圍巖量測技術在老鴉峽隧道中的應用

婁奕紅1 王秉勇2

(1?佛山科學技術學院土木工程與建筑學系，廣東佛山528000；2?中鐵西北科學研究院，甘肅蘭州730000)

摘要：以實際工程為例，系統地闡述了隧道工程中圍巖量測技術的量測方法、注意事項、量測數據的處理，以及圍巖穩定性的判別方法；通過施工現場監測，掌握圍巖和支護在施工中的力學動態及穩定程度。
關鍵詞：隧道工程；圍巖量測；方法；數據處理
1 工程概況
馬平高速公路老鴉峽2#隧道是分離式雙洞(左右線)單向行駛隧道。隧道出口段地質圍巖分為三類：洞口段為ⅰ類圍巖，地質情況為卵石，砂土填充，無膠結，同時存在采空區(在隧道進洞之前已對采空區進行了回填封堵灌漿處理)，易發生大的塌方；緊接ⅰ類圍巖為ⅲ類圍巖，地質情況為石英閃長巖，小節理裂隙發育，局部受風化影響節理裂隙發育；然后是ⅳ類圍巖段，地質情況為石英閃長巖，小節理裂隙發育。整條隧道地下水位于設計高程以下，不發育，隧道開挖最大跨度為15?5 m，最小為13 m，開挖高度為11 m。
2 量測項目
根據現場實際情況，進行了以下幾項量測：洞內觀察，地表下沉量測，拱頂下沉量測，周邊收斂量測。
3 量測
3.1 洞內觀察
隧道在開挖后要進行地質觀察，在支護完成后對已支護地段要進行觀察。
對開挖的圍巖觀測包括以下幾項：
(1)節理裂隙發育程度及方向；
(2)開挖工作面的穩定狀態，頂板有無坍塌現象；
(3)涌水情況：涌水的位置、涌水量、水壓等；
(4)是否有底板隆起現象。
對初期支護段圍巖觀測主要有以下幾項：
(1)是否發生錨桿被拉斷或墊板脫離圍巖現象；
(2)噴混凝土是否發生裂隙和剝離或剪切破壞；
(3)鋼拱架有無被壓變形情況。
3.2 地表下沉量測
地表下沉量測布置在4 b～6 b(b主洞室寬)范圍，中線附近密些，外側漸稀。
(1)測點埋設：在埋設點挖長、寬、高均為20 mm 的坑，然后放入沉陷測點，測點一般采用25 mm 長、350 mm半圓頭鋼筋制成。測點四周用混凝土填實。在開挖影響范圍以外設置水平基點2個 ～3個。水平基點埋設方法同上。
(2)量測——沉陷量計算：使用普通水準儀和水準尺，測出各沉陷量測點的標高，然后按下式計算沉陷量。
un=a0-（a基-r后+r前)（1）
式中un——第n次量測下沉量，mm；
a０——測點初始標高，mm；
ａ基——水準基點標高，mm；
r后——第n次量測后視讀數，mm；
r前——第n次量測前視讀數，mm。
3.3 拱頂下沉
在拱頂部位布設一個測點，中線兩側2 m處拱腰部位布置兩對稱測點，三個點位于一個斷面，布設時采用全站儀測放，量測斷面的間距為ⅰ類圍巖段10 m，ⅲ類圍巖段15 m，ⅳ類圍巖段20 m，量測間隔時間：1d～15d1次/d；16 d～1個月1次/2d；1個月～3個月1次/周。
下沉量計算：
un=a０-（ａ基-r后+r前)(2)
式中un——第n次量測下沉量，mm；
a０——測點初始標高，mm；
ａ基——水準基點標高，mm；
r后——第n次量測后視讀數，mm；
r前——第n次量測前視讀數，mm。
華東公路2002年第4期2002年第4期婁奕紅，王秉勇：圍巖量測技術在老鴉峽2#隧道中的應用
3.4 周邊位移
周邊位移量測主要量測兩側邊墻收斂值。
布設測點如下：在ⅳ類圍巖中，每隔50 m布置一個斷面；ⅰ類、ⅲ類圍巖每隔20 m布設一個斷面。每個斷面布置3對測點，在楔形體范圍內大致布置于上中下，每組兩個測點保持在水平位置。
4 量測數據的處理
采用隧道凈空變化值(收斂值)作為信息反饋值。收斂值指隧道周邊兩測點連線方向上相對位移值，所以必須把它換算成兩測點的絕對位移值，換算的方法按幾何關系有：
(ui-uj)cosaij+(vi-vj)sinaij=dij(3)
