通透肋式异型结构龙瀑隧道的监控量测技术

通透肋式异型结构龙瀑隧道的监控量测技术

张　胜　刘志楠

（安徽省交通规划设计研究院　安徽合肥　230031）

摘　要　通透肋式异型结构“半明半暗”施工的隧道在国内首次运用并实现。文章基于该异型结构隧道特点开展针对性的现场监控量测，为类似工程积累宝贵经验；文章根据现场采集的数据分析围岩受力与变形、拱架水平位移、拱架钢支撑受力及边坡地表沉降特点，并得出其规律；重点通过回归模拟给出拱架最终水平位移值，监控量测对该异型结构的隧道优化施工方法、数值模拟计算及结构设计提供准确的变形和位移，从而实现隧道动态设计与信息化施工。

关键词　通透肋式异形结构隧道　监控量测　数据分析　信息化施工

新奥法隧道施工由于其理论基础的科学性及正确性而被广泛采用，监控量测正是新奥法隧道施工中的重要组成部分，是监控围岩与结构稳定性的重要手段，被不断运用到生产实践中去^［1～2］。黄塔（桃）高速公路位于安徽、浙江、江西三省交界地区，大部分路段穿越皖南山区，沿线风光秀丽、山峦叠嶂。为了保护沿途环境和生态，龙瀑隧道遵循“生态路、旅游路、文化路”的设计理念，经过专家论证，采用了半明半暗、通透式拱形肋梁异型结构的建造方案（如图1所示），结构形式新颖，为国内首创。从结构形式上看，是一个三维空间问题（如图2所示），从施工过程上来看，必须考虑隧道开挖过程中各结构部件和围岩应力状态的不断调整。所以整个结构的稳定性分析实质是考虑空间和时间效应的过程状态评价，常规的平面结构计算程序已不能满足上述要求，需要借助大型有限元计算软件，对于开挖过程中整个结构体系的变形和应力进行三维数值模拟计算。为此，在施工过程中，对围岩受力和变形进行了跟踪量测，通过积累量测的基本数据，加以系统分析，并及时反馈。

图1　通透式拱梁隧道典型断面图

图2　通透式拱梁隧道三维数值模型图

1　工程概况

龙瀑隧道为左幅短隧道，全长80 m，右幅为桥。该隧道位于休宁县东临溪镇与龙田乡交界处的马金岭，位于拟建黄塔（桃）高速公路23 km处，沿线均为山岭、沟谷，距进口越近地势愈加陡峭，交通极为不便。场地地形总体东高西低。沿线路地面高程相对高差较大，地形起伏大。场地地貌属构造剥蚀低中山狭谷地貌，沟谷呈“V”形，谷底宽度5～6 m，边坡所在坡面下陡上缓，平均坡率大于40°，坡面基岩裸露，节理发育，天然状态下处于稳定状态。隧址区据地面地质调绘和钻探揭露，出露岩体主要为南田单元（Pt3N）钾长花岗岩，未发现断层、滑坡、泥石流、崩塌等不良地质作用，新构造运动不强烈，整个场地现状稳定。本隧道特点为地形、地质条件复杂，施工难度极大。隧道支护^［4］设计主要参数见表1。

表1　龙瀑隧道复合式衬砌支护主要设计参数

本隧道原设计采用高路堑方案，切坡基近山顶，挖方边坡高达40～50 m，施工中不可预见产生高陡边坡变形，环境因素较多，且植被破坏后恢复较为困难，绿化面积相当大，边坡后期养护成本高。经过充分论证改为“半明半暗”通透肋式拱梁异型结构隧道，其结构新颖，为国内首创，推广价值较高，且隧道后期养护成本大大降低。其技术难题是通透肋式拱梁隧道作为一种全新的洞室结构型式，在国内外无成熟的设计和施工经验可以借鉴，极具科研价值。为确保项目实施的安全可靠，现场监控量测与无损检测技术对合理控制隧道开挖进度，并对隧道长期稳定性做出评价，对顺利施工起到了关键作用。

2　现场监控量测

2．1　量测目的和意义

在隧道施工过程中，对围岩和支护、衬砌受力变形状态的量测，通过对量测结果的分析来判断围岩支护的稳定性和应力应变状态，对围岩稳定性和支护效果进行评价。根据隧道开挖后围岩稳定性的信息指导施工，进行综合分析，检验施工预设计。利用围岩反演参数修正数值模型，重新进行数值仿真模拟计算；把信息反馈给设计，以达到实现隧道动态设计的效果。

