受到周围地质环境的强烈影响；从结构角度看，这种工程单元体是由周围地质休和各种支护结构构成，即：
隧道结构体系＝周围地质体+支护结构
其形成过可作如下图1表述：
从隧道的这种复杂的力学发展过程，可以认识到以下两点：
第一，隧道工程如果作为一种工程结构物看待，它的受力特点与地面工程有很大的差别。由于隧道工程是处于千变万化的岩体之中，其所受外力是不明确的；
第二，隧道工程的成形过程，自始至终都存在着受力状态变化这一特性。即隧道从开挖起，一直到受力平衡和体系稳定，或者到结构受损，围岩内部结构一直是在变动，支护和衬砌的内力和外形也在变动之中。
2 公路隧道监测项目及量测要求
2.1公路隧道监测项目
施工监控量测的项目应根据隧道工程地质条件、围岩类别、围岩应力分布情况、隧道跨度、埋深、工程性质、开挖方法、支护类型等因素确定。
2.2公路隧道监控量测要求
（1）能快速埋设测点，隧道在开挖过程中，开挖土作面四周两倍洞径范围内受开挖影响最大。测点一般是开挖后埋设的，为尽早获得围岩开挖初始阶段的变形动态，测点应紧靠工作面快速埋设，尽早量测。
（2）每一次量测数据所需时间应尽可能短。
（3）测试元件应具有良好的防震、防冲击波能力。
（4）测试数据应准确可靠、直观，不必复杂计算即可直接应用。
（5）测试元件在埋设后能长期有效工作，应有足够的精度。
3 公路隧道监控量测的实施分析
隧道工程监测的实施阶段就是进行仪器安装和测读的阶段，因此需要编制相应的监测工程施工组织设计，需要收集并分析监测工程设计文件、技术规范、仪器布置图等资料，进行现场考察，研究工程特点和施工条件，确定施工方案，编制进度计划。
3.1量测基准值的确定
各种观测仪器的计算都是相对计算，所以每个仪器必须有个基准值。基准值就是仪器安装埋设后开始工作的观测值，基准值的确定是观测的主要环节之一。基准值确定的适当与否直接影响以后资料分析的正确性，由于确定不当会引起很大的误断。所以各量测项目应十分重视初读数的准确性，因为量测所得的初读数是判断施工安全的基准点。初读数的取得往往需要经过数次波动之后才能趋于稳定，测读时必须是连续三次测得的数值基本一致后才能将其定为初读数，否则应继续测读，直至满足要求为止。
3.2围岩周边位移量测
围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为“收敛”，所谓围岩周边收敛位移量测主要是指对隧道内壁面两点间连线方向的位移的量测，此项量测称为“收敛”量测。收敛值为两次量测的距离之差。收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目，收敛值是最基本的量测数据，是判断围岩动态最主要的量测项目，必须量测准确，计一算无误。隧道工程施工比较强调围岩变形，因为岩体变形是应力性态变化的最直观反映，是隧道开挖时围岩动态、围岩条件、支护效果的综合体现，是在隧道全长进行的重要量测项目。此项目的量测结果可用以判断：周边围岩的稳定性；确定支护时间、推算位移速率、最终位移值、初期支护的妥当与否及衬砌、仰拱的灌注时间等。
初测观测断面应尽可能靠近开挖掌子面，距离不宜大于1.0m。应保证沿隧道轴线每类围岩至少有一个量测断面。一般情况下，洞口段和埋深小于两倍隧道宽度地段，间隔5～10m一个量测断面；其余地段可根据地质条件，按规范要求布设断面。对于地质条件好且收敛值稳定的隧道，可加大量测断面的间距；对于围岩较差，收敛值长期不稳定，开挖进度快或采用分部开挖法施工的隧道，可缩小量测断面的间距。
测点的布置要优先考虑拱顶、拱座和边墙，若围岩局部有稳定性差的岩体，也应该设置测点，遇软弱夹层时，应在其上下盘设测点。
