围岩量测技术在老鸦峡隧道中的应用

娄奕红1 王秉勇2

(1?佛山科学技术学院土木工程与建筑学系，广东佛山528000；2?中铁西北科学研究院，甘肃兰州730000)

摘要：以实际工程为例，系统地阐述了隧道工程中围岩量测技术的量测方法、注意事项、量测数据的处理，以及围岩稳定性的判别方法；通过施工现场监测，掌握围岩和支护在施工中的力学动态及稳定程度。
关键词：隧道工程；围岩量测；方法；数据处理
1 工程概况
马平高速公路老鸦峡2#隧道是分离式双洞(左右线)单向行驶隧道。隧道出口段地质围岩分为三类：洞口段为ⅰ类围岩，地质情况为卵石，砂土填充，无胶结，同时存在采空区(在隧道进洞之前已对采空区进行了回填封堵灌浆处理)，易发生大的塌方；紧接ⅰ类围岩为ⅲ类围岩，地质情况为石英闪长岩，小节理裂隙发育，局部受风化影响节理裂隙发育；然后是ⅳ类围岩段，地质情况为石英闪长岩，小节理裂隙发育。整条隧道地下水位于设计高程以下，不发育，隧道开挖最大跨度为15?5 m，最小为13 m，开挖高度为11 m。
2 量测项目
根据现场实际情况，进行了以下几项量测：洞内观察，地表下沉量测，拱顶下沉量测，周边收敛量测。
3 量测
3.1 洞内观察
隧道在开挖后要进行地质观察，在支护完成后对已支护地段要进行观察。
对开挖的围岩观测包括以下几项：
(1)节理裂隙发育程度及方向；
(2)开挖工作面的稳定状态，顶板有无坍塌现象；
(3)涌水情况：涌水的位置、涌水量、水压等；
(4)是否有底板隆起现象。
对初期支护段围岩观测主要有以下几项：
(1)是否发生锚杆被拉断或垫板脱离围岩现象；
(2)喷混凝土是否发生裂隙和剥离或剪切破坏；
(3)钢拱架有无被压变形情况。
3.2 地表下沉量测
地表下沉量测布置在4 b～6 b(b主洞室宽)范围，中线附近密些，外侧渐稀。
(1)测点埋设：在埋设点挖长、宽、高均为20 mm 的坑，然后放入沉陷测点，测点一般采用25 mm 长、350 mm半圆头钢筋制成。测点四周用混凝土填实。在开挖影响范围以外设置水平基点2个 ～3个。水平基点埋设方法同上。
(2)量测——沉陷量计算：使用普通水准仪和水准尺，测出各沉陷量测点的标高，然后按下式计算沉陷量。
un=a0-（a基-r后+r前)（1）
式中un——第n次量测下沉量，mm；
a０——测点初始标高，mm；
ａ基——水准基点标高，mm；
r后——第n次量测后视读数，mm；
r前——第n次量测前视读数，mm。
3.3 拱顶下沉
在拱顶部位布设一个测点，中线两侧2 m处拱腰部位布置两对称测点，三个点位于一个断面，布设时采用全站仪测放，量测断面的间距为ⅰ类围岩段10 m，ⅲ类围岩段15 m，ⅳ类围岩段20 m，量测间隔时间：1d～15d1次/d；16 d～1个月1次/2d；1个月～3个月1次/周。
下沉量计算：
un=a０-（ａ基-r后+r前)(2)
式中un——第n次量测下沉量，mm；
a０——测点初始标高，mm；
ａ基——水准基点标高，mm；
r后——第n次量测后视读数，mm；
r前——第n次量测前视读数，mm。
华东公路2002年第4期2002年第4期娄奕红，王秉勇：围岩量测技术在老鸦峡2#隧道中的应用
3.4 周边位移
周边位移量测主要量测两侧边墙收敛值。
布设测点如下：在ⅳ类围岩中，每隔50 m布置一个断面；ⅰ类、ⅲ类围岩每隔20 m布设一个断面。每个断面布置3对测点，在楔形体范围内大致布置于上中下，每组两个测点保持在水平位置。
4 量测数据的处理
采用隧道净空变化值(收敛值)作为信息反馈值。收敛值指隧道周边两测点连线方向上相对位移值，所以必须把它换算成两测点的绝对位移值，换算的方法按几何关系有：
(ui-uj)cosaij+(vi-vj)sinaij=dij(3)
式中ui、uj、vi、vj——i、j两测点绝对位移的水平和垂直分量；
a——ij连线与水平方向夹角，按逆时针方向为正；
d——基线ij方向的收敛值。
采用一元非线性回归方程。
指数方程：
u=a(1-e-bt)(4)
当量测时间t１=t2时，则解得回归系数
a=u２１/(2u1-u2)
b=1/tln［u１／（u２-u１)］(5)
当量测时间t2=2t1，则用拉格朗日插值方程求解2t1时的量测值u，然后再用两倍时差求解a、b值，
u=［(t3-2t1)u2+(2t1-t2)u3］/(t３?t2)(6)
得出回归方程后，可以绘出位移时间曲线，得出某一时刻位移速率，从位移时间形态、位移速率与某临界值相比较，确定采用何种支护结构及支护结构施作时间。