2．2　监测内容

监测项目主要根据龙瀑隧道工程的环境条件、地质条件、施工方法和支护类型等综合考虑确定。其监测内容包括：地质和支护状况观察，拱顶下沉量测，拱架水平位移，周边收敛量测和边坡地表下沉量测，桩基变形，桩基主筋应力，上横梁变形及应力，肋梁变形及应力，锚杆抗拔力，锚杆轴力，钢支撑内力，围岩与初支压力，初支与二衬压力，二次衬砌应力，初支混凝土内应力及边坡岩体深部位移的监测。对于该隧道而言，为超偏压隧道，整体稳定性至关重要。所以本文对反应在监控量测技术上的边坡地表下沉、拱架水平位移及部分选测项目进行详细的分析与论证。

3　监控量测数据分析

3．1　方法采集要求

监测数据采集的连续性尤为重要，所以要求隧道开挖后马上布置观测断面，以确保数据采集的及时性、准确性和有效性。龙瀑隧道必测项目数据采集采用高精度全站仪和收敛计，选测项目采用频率计及相关仪器。其量测仪器和量测频率见表2^［3］。量测数据由于偶然误差的影响具有离散性，现场采集的数据不可避免地存在误差，量测散点在曲线图中呈上下波动状态。监控量测数据一般不具有线性关系，因此，在分析整理数据的过程中，必须应用数学方法对现场采集的围岩收敛数据进行回归分析。某些特殊情况下，应根据优化法的基本原理采用一种适用于一般非线性函数回归分析的最小二乘迭代法，找出隧道围岩变形随时间变化的规律。

表2　监控量测项目量测频率表

注：S为距掌子面距离；B为隧道断面宽度。

3．2　地表下沉分析

龙瀑隧道属于浅埋超偏压地段，洞身段围岩为Ⅴ级强风化钾长花岗岩，节理裂隙较发育，碎裂散体结构。施工难度极大，所以边坡地表下沉的观测数据及时而准确地提供给施工单位，使得龙瀑隧道顺利开挖。本次监测在洞身段设置8个边坡地表下沉观测断面，根据长期现场监测表明，边坡地表下沉随着隧道开挖的进行，逐步趋于稳定。在观测时间段内，日变化量没有出现较大变化。在8个观测断面中，最小沉降点出现在ZSK23＋365断面，最小累积沉降值为－12 mm，靠近隧道最远测点D，如图3所示；最大沉降点出现在ZSK23＋375断面，最大累积沉降值为－29 mm，靠近隧道最近测点A，如图4所示。地表下沉变化曲线图，如图5和图6所示。

图3　龙瀑隧道ZSK23＋365断面地表下沉观测示意图

图4　龙瀑隧道ZSK23＋375断面地表下沉观测示意图

图5　龙瀑隧道ZSK23＋365断面地表下沉变化曲线图

图6　龙瀑隧道ZSK23＋375断面地表下沉变化曲线图

从6个月的监测数据表明龙瀑隧道边坡地表下沉特点如下：

前期沉降阶段：指开挖进洞到达测点前发生的沉降，沉降量约为总沉降量的30%；快速沉降阶段：发生在开挖面距离2倍洞径范围内，沉降量约为总沉降量的60%；沉降收敛阶段：发生在二衬结束后，沉降趋于稳定，沉降量约为总沉降的10%。本隧道地表下沉监测数据及时提供给施工单位并对控制下一步开挖进度给出施工建议，及时的施作二次衬砌使得地表下沉快速地趋于收敛，保证了施工的顺利进行。

3．3　钢拱架位移受力分析

公路隧道施工技术规范中关于监控量测项目中没有要求此项目的监测。由于洞室开挖过程中，围岩扰动程度和拱梁承受的偏压力迅速增大，为确保施工安全，而进行此项目的监测，可以获得水平受力变形情况，并通过监测数据分析得出最终的水平位移值。