围岩位移有绝对位移和相对位移之分。绝对位移是指隧道围岩或顶底板及侧端某一部位的实际移动值，其量测方法是在距测点较远的地方设置一基点（该基点坐标已知，且不再产生移动），然后定期用经纬仪自基点向实测点进行量测，根据前后两次观测所得的标高及方位变化，即可确定围岩的绝对位移量。
应当根据洞室跨度的不同和所要求的精度的不同来选择不同种类的收敛计。量测到的收敛值是指已知两测点间在某一时间段内距离的改变量，按下式计算：
△u＝R1-R2△v＝△u/△t△t＝t1-t2
式中：△u，△v，△t--分别为收敛值、收敛速度、观测时间间隔；
R1，R2，t1，t2--时刻观测值。
须指出，按上式计算的数值，前后两次观测时的量测方法应相同，必要时还需进行钢带尺刻度和温度的修正。 3.3拱顶下沉量测
隧道拱顶内壁的绝对下沉量称为拱顶下沉值，单位时间内拱顶下沉值称为拱顶下沉速度。拱顶下沉量测也属位移量测，对于埋深较浅、固结程度低的地层，水平成层的场合，这项量测比收敛值量测更为重要，其量测数据是判断支护效果，指导施工工序，保证施工质量和安全的最基本的资料。
拱顶下沉量的大小，可通过净空收敛观测值利用计算的方法而得到，根据测线A， B， C的实测值并利用三角形面积换算求得。
3.4 围岩内部位移量测
隧道围岩内部位移量测是通过钻孔位移计量测孔壁岩体不同深度的轴向位移。它不同于隧道围岩收敛观测，后者仅能测到洞室净空收敛变形，前者则能测到洞室围岩内不同深度上轴向变形。因此根据这些观测资料，可分析判断洞室围岩位移的变化范围和松弛范围，预测预报围岩稳定性，为修改锚杆支护参数提供重要依据。因此，隧道围岩内部位移量测的主要口的是为了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围，优化锚杆参数，指导施工。
实践证明，当隧道开挖后，岩体固有结构被破坏，块体间阻力削弱而变形松弛，坑道围岩应力重分布，坑道周边径向应力被释放，围岩内通常形成塑性区，一方面使应力不断地向围岩深部转移，另一方面又不断地向隧道方向变形并逐渐解除塑性区的应力。这种向隧道方向的变形，一般在开挖后24h内发展较快，而围岩开挖初始阶段的变形动态数据又在全部变形过程中占十分重要的地位，因此要求测点应尽快安装，并在下一循环开挖前获得初读数。
围岩内部变形量测的设备，主要是使用位移计。
当在钻孔内布置多个测点时，就能分别测出沿钻孔不同深度岩层的位移值。测点1的深度愈大，本身受开挖的影响愈小，所测出的位移值愈接近绝对值。
围岩内位移的量测多在软弱、破碎或具有较大地质结构面的围岩内进行。这类围岩本身力学性质复杂，受力变形规律不易预测，支护比较困难。进行围岩内位移量测，可以比周边位移量测获取更多的地层信息，特别是有关围岩内的信息，对分析围岩的位移规律，并据此调整支护参数，或设计新的支护结构大有助益。
实用中，一般根据量测结果，先绘出位移-深度关系曲线（如图2）和位移-时间关系曲线（如图3）。
如果在两相邻测点间位移突然变化，则表明在此两点间很可能有不连续位移发生，即松弛围岩的界面在此两点之间，调整支参数时，如有可能则应使锚杆长度超出此两点。如果相邻测点间位移变化比较均匀，且最深测点仍有较大变形，则表明围岩受到扰动范围较大，仅靠调整锚杆长度一般难以解决支护问题；这时应采取综合治理措施，采用特殊的钢支撑加锚喷（挂网）等方案进行初期支护，并在必要时加大二次衬砌的强度与刚度。通过位移一时间曲线，如果掌握了围岩内部随时间变形的规律，则可更好地用于指导施工，如确定复喷的时间和二次衬砌的施工时间。
关键词：公路隧道；施工；监控；测量
1 公路隧道施工监控量测的必要性
隧道工程是一种特殊的工程结构体系。从岩体力学的角度看，它是处于与围岩相互作用的体系之中的结构物；从地质力学的角度看，它是处于千变万化的地质体之中的工程单元体。在这样的岩体或地质体中，隧道必将受到周围地质环境的强烈影响；从结构角度看，这种工程单元体是由周围地质休和各种支护结构构成，即：