式中ui、uj、vi、vj——i、j兩測點絕對位移的水平和垂直分量；
a——ij連線與水平方向夾角，按逆時針方向為正；
d——基線ij方向的收斂值。
采用一元非線性回歸方程。
指數方程：
u=a(1-e-bt)(4)
當量測時間t１=t2時，則解得回歸系數
a=u２１/(2u1-u2)
b=1/tln［u１／（u２-u１)］(5)
當量測時間t2=2t1，則用拉格朗日插值方程求解2t1時的量測值u，然后再用兩倍時差求解a、b值，
u=［(t3-2t1)u2+(2t1-t2)u3］/(t３?t2)(6)
得出回歸方程后，可以繪出位移時間曲線，得出某一時刻位移速率，從位移時間形態、位移速率與某臨界值相比較，確定采用何種支護結構及支護結構施作時間。
施工規范中規定隧道周邊允許相對位移值(%)如表1。
5 圍巖穩定性判別標準
位移——時間曲線的形態，根據巖體的流變特性，巖體破壞前的變形曲線分成三個區段。分別如下。
(1)基本穩定區：變形速率不斷下降，d2u/dt＜0時，表明圍巖趨于穩定，支護是安全的。
(2)過渡區：變形速率長時間保持不變，d2u/dt=0，表明支護要加強同時及時調整施工程序。
(3)破壞區：變形速率逐漸增加，d2u/dt＞0時，曲線出現反彎點，表明圍巖已達到危險狀態，必須立即停工加固。
表1規范規定隧道周邊允許相對位移值
圍巖類別〖〗覆蓋層厚度(m)小于50〖〗50～300〖〗大于300允許相對位移值ⅳ〖〗0?10～0?30〖〗0?20～0?50〖〗0?40～1?20ⅲ〖〗0?15～0?50〖〗0?40～1?20〖〗0?80～2?00ⅱ〖〗0?20～0?80〖〗0?60～1?60〖〗1?00～3?00
注：①相對位移值指實測位移值與兩測點間距離之比，或拱頂位移實測值與隧道寬度之比；
②脆性圍巖取表中較小值，塑性圍巖取表中較大值。
6 工程實例
根據表2數據計算如下：
第1組數據：
a=332/(2×33-39)=40?33
b=1/10ln［33/(39-33)］=0?17
u=40?33×(1-e-0?17t)
du/dt=-40?33×(-0?17)e-0?17t
當t=22 d時，
du/dt=0?14 mm/d＜0?2 mm/d
說明地表達到基本穩定。
第2組數據：
a=272/(2×27-32)=33?136
b=1/10ln［27/（32-27)］=0?168
u=33?136×（１-e-0?168t)
du/dt=-33?136×(-0?168)e-0?168t
當t=20 d時，
du/dt=0?19 mm/d＜0?2 mm/d
說明地表達到基本穩定。
第3組數據：
a=21２／（２×21-28)=31?5
b=1/10ln［21/(28-21)］=0?11
u=31?5×（１-e-0?11t)
du/dt=-31?5×(-0?11)e-0?11t
當t=26 d時，
du/dt=0?19 mm/d＜0?2 mm/d
說明地表達到基本穩定。
第4組數據：
a=12２／（２×12-13)=13?9
b=1/10ln［12/(13-12)］=0?248
u=13?9×（１-e-0?248t)
du/dt=-13?9×(-0?248)e-0?248t
當t=12 d時，
du/dt=0?18 mm/d＜0?2 mm/d
說明地表達到基本穩定。
由以上四組數據可知，當開挖到26 d時，該斷面地表達到穩定。
工程名稱：馬平高速公路老鴉峽2#隧道左線
觀測項目：地表下沉
設點里程：lk 27+542?4
表2馬平高速公路老鴉峽2#隧道左線地表下沉觀測情況