分析计算实例：本隧道共完成8个断面拱架位移监测，每隔10 m布置一个监测断面。现选择典型断面ZSK23＋370进行分析说明。此段为上下台阶法进行开挖施工，从监测数据显示拱架水平位移变形主要经历3个阶段：第1阶段为隧道上台阶开挖后1～15 d为变形加速阶段，速率约为0．3 mm/d；第2阶段为开挖后15～30 d为缓慢变形阶段（二次衬砌施作阶段），变形速率约为0．13 mm/d；第3阶段为开挖30 d后二衬结束收敛阶段，变形速率为0．03 mm/d，变形已经趋于稳定。最终累积水平位移量小于10 mm。采用对数函数进行回归分析，表3为利用对数进行拱架水平位移的下沉回归分析所得数据。此典型断面是经过4个多月数据采集并利用对数函数进行回归分析得出最终累积位移值。拱架水平位移及其对数拟和曲线如图7所示。

从表3回归分析结果可得：截距ln a＝2．245 31，则a＝9．443 3，b＝0．002 846代入指数函数：

可以得到水平位移观测数据回归方程：

由回归方程（2），取t＝∞，可得出拱架的最终水平位移值：u＝9．443 3 mm。

表3　拱架水平位移对数回归分析表

3．4　拱架钢支撑内力分析

龙瀑隧道钢支撑内力断面布置原则为每隔10 m布置一组监测断面。从监测数据显示该典型断面各部位初期支护中的拱架钢支撑内力变化曲线均呈抛物线型，且自上而下，对应部位的钢支撑内力也依次减小，其中右侧拱腰处（即靠近边坡一侧）钢支撑内力量测值最大，自埋设38 d趋于稳定值9．235 kN，其他部位的钢支撑内力变化曲线也较为相似。下台阶开挖后埋设在左侧边墙部位的钢支撑内力值较小，51 d趋于稳定值2．212 kN。此监测数值远远小于数值模拟计算值，故具有较高的支护结构安全富裕度。钢支撑内力变化曲线如图8所示。

3．5　围岩压力量测及其结果分析

通过围岩接触应力量测，对围岩的应力状态有了深入的定量化了解，其围岩接触应力显示最大值出现在右侧拱腰位置，其值为0．20 MPa；在观测第12 d出现极值时，监控组及时给施工单位提出了加固建议进行加固。此次灾害预报使得隐患得以消除。监测曲线如图9所示。

图7　ZSK23＋370断面钢拱架水平位移变化曲线图

图8　ZSK23＋378断面拱架钢支撑内力变化曲线图

3．6　桩基监测及其结果分析

龙瀑隧道总共有14根桩基，分别在14根桩基埋设了相应的应力传感器元件。在开挖过程中，与其他选测项目同步进行监测受力分析。选择具有代表性的桩基监测结果进行分析。本文选择的是12号桩基，具体桩号为ZSK23＋368．5断面，监测曲线如图10所示。此桩基监测数据出现最大值与围岩与初支压力变化曲线出现最大值是同时出现的，使其监测成果得到了相互验证。

图9　ZSK23＋370断面围岩与初支压力变化曲线图

图10　12号桩基监测变化曲线图

4　结论与建议

根据监控量测数据的分析和隧道施工现场监控量测的情况得出以下结论和建议：

①该隧道洞身段不稳定因素较多，在监控过程中，监测断面及点位布置密度都相应的加大，观测频率也相应加大。对于变形较大地段，在加大监测频率的同时，将监测资料和数值计算结合起来，验算围岩及结构稳定性，作为动态设计及科学指导施工的依据。

②对于通透肋式拱梁结构的隧道，国内外无任何施工经验可借鉴，为保证施工安全，在拱顶下沉及周边收敛没有达到收敛状态就及时施作了二次衬砌，此时虽然变形没有完全收敛，但已经释放了大部分变形，及时的二次衬砌限制了围岩的进一步变形。这种方法对于该隧道的施工是可行的和必要的。

③通透肋式拱梁隧道作为一种全新的洞室结构型式，在数值模拟、动态设计及信息化施工中监控量测起到了关键性的作用。

④本文个例监测取得的经验和认识不具普遍的指导意义，对类似工程可以提供参考。

⑤结合各项监测项目得出位移与受力变形周期基本一致。

参考文献

［1］李焱．监控量测技术在通谕隧道中的应用［J］．西部探矿工程，2006（增刊）：295-297．

［2］郑凯，刘保国．复杂地质条件下大跨度双连拱隧道监控量测技术的运用［J］．隧道建设，2006，26（2）：53-56，60．

［3］交通部重庆公路科学研究所．公路隧道施工技术规范［S］．北京：人民交通出版社，1995．

［4］张胜，王飞，等．黄山至塔岭和小贺至桃林高速公路施工图［R］．安徽省公路勘测设计院，2005．