监控量测技术在公路隧道中的应用

隧道围岩变形量测是新奥法现场量测的首要内容，是确认或修改支护设计参数和判别围岩稳定的依据，是保证隧道施工安全的一项重要措施。为了保证隧道的设计净空断面，监理人员应严格要求施工单位按规定进行拱顶下沉和净空量测，量测数据及分析结果应及时与设计进行比较，掌握地表沉陷、围岩和支护的工作状态，对围岩稳定性作出评价，确定或调整支护结构、支护参数和支护时间；评价支护结构的合理性及其安全性，并对设计和施工的合理性进行评估和信息反馈，以确保施工安全和隧道的稳定。
　　一、隧道围岩的量测
　　1.1 隧道监控量测的必测项目
　　为了保护隧道的顺利开挖及二次衬砌的时间，隧道围岩的量测必测项目一般包括地址及支护状况观察、周边收敛量测、拱顶下沉量测、地表下沉。地质及支护状况观察包括岩性、岩层产状、结构面、溶洞、断面描述、支护结构裂缝等；周边收敛量测是量测隧道周边位移，了解收敛状况、断面变形状态，判断稳定性；拱顶下沉量测是监视拱顶下沉，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性；地表下沉是根据地表下沉位移量判定隧道开挖对地表下沉的影响，以确定隧道支护结构。
　　1.2 隧道监控量测的选测项目
　　隧道围岩量测的选测项目：围岩内部位移量测、锚杆轴力量测、衬砌应力量测、围岩压力量测及支护压力、型钢支撑应力量测及弹性波测试。围岩内部位移量测是了解隧道围岩的松弛区、位移量及围岩应力分布，为准确判断围岩的变形发展提供数据；锚杆轴力量测是根据锚杆所承受的拉力，判断锚杆布置是否合理；衬砌应力量测是根据量测二次衬砌内应力、喷射混凝土层内轴向应力，了解支护衬砌内的受力情况；根据围岩压力及层间支护压力，判断复合衬砌中围岩荷载大小，判断初期支护与二次衬砌各自分担围岩压力情况；量测型钢支撑内应力，推断作用在型钢支撑上的压力大小，判断型钢支撑尺寸、间距及设置型钢支撑的必要性；通过声波测试，判断围岩松动区大小、裂隙发育情况。
　　二、隧道围岩量测的手段要求
　　量测数据的质量好坏直接影响监控的成败。监控现场量测手段应满足下列要求：
　　1、尽快埋设测点。隧道开挖过程中，围岩压力场、位移场的变化与开挖作业面的空间位置密切相关。一般情况下，位移的变化在量测断面前后总计两倍洞径范围内最大。为了全面量测应力、位移的变化值，要求测点埋设紧靠开挖作业面，且要尽快埋设，以减少对施工的干扰。第一次测试宜在埋设测点后立即进行，以便取得初始数据。应注意一次量测的时间宜尽量短。
　　2、所埋设的长期有效的传感元件要有较好的防振、防冲击波的能力。
　　3、测试的数据应直观、正确、可靠。隧道开挖、支护作业是连续循环进行的，信息反馈必须及时、全面，不影响施工。为了便于信息反馈，测试数据以直观为好，即测得的数据不需经过复杂的计算就可直接应用。
　　4、测试仪器要有足够的精度。
　　三、量测方法
　　3.1 地质及支护状况观察
　　每次爆破后和初喷后，通过肉眼观察、地质罗盘仪和锤击检查隧道各个掌子面，描述和记录围岩地质情况，岩层产状、裂隙、溶洞、地下水及支护效果，对围岩稳定性进行评价，判断围岩类别是否与设计相符。必要时应拍照、测量地下水流量，每一量测断面均要填写记录表并画出地质素描图。对开挖断面附近的初期支护状态进行观察和描述，是直接判断围岩、隧道稳定性和支护结构参数合理性的重要手段。
　　3.2 围岩周边收敛的量测
　　隧道主办收敛是隧道周边相对方向两个固定点连线上的相对位移值，它是隧道开挖所引起围岩变形最直观的表现，采用收敛计进行量测。隧道开挖爆破后应尽早在隧道两侧边墙、拱腰水平方向埋设测杆或球头测桩，埋设深度约为20～30mm，钻孔直径为40～50mm，用快凝水泥固定，测桩球头需设保护装置。
　　3.3 拱顶下沉的量测
　　通常情况下，浅埋隧道的拱顶下沉及地表下沉是判断围岩是否稳定的重要标志。拱顶下沉会向上传至地表，地表点的下沉值一般比拱顶点的下沉值要小，而围岩又破碎时，地表下沉值接近于拱顶下沉值而形成整体下沉。通过测定拱顶点的垂直尾翼隧道开挖面的变化情况，即可判断隧道的稳定性。拱顶下沉量通常在周边收敛测量一断面的拱顶轴线处设1个带钩的测桩来吊挂钢卷尺，用精密水准仪量测隧道拱顶绝对下沉量。
　　3.4 锚杆轴力的量测
　　在隧道锚杆孔内埋入测力锚杆，测量隧道围岩内部不同深度锚杆的受力。
　　3.5 地表下沉的量测
　　在隧道浅埋的地表测试范围内埋设沉降观测点，用精密水准仪量测观测点的绝对下沉量。
　　3.6 围岩内部位移的量测
　　在隧道锚杆内埋入多点位移计，量测隧道围岩周边相对于围岩内部不同深度的位移。
　　3.7 围岩与初期支护接触压力的量测
　　在围岩与初期支护间埋设压力盒，量测围岩与初期支护间接触压力。
　　3.8 初期支护与二次衬砌间接触压力的量测
　　在初期支护与二次衬砌间埋设压力盒，量测初期支护与二次衬砌间接触压力。
　　3.9 钢支撑应力的量测
　　把钢筋计焊接在钢支撑上，量测钢支撑应力。
　　3.10 喷射混凝土轴向应力的量测
　　在喷射混凝土施作过程中，把应力计埋入喷射混凝土层内，量测喷射混凝土的横向应力。
　　3.11 二次衬砌应力的量测
　　在模筑混凝土浇注过程中，把应力计埋入混凝土内，量测二次衬砌内应力。
　　3.12 围岩弹性波的量测
　　用HF-D型智能声波仪采用单孔法或跨孔法测定围岩中不同深度的岩体波速，以确定围岩松动区范围和岩体的完整性。
　　四、量测数据的处理和围岩的稳定分析
　　在现场监控量测中，由于量测条件、外界环境影响，加之操作时的人为因素，给测试数据不可避免地带来了偶然误差，实测值需经过一段的数字处理才能加以应用，因此必须进行数学上的回归分析。在一般的现场测试中，所测数据大多数是反映两个变量间的关系，这类问题的分析包括一元线性回归和一元非线性回归两种情况。
　　根据实测位移值，选择曲线函数，用回归分析来处理数据，作出实测值三点曲线及回归函数曲线图，然后进行位移分析，进而来判定围岩的稳定性。周边水平位移曲线，可以实测围岩净空变化值的大小，以判断围岩是否进入稳定状态；拱顶下沉曲线，可以实测拱顶下沉量，以判断现有的初期支护是否有效地约束围岩变形的增长。

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