觀測日期〖〗測點編號1〖〗2〖〗3〖〗4高程〖〗沉陷量〖〗高程〖〗沉陷量〖〗高程〖〗沉陷量〖〗高程〖〗沉陷量(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)2001-06-11〖〗1 876?321〖〗0〖〗1 876?529〖〗0〖〗1 876.758〖〗0〖〗1 876?214〖〗02001-06-12〖〗1 876?318〖〗3〖〗1 876?527〖〗2〖〗1 876?756〖〗2〖〗1 876?213〖〗12001-06-13〖〗1 876?315〖〗6〖〗1 876?525〖〗4〖〗1 876?753〖〗5〖〗1 876?212〖〗22001-06-14〖〗1 876?310〖〗11〖〗1 876?524〖〗5〖〗1 876?751〖〗7〖〗1 876?209〖〗52001-06-15〖〗1 876?308〖〗13〖〗1 876?521〖〗8〖〗1 876?750〖〗8〖〗1 876?208〖〗62001-06.16〖〗1 876?306〖〗15〖〗1 876?520〖〗9〖〗1 876?748〖〗10〖〗1 876?206〖〗82001-06-17〖〗1 876?301〖〗20〖〗1 876?515〖〗14〖〗1 876?743〖〗15〖〗1 876?205〖〗92001-06-18〖〗1 876?298〖〗23〖〗1 876?511〖〗18〖〗1 876?741〖〗17〖〗1 876?203〖〗112001-06-19〖〗1 876?294〖〗27〖〗1 876?508〖〗21〖〗1 876?739〖〗19〖〗1 876?202〖〗122001-06-20〖〗1 876?288〖〗33〖〗1 876?502〖〗27〖〗1 876?737〖〗21〖〗1 876?202〖〗122001-06-21〖〗1 876?286〖〗35〖〗1 876?501〖〗28〖〗1 876?736〖〗22〖〗1 876?202〖〗122001-06-22〖〗1 876?285〖〗36〖〗1 876?501〖〗28〖〗1 876?735〖〗23〖〗1 876?202〖〗122001-06-23〖〗1 876?285〖〗36〖〗1 876?501〖〗28〖〗1 876?734〖〗24〖〗1 876?202〖〗122001-06-24〖〗1 876?285〖〗36〖〗1 876?500〖〗29〖〗1 876?733〖〗25〖〗1 876?202〖〗122001-06-25〖〗1 876?284〖〗37〖〗1 876?500〖〗29〖〗1 876?733〖〗25〖〗1 876?202〖〗122001-06-26〖〗1.876?284〖〗37〖〗1 876?499〖〗30〖〗1 876?732〖〗26〖〗1 876?202〖〗122001-06-27〖〗1 876?284〖〗37〖〗1 876?499〖〗30〖〗1 876?732〖〗26〖〗1 876?201〖〗132001-06-28〖〗1 876?283〖〗38〖〗1 876?498〖〗31〖〗1 876?731〖〗27〖〗1 876?201〖〗132001-06-29〖〗1 876?283〖〗38〖〗1 876?498〖〗31〖〗1 876?731〖〗27〖〗1 876?201〖〗132001-06-30〖〗1 876?282〖〗39〖〗1 876?497〖〗32〖〗1 876?730〖〗28〖〗1 876?201〖〗132001-07-01〖〗1 876?282〖〗39〖〗1 876?497〖〗32〖〗1 876?730〖〗28〖〗1 876?201〖〗132001-07-02〖〗1 876?282〖〗39〖〗1 876?497〖〗32〖〗1 876?729〖〗29〖〗1 876?201〖〗132001-07-03〖〗1 876?281〖〗40〖〗1 876?497〖〗32〖〗1 876?729〖〗29〖〗1 876?201〖〗13根據表3數據計算如下：