隧道结构体系＝周围地质体+支护结构
其形成过可作如下图1表述：
从隧道的这种复杂的力学发展过程，可以认识到以下两点：
第一，隧道工程如果作为一种工程结构物看待，它的受力特点与地面工程有很大的差别。由于隧道工程是处于千变万化的岩体之中，其所受外力是不明确的；
第二，隧道工程的成形过程，自始至终都存在着受力状态变化这一特性。即隧道从开挖起，一直到受力平衡和体系稳定，或者到结构受损，围岩内部结构一直是在变动，支护和衬砌的内力和外形也在变动之中。
2 公路隧道监测项目及量测要求
2.1公路隧道监测项目
施工监控量测的项目应根据隧道工程地质条件、围岩类别、围岩应力分布情况、隧道跨度、埋深、工程性质、开挖方法、支护类型等因素确定。
2.2公路隧道监控量测要求
（1）能快速埋设测点，隧道在开挖过程中，开挖土作面四周两倍洞径范围内受开挖影响最大。测点一般是开挖后埋设的，为尽早获得围岩开挖初始阶段的变形动态，测点应紧靠工作面快速埋设，尽早量测。
（2）每一次量测数据所需时间应尽可能短。
（3）测试元件应具有良好的防震、防冲击波能力。
（4）测试数据应准确可靠、直观，不必复杂计算即可直接应用。
（5）测试元件在埋设后能长期有效工作，应有足够的精度。
3 公路隧道监控量测的实施分析
隧道工程监测的实施阶段就是进行仪器安装和测读的阶段，因此需要编制相应的监测工程施工组织设计，需要收集并分析监测工程设计文件、技术规范、仪器布置图等资料，进行现场考察，研究工程特点和施工条件，确定施工方案，编制进度计划。
3.1量测基准值的确定
各种观测仪器的计算都是相对计算，所以每个仪器必须有个基准值。基准值就是仪器安装埋设后开始工作的观测值，基准值的确定是观测的主要环节之一。基准值确定的适当与否直接影响以后资料分析的正确性，由于确定不当会引起很大的误断。所以各量测项目应十分重视初读数的准确性，因为量测所得的初读数是判断施工安全的基准点。初读数的取得往往需要经过数次波动之后才能趋于稳定，测读时必须是连续三次测得的数值基本一致后才能将其定为初读数，否则应继续测读，直至满足要求为止。
3.2围岩周边位移量测
围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为“收敛”，所谓围岩周边收敛位移量测主要是指对隧道内壁面两点间连线方向的位移的量测，此项量测称为“收敛”量测。收敛值为两次量测的距离之差。收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目，收敛值是最基本的量测数据，是判断围岩动态最主要的量测项目，必须量测准确，计一算无误。隧道工程施工比较强调围岩变形，因为岩体变形是应力性态变化的最直观反映，是隧道开挖时围岩动态、围岩条件、支护效果的综合体现，是在隧道全长进行的重要量测项目。此项目的量测结果可用以判断：周边围岩的稳定性；确定支护时间、推算位移速率、最终位移值、初期支护的妥当与否及衬砌、仰拱的灌注时间等。
初测观测断面应尽可能靠近开挖掌子面，距离不宜大于1.0m。应保证沿隧道轴线每类围岩至少有一个量测断面。一般情况下，洞口段和埋深小于两倍隧道宽度地段，间隔5～10m一个量测断面；其余地段可根据地质条件，按规范要求布设断面。对于地质条件好且收敛值稳定的隧道，可加大量测断面的间距；对于围岩较差，收敛值长期不稳定，开挖进度快或采用分部开挖法施工的隧道，可缩小量测断面的间距。
测点的布置要优先考虑拱顶、拱座和边墙，若围岩局部有稳定性差的岩体，也应该设置测点，遇软弱夹层时，应在其上下盘设测点。