施工规范中规定隧道周边允许相对位移值(%)如表1。
5 围岩稳定性判别标准
位移——时间曲线的形态，根据岩体的流变特性，岩体破坏前的变形曲线分成三个区段。分别如下。
(1)基本稳定区：变形速率不断下降，d2u/dt＜0时，表明围岩趋于稳定，支护是安全的。
(2)过渡区：变形速率长时间保持不变，d2u/dt=0，表明支护要加强同时及时调整施工程序。
(3)破坏区：变形速率逐渐增加，d2u/dt＞0时，曲线出现反弯点，表明围岩已达到危险状态，必须立即停工加固。
表1规范规定隧道周边允许相对位移值
围岩类别〖〗覆盖层厚度(m)小于50〖〗50～300〖〗大于300允许相对位移值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相对位移值指实测位移值与两测点间距离之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比；
②脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值。
6 工程实例
根据表2数据计算如下：
第1组数据：
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
当t=22 d时，
du/dt=0?14 mm/d＜0?2 mm/d
说明地表达到基本稳定。
第2组数据：
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
当t=20 d时，
du/dt=0?19 mm/d＜0?2 mm/d
说明地表达到基本稳定。
第3组数据：
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
当t=26 d时，
du/dt=0?19 mm/d＜0?2 mm/d
说明地表达到基本稳定。
第4组数据：
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
当t=12 d时，
du/dt=0?18 mm/d＜0?2 mm/d
说明地表达到基本稳定。
由以上四组数据可知，当开挖到26 d时，该断面地表达到稳定。
工程名称：马平高速公路老鸦峡2#隧道左线
观测项目：地表下沉
设点里程：lk 27+542?4
表2马平高速公路老鸦峡2#隧道左线地表下沉观测情况
观测日期〖〗测点编号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根据表3数据计算如下：
数据处理：
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
当t=21 d时，
du/dt=0?197 mm/d＜0?2 mm/d
说明围岩达到基本稳定，此时可以进行二衬施工。
根据表4数据计算如下：
数据处理：
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表明围岩趋于稳定，支护是安全的。
当t=11 d时，du/dt=0?179 mm/d＜0?2 mm/d说明围岩达到基本稳定，此时可以进行二衬施工。
工程名称：马平高速公路老鸦峡2#隧道右线
观测项目：拱顶下沉
设点里程：rk 27+538
表3马平高速公路老鸦峡2#隧道右线观测情况
观测日期〖〗测点编号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工程名称：马平高速公路老鸦峡2#隧道右线
观测项目：周边收敛
设点里程：rk 27+488?26
观测时间：2001?08-07～2001?09?06
表4马平高速公路老鸦峡2#隧道右线周边收敛观测情况
量测时间〖〗第1 d〖〗第5 d〖〗第10 d〖〗第15 d〖〗第20 d〖〗第25 d〖〗第30 d径向位移(mm)〖〗0〖〗5?21〖〗7?98〖〗8?01〖〗8?30〖〗8?85〖〗8?927结论
围岩量测技术在老鸦峡2#隧道的应用，量测反馈的信息正确地指导了隧道施工，使工程顺利通过洞口采空区段及大卵石砂土填充且无胶结的ⅰ类围岩段，保证了在施工过程中没有发生一起塌方事故，对隧道的安全质量进度提供了坚实的基础和有力的保障。
参考文献
［1］刘玉珠主编?土木工程测量?广州：华南理工大学出版社，2001