數據處理：
a=122/(2×12-16)=18
b=1/10ln［12/(16-12)］=0?11
u=18×(1-e-0?11t）
du/dt=-18×(-0?11)e-0?11t
當t=21 d時，
du/dt=0?197 mm/d＜0?2 mm/d
說明圍巖達到基本穩定，此時可以進行二襯施工。
根據表4數據計算如下：
數據處理：
a=8?012/(2×8?01-8?92)=9?04
b=1/10ln［8?01/(8?92-8?01)］=0?218
u=9?04×(1-e-0?218 t)
du/dt=-9?04×（-0?218）e-0?218 t
d2u/d2 t＜0表明圍巖趨于穩定，支護是安全的。
當t=11 d時，du/dt=0?179 mm/d＜0?2 mm/d說明圍巖達到基本穩定，此時可以進行二襯施工。
工程名稱：馬平高速公路老鴉峽2#隧道右線
觀測項目：拱頂下沉
設點里程：rk 27+538
表3馬平高速公路老鴉峽2#隧道右線觀測情況
觀測日期〖〗測點編號1〖〗2〖〗3〖〗4高程〖〗下沉量〖〗高程〖〗下沉量〖〗高程〖〗下沉量〖〗高程〖〗下沉量(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)2001-06-18〖〗1 865?693〖〗02001-06-19〖〗1 865?690〖〗32001-06-20〖〗1 865?687〖〗62001-06-21〖〗1 865?685〖〗82001-06-22〖〗1 865?684〖〗92001-06-23〖〗1 865?684〖〗92001-06-24〖〗1 865?683〖〗102001-06-25〖〗1 865?682〖〗112001-06-26〖〗1 865?682〖〗112001-06-27〖〗1 865?681〖〗122001-06-28〖〗1 865?681〖〗122001-06-29〖〗1 865?680〖〗132001-06-30〖〗1 865?680〖〗132001-07-01〖〗1 865?679〖〗142001-07-02〖〗1 865?679〖〗142001-07-03〖〗1 865?679〖〗142001-07-04〖〗1 865?678〖〗152001-07-05〖〗1 865?677〖〗162001-07-06〖〗1 876?677〖〗162001-07-07〖〗1 865?677〖〗162001-07-08〖〗1 865?677〖〗162001-07-09〖〗1 865?677〖〗162001-07-010〖〗1 865?677〖〗16工程名稱：馬平高速公路老鴉峽2#隧道右線
觀測項目：周邊收斂
設點里程：rk 27+488?26
觀測時間：2001?08-07～2001?09?06
表4馬平高速公路老鴉峽2#隧道右線周邊收斂觀測情況
量測時間〖〗第1 d〖〗第5 d〖〗第10 d〖〗第15 d〖〗第20 d〖〗第25 d〖〗第30 d徑向位移(mm)〖〗0〖〗5?21〖〗7?98〖〗8?01〖〗8?30〖〗8?85〖〗8?927結論
圍巖量測技術在老鴉峽2#隧道的應用，量測反饋的信息正確地指導了隧道施工，使工程順利通過洞口采空區段及大卵石砂土填充且無膠結的ⅰ類圍巖段，保證了在施工過程中沒有發生一起塌方事故，對隧道的安全質量進度提供了堅實的基礎和有力的保障。
參考文獻
［1］劉玉珠主編?土木工程測量?廣州：華南理工大學出版社，2001