1、概述

隧道新奥法施工，比较强调研究围岩变形，因为岩体变形是其应力形态变化的最直观的反映，对地下空间的稳定能提供可靠的信息，也比较容易测得。

隧道围岩周边各点趋向随到中心的变形称为收敛，所谓隧道收敛位移测量主要是指对隧道壁面两点间水平距离的变形量的测量，拱顶下沉以及地板隆起位移量的测量等。它是判断围岩动态的最主要的测量项目，特别是当围岩为垂直岩层时，内空收敛位移测量更是具有非常重要的意义。

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隧道顶底板及侧端某部位的实际位移值，绝对位移的测量需要花费较长的时间。在一般情况下并不需要获得绝对位移，只需要了解围岩相对位移的变化就可满足要求，因此施工现场测试多测量相对位移。

2、监控量测的目的

2.1  确保施工安全及结构的长期稳定性；

2.2  验证支护结构效果，确认支护参数和施工方法的准确性或为调整支护参数和施工方法提供依据；

2.3  确定二衬施做时间；

2.4  监控工程对周围环境影响；

2.5  积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据；

3、监控量测项目和量测仪器

3.1  监控量测项目和量测仪器

监控量测项目和量测仪器见表3.1.1和3.1.2

表3.1.1      监控量测必测项目和量测仪器

4.1监控量测组织和监控量测人员。

监控量测组织见图4.1，监控量测人员见表4.1。

总 工

工 程 部

安 质 部

测 量 班

试 验 室

五队量测组

四队量测组

三队量测组

二队量测组

一队量测组

图4.1  监控量测组织图

监控量测小组人员见表4.1.

工程队

图4.2监控量测管理工作流程图

监控量测项目制定

管理基准的设定

隧道开挖

量测数据分析

初期支护施工

测点埋设

量测数据采集

结束

监测总结

施工建议

安全分析

已施工段支护加强措 施

修改支护设计参 数

修改管理基准值

人员、仪器准备

满足

不满足

5、监控量测断面的选择和测点布设

5.1  监控量测断面选择

在洞内按照Ⅴ级围岩5～10m，Ⅳ级围岩地段10～30m，Ⅲ级围岩地段30～50m布设量测断面。在施工过程中，围岩特性比较突出地段加设量测断面。每种岩层必须设置至少一个量测断面。浅埋隧道地表沉降测点纵向间距见下表5.1.1。

表5.1.1    浅埋隧道地表沉降测点纵向间距

地表沉降测点横向间距为2～5m，在隧道中线附近测点应适当加密，隧道中线两侧量测范围不应小于H0+B,地表有控制性建筑物时，量测范围应适当加宽。测点布置如下图

H0

2H+B  每2～5m埋设

B/2

B/2

10m

10m

45°

预埋点示意图

150cm

15cm

15cm

10-20cm

地面线

予埋点

15cm

地表下沉测点布置图

必测项目监控量测断面间距见表5.1.2。

表5.1.1.2   必测项目监控量测断面间距

当采用全断面开挖时，在一般地地段每个监测断面通常埋设1号、2号、3号、4号、5号共5个测桩，布置A、B、C、D共4条测线。若为半断面开挖，可先埋设1号、2号、3号测桩，对A、B、C3条测线进行测量，当台阶开挖到达相应的监测断面位置时，再埋设4号、5号测桩，对下部D线进行测量。如下图5.1所示：

图5.1      测桩及测线布置图

在特殊地段，根据具体情况，可以另外增设测线。

对埋设测桩的要求：

（1）1号、2号、3号、4号和5号测桩应埋设在同一垂直平面内。

（2）1号和2号、4号和5号测桩分别在同一水平线上，3号测桩应埋设在拱顶。

（3）1号、2号测桩应埋设在起拱线附近，4号、5号测桩应设在施工底面上1.5m左右。

6、监控量测频率

根据围岩变形规律，变形量在开挖后初期变形大，以后逐步变缓，最后趋于稳定，根据《铁路隧道监控量测技术规范》规定量测频率见表6.1。

表6.1  按距开挖面距离确定的监控量测频率

另外，根据《铁路隧道监控量测技术规范》第4.4.1条规定，净空变位量测和拱顶下沉量测的测试频率主要根据位移速度及离工作面而定，如表6.2所示：

由位移速度决定的量测频率和由距开挖面距离决定的量测频率中，原则上采用频率高的，当位移倾向一定时，可以不采用上表的数据。

由于测线和测点的不同，位移速度也不同，因此应以最大位移速度来决定量测频率。

在塑性流变岩体中，位移长期（开挖两个月以上）不能收敛时，量测要继续到每月1mm为止。

表6.2  净空位移和拱顶下沉的量测频率

7、监控量测控制基准

7.1  隧道初期支护极限相对位移

监控量测控制基准包括隧道内位移、地表沉降、爆破振动等，应根据地质条件、隧道施工安全性、隧道结构的长期稳定性，以及周围建（构）筑物特点和重要性等因素制定。隧道初期支护极限相对位移参照表7.1.1选用：