围岩位移有绝对位移和相对位移之分。绝对位移是指隧道围岩或顶底板及侧端某一部位的实际移动值，其量测方法是在距测点较远的地方设置一基点（该基点坐标已知，且不再产生移动），然后定期用经纬仪自基点向实测点进行量测，根据前后两次观测所得的标高及方位变化，即可确定围岩的绝对位移量。
应当根据洞室跨度的不同和所要求的精度的不同来选择不同种类的收敛计。量测到的收敛值是指已知两测点间在某一时间段内距离的改变量，按下式计算：
△u＝R1-R2△v＝△u/△t△t＝t1-t2
式中：△u，△v，△t--分别为收敛值、收敛速度、观测时间间隔；
R1，R2，t1，t2--时刻观测值。
须指出，按上式计算的数值，前后两次观测时的量测方法应相同，必要时还需进行钢带尺刻度和温度的修正。 3.3拱顶下沉量测
隧道拱顶内壁的绝对下沉量称为拱顶下沉值，单位时间内拱顶下沉值称为拱顶下沉速度。拱顶下沉量测也属位移量测，对于埋深较浅、固结程度低的地层，水平成层的场合，这项量测比收敛值量测更为重要，其量测数据是判断支护效果，指导施工工序，保证施工质量和安全的最基本的资料。
拱顶下沉量的大小，可通过净空收敛观测值利用计算的方法而得到，根据测线A， B， C的实测值并利用三角形面积换算求得。
3.4 围岩内部位移量测
隧道围岩内部位移量测是通过钻孔位移计量测孔壁岩体不同深度的轴向位移。它不同于隧道围岩收敛观测，后者仅能测到洞室净空收敛变形，前者则能测到洞室围岩内不同深度上轴向变形。因此根据这些观测资料，可分析判断洞室围岩位移的变化范围和松弛范围，预测预报围岩稳定性，为修改锚杆支护参数提供重要依据。因此，隧道围岩内部位移量测的主要口的是为了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围，优化锚杆参数，指导施工。
实践证明，当隧道开挖后，岩体固有结构被破坏，块体间阻力削弱而变形松弛，坑道围岩应力重分布，坑道周边径向应力被释放，围岩内通常形成塑性区，一方面使应力不断地向围岩深部转移，另一方面又不断地向隧道方向变形并逐渐解除塑性区的应力。这种向隧道方向的变形，一般在开挖后24h内发展较快，而围岩开挖初始阶段的变形动态数据又在全部变形过程中占十分重要的地位，因此要求测点应尽快安装，并在下一循环开挖前获得初读数。
围岩内部变形量测的设备，主要是使用位移计。
当在钻孔内布置多个测点时，就能分别测出沿钻孔不同深度岩层的位移值。测点1的深度愈大，本身受开挖的影响愈小，所测出的位移值愈接近绝对值。
围岩内位移的量测多在软弱、破碎或具有较大地质结构面的围岩内进行。这类围岩本身力学性质复杂，受力变形规律不易预测，支护比较困难。进行围岩内位移量测，可以比周边位移量测获取更多的地层信息，特别是有关围岩内的信息，对分析围岩的位移规律，并据此调整支护参数，或设计新的支护结构大有助益。
实用中，一般根据量测结果，先绘出位移-深度关系曲线（如图2）和位移-时间关系曲线（如图3）。
如果在两相邻测点间位移突然变化，则表明在此两点间很可能有不连续位移发生，即松弛围岩的界面在此两点之间，调整支参数时，如有可能则应使锚杆长度超出此两点。如果相邻测点间位移变化比较均匀，且最深测点仍有较大变形，则表明围岩受到扰动范围较大，仅靠调整锚杆长度一般难以解决支护问题；这时应采取综合治理措施，采用特殊的钢支撑加锚喷（挂网）等方案进行初期支护，并在必要时加大二次衬砌的强度与刚度。通过位移一时间曲线，如果掌握了围岩内部随时间变形的规律，则可更好地用于指导施工，如确定复喷的时间和二次衬砌的施工时间。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200903/13976.htm
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