表7.1.1    跨度B≤7m隧道初期支护极限相对位移

7.2  拱顶下沉量

拱顶下沉量的大小，根据测线A、B、C的实测值并利用三角形公式换算求得，如图2所示：

 拱顶下沉量：

      Δｈ =h1-h2

    S=(a+b+c)/2

S´=(a´+b´+c´)/2

式中，a、b、c-----前次量测A线、B线、C线所得的实测值；

a‘、b’、c‘-----后次量测A线、B线、C线所得的实测值；

现场监控量测报告单，量测组人员在现场量测时逐项一一认真填写，并对有关量测数据及时进行处理。将分析结果与发现的问题，速送现场施工单位与监理组，以便用于反馈信息指导施工，修改设计。（后附报告单模板）

7.3位移控制基准的确定

位移控制基准应根据测点距开挖面的距离，由初期支护极限相对位移按表7.2要求确定。

表7.2   位移控制基准

8、监控量测系统及元器件的技术要求

8.1  监控量测系统的测试精度应满足设计要求。

拱顶下沉、净空变化、地表沉降、纵向位移、隧底隆起测试精度为0.5~1mm，围岩吧内部位移测试精度为0.1mm,爆破振动速度测试精度为1mm/s。其他监控量测项目的测试精度结合元器件的精度确定。

8.2元器件及精度要求。

元器件的精度应满足表8.2.1的要求，元器件的量程应满足设计要求，并具有良好的防震、防水、防腐性能。

表8.2.1    元器件的精度

9、监控量测方法

9.1  一般规定

9.1.1现场监控量测应有施工单位负责组织实施。

9.1.2现场监控量测应根据。 

现场监控量测应根据已批准的监控量测实施细则进行测点埋设、日常量测和数据处理，及时反馈信息，并根据地质条件的变化和施工异常情况，及时调整监控量测计划。

9.1.3 现场监控量测方法应简单、可靠、经济、实用。

9.2洞内、外观察

9.2.1施工过程中应进行洞内、外观察。洞内观察可分为开挖工作面观察和已施工地段观察两部分。

9.2.2 开挖工作面观察应在每次开挖后进行，及时绘制开挖工作面地质素描图、数码成像，填写开挖工作面地质状况记录表，并与勘查资料进行比对。

   已施工地段观察，应记录喷射砼、锚杆、钢架变形和二次衬砌等的工作状态。

9.2.3 洞外观察重点应在洞口段和洞身浅埋段，记录地表开裂、地表变形、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗漏情况等，同时还应对地面建（构）筑物进行观察。

9.3  变形监控量测

9.3.1隧道净空变化量测可采用收敛计或全站仪进行。测点应埋设在测线的两端。

9.3..1.1 采用收敛计量测时，测点采用焊接或钻孔预埋。

9.3.1.2  采用全站仪量测时，测点应采用膜片式回复反射器作为测点靶标，靶标粘附在预埋件上。量测方法包括自由设站和固定设站两种。

9.3.2  拱顶下沉量测可采用精密水准仪和铟钢挂尺或全站仪进行。在隧道拱顶轴线附近通过焊接或钻孔预埋测点。测点应与外监控量测基准点进行联测。

9.3.3地表沉降监控量测可采用精密水准仪、铟钢尺进行，基准点应设置在地表沉降影响范围之外。测点采用地表钻孔埋设，测点四周用水泥砂浆固定。

10、监控量测数据分析及信息反馈

10.1进行量测数据处理的目的是：

10.1.1监视围岩变形或应力状态随时间变化情况，对最终位移值及变形速率的变化进行预测预报。

10.1.2探求围岩变形或应力状态的空间分布规律，了解围岩稳定性的特征，以求合理设计支护系统。

10.1.3将各种量测数据相互印证，以确认量测结果的可靠性。

10.2量测数据的散点图和曲线

由于隧道工程地质条件和施工工序的复杂性以及具体量测环境的不同，开挖导致隧道围岩变形并不是单调的增加的。围岩变形随时间的变化，在初始阶段呈波动的，然后逐渐趋于稳定。在量测数据整理中，可选用位移——时间曲线的散点图。

现场量测所得的数据（包括量测日期、时刻、隧道内温度、同以测线的三次重复量测微读数及钢尺孔位读数等）应及时绘制位移——时间图（或散点图）。在图中应注明量测时工作面施工工序和开挖工作面距量测断面的距离，以便分析施工工序、时间、空间效应与量测数据间关系。

10.3围岩形变——时间关系曲线

现场实测数据，必须经过计算求得量测时间间隔、累计量测时间、隧道水平收敛差值、累计收敛差值、当日收敛速率、平均收敛速率、拱顶下沉差值、累计拱顶下沉值、当日拱顶下沉速率、平均拱顶下沉速率、量测断面至开挖面距离等。在次基础上，绘出量测断面测线的收敛差值及累计收敛差值与时间关系曲线、当日收敛速率与时间的关系曲线、拱顶下沉差值及累计拱顶下沉值与时间关系曲线，当日拱顶下沉速率及平均速率与时间关系曲线等。

根据数据处理后围岩变形——时间曲线，找出不同时刻围岩的变形量以及围岩变形的发展趋势，进而预估围岩的最大变形量，用以同变形临界值相比较，以便判断隧道围岩变形是否在允许范围。

10.4量测数据的回归分析

由于偶然误差的影响使量测数据具有离散型，根据实测数据绘制的变形随时间而变化的散点图出现上下波动，很不规则，难以据此进行分析，必须应用数学方法对量测所得的净空收敛数据进行回归分析，找出隧道围岩变形随时间变化的规律，以便为修改设计与指导施工提供科学依据。

对初期的时态曲线应进行回归分析，选择与实测数据拟合好的函数进行回归，预测可能出现的最大拱顶下沉及净空水平收敛值。常用回归函数可以在下列函数中选择：

对数函数：µ=alg（1+t）；

µ=lg[(b+T)/(b+t0)]；

指数函数：µ=ae-b/t；

µ=a（e-bto-e-bt）；

双曲函数：µ=t/（a+bt）；

µ=a[1/（1+bt0）2-1/（1+bt）2]

式中：

µ——变形位移值，mm；

a、b——回归系数；

t——测点，埋设后的时间，d；

t0——测点埋设后的初读数时间，d；

T——量测时距开挖时的时间，d。

11、允许变位量和位移速率

围岩及支护的稳定性应根据开挖工作面的状态、净空面水平收敛值及拱顶下沉量的大小和速度综合判定，当速度位移无明显下降，而此时实测相对位移值已接近表中规定的数值，或者混凝土表面出现明显的裂缝时，必须立即采取补强措施，并改变施工方法或设计参数。

事实上，允许位移量的确定并不是一件很容易的事情。具体工程的地质条件，水文地质状况以及施工方法的不同，出现的情况也十分的复杂。因此，需要根据工程的具体情况慎用前人的经验。特别是对完整型号的坚硬岩体，隧道失稳时围岩变形往往较小，应特别注意。

根据量测结果，可按表11.1的变形管理等级进行指导施工。

表11.1     变形管理等级表

外国工程师根据现场量测隧道位移知道的大小制定了以下危险警戒标准，也可以作为借鉴，见表11.2：

表11.2 弗朗克林警戒标准

我国《铁路隧道施工技术规范》规定，隧道周边位移速率小于0.1 ~ 0.2 mm/d，或拱顶下沉速率小于0.07 ~ 0.15 mm/d时，方可施作二次衬砌。

12、量测数据处理工程实例

现将某高速公路隧道右线中YK37+215量测断面的处理情况介绍如下：

12.1.量测断面地质

YK37+215量测断面位于三叠，围岩为薄～中厚层状灰岩、白云岩、白云质岩。岩体中发育节理2～３组，间距0.3～0.5m，岩层产状为1150～1320，∠420～780，岩体为块碎镶嵌结构，属Ⅱ类围岩。

12.2.内空收敛管理系统流程

内空收敛管理系统时根据隧道新奥法监测的原始数据，选择净空收敛值(内空收敛和拱顶下沉)进行重点处理。由于采用三角形法监测的断面多，有必要对原始数据进行微机管理，建立数据库对原始数据进行管

理，并开发了软件。收敛观测系统流程为：

收敛观测线——收敛计——测试资料计算机整理——结果

12.3.量测数据处理

现场实测数据，必须经过计算求得量测时间间隔、累计量测时间、隧道水平收敛差值、累计收敛差值、当日收敛速率、平均收敛速率、拱顶下沉差值、累计拱顶下沉值、当日拱顶下沉速率、平均拱顶下沉速率、量测断面至开挖面距离等。在次基础上，绘出量测断面测线的收敛差值及累计收敛差值与时间关系曲线、当日收敛速率与时间的关系曲线、拱顶下沉差值及累计拱顶下沉值与时间关系曲线，当日拱顶下沉速率及平均速率与时间关系曲线等。现将有关量测数据经计算分别列于表6、表7中，根据量测数据处理后，绘制出有关变形（变形速率）与时间关系曲线。

(1)YK37+215量测断面内空水平收敛数据处理表，见表12.3.1：

表12.3.1    YK37+215量测断面内空收敛数据处理表

表12.3.2   拱顶下沉数据处理表

根据量测处理数据，选用三种函数对数函数µ=t/（a+bt），µ=ae-b/t和µ=a（e-bto-e-bt）对净空收敛值进行回归，选择精度最高的作为其回归方程。

根据YK37+215量测断面处理数据，经过回归得：内空收敛回归方程为µ=4.19-4.28e-0.0t，回归精度SD=0.0188，绘出回归曲线；拱顶下沉回归方程为µ=3.28-3.36e-0.093t，回归精度SD=0.0198，同时作出回归曲线。拟合曲线图，对比实测数据曲线和回归拟合曲线，发现基本吻合。

在这个工程的监测过程中，我们对整个隧道得原始数据都进行了回归处理，经过统计分析得到各类围岩得一般回归方程，并对各类围岩代表性断面进行回归列举。下载本文