隧道施工過程變形監測及分析

劉峰峰

（山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

1 監測方案

隧道工程施工過程中的監測內容一般包括圍巖變形、地質開挖記錄、施工過程記錄及支護參數等。研究表明，在上述監測內容中，最為關鍵的是圍巖變形，它可借助全站儀對固定反光片靶位進行測量，從而獲得隧道斷面的沉降量[1-2]。此外，還可以通過激光斷面儀來檢測斷面的變形狀況，并與全站儀測量結果進行比對，以更準確地判斷圍巖變形規律。在實際監測工作中，開挖面的地質條件可借助地質記錄表、影像圖片等形式進行記錄保存；支護結構狀態則需要借助進度報告、技術方案、變更資料等獲取[3]。

1.1 監測點位布置

借助全站儀測量固定反光片靶位。各測點的布置對測量結果的準確性和可靠性有較大影響。根據支護、開挖工藝的基本特點，將測點分別布置在初期支護鋼拱架的連接處及隧道開挖臺階交界處，因為這些測點對于結構變形較為敏感，能夠靈敏地反應隧道結構狀態的變化情況[4]，如圖1所示。

圖1 測點布置示意圖

根據圖1，在隧道結構斷面上共布置了A,B,C,D,E共5個不同測點，其中測點C布置于斷面的拱頂中央位置，用于測定拱頂位置的沉降量；測點B,D則布置于上臺階、中臺階連接上1m處，用于測定這兩點位的水平間距，為拱內變形評價提供依據；測點A,E布置于中臺階、下臺階連接上1m處，用于測定這兩點位的水平間距，為邊墻變形評價提供依據。

隧道施工過程中應當保證測點的穩定性，確保監測結果真實可靠。為保證監測工作有責可循，可采取“誰施工誰負責”的原則，落實監測管控制度。測點應當在該施工段開挖完成后布置，并對下一開挖工序結束前進行監管，采集數據。測點的間距應當基于圍巖等級、地質條件、規范要求進行設置，可大致參照表1來確定。

表1 監測點間距設置

監測時，可采用紅色油漆對監測段進行標注，提醒施工人員注意保護測點穩定，并及時進行補充、校正，保證數據的真實性。

1.2 監測頻率

監測頻率的選擇不僅影響監測工作的準確性，同時也關乎監測工作量，在實際工程中需要平衡好兩者之間的關系，不能單純追求高頻率而忽視由此導致的高成本、高周期，同時也不能過于減少頻率使得檢測結果失真[5]。對于復雜監測內容，技術人員應當基于規范標準做出適當調整，充分考慮圍巖級別、變形速率等因素，如表2所示。一般來說，施工實際情況為：上、中臺階長度分別為12m和25m，其分別約等于1倍及2倍洞徑，按照左右錯開的方式開挖；下臺階與拱頂的距離約為12m。施工進程可按照18h/循環的標準執行，每個循環掘進約1.2m。

表2 監測頻率表

2 隧道施工過程變形監測分析

本文以我國山西某隧道工程為例展開分析，該項目建設地位于山區、河谷交錯地區，其圍巖以千枚巖為主。

根據B,C,D測點的沉降量-時間關系曲線、沉降速率-時間關系曲線以及BD,AE累計收斂量-時間關系曲線3個關系圖展開分析，并基于施工方案、支護類型，深入探究其變形規律。

除上述變形-時間曲線外，結構位置也是一項需要引起重視的關鍵變量，主要包括：縱向位置，一般可借助斷面里程及斷面與開挖面的間距來表示；環向位置，一般以拱頂中心為原點化環線曲線為直線處理。據此可繪制出B,C,D三個測點位置的沉降量-位置關系曲線、沉降速率-位置關系曲線及BD,AE累計收斂量-位置關系曲線。

分析施工進度可知，時間、位置兩個指標具有一定的等價性。不同的是，位置、變形之間的關系能夠較為直觀地呈現施工因素對于隧道穩定性的影響，即可以將隧道變形視為施工過程引起的變化，未施工時結構所發生的變形也可認為是施工引起的變形滯后。

此外，由斷面掃描結果可得到斷面輪廓與時間之間的變化關系，一方面，可將其與監測數據進行比對分析，另一方面，也可作為額外數據進行差值處理，形成對監測點位數據的補充，作為結構設計更為科學、全面的參考。

3 隧道施工過程中變形的時間特征

在變形監測中，監測結果能直接地反應不同測點變形量、變形速率與時間之間的關系，可為隧道施工過程中的變形控制提供參考。該項目變形監測涉及強風化水平下千枚巖的圍巖結構影響，這與一般隧道結構存在顯著差異，因此需要重點關注。對強風化千枚巖的斷面進行監測，得到沉降量-時間關系曲線如圖2所示。

圖2 沉降監測圖

由圖2可知施工過程中該路段斷面拱部位置B,C,D三個測點的沉降量變化情況。直至隧道結構初步支護工序結束，變形達到穩定狀態，這一過程約持續30d，且未表現出顯著收斂。其中，B測點（右側拱腳）位置發生的累積沉降達到736.4mm，遠高于3%的隧道當量半徑（即200mm），因此被認定為嚴重變形；C測點（拱頂）位置發生的累積沉降達到310.7mm；D測點（左側拱腳）位置發生的累積沉降達到227.4mm，也被認定為大變形。此外，各測點位置的沉降量隨時間的推移均表現為不斷增加的趨勢，其中B測點位置的累積沉降量存在兩端變化劇烈的區段，而C測點、D測點累計沉降量的變化則較為平緩，且C測點高于D測點。

經斷面監測得到沉降速率-時間關系曲線如圖3所示。根據圖3可知施工過程中在該路段斷面的拱部位置B,C,D三個測點的沉降速率變化情況。三個測點的沉降速率整體呈“高-低-高-低”的變化趨勢。其中B測點（右側拱腳）的高水平沉降速率約在20～130mm/d范圍內，低水平沉降速率主要集中在小于15mm/d的區間內；C測點（拱頂）的高水平沉降速率約在5～20mm/d的范圍內，而其低水平沉降速率主要集中在小于5mm/d的區間內；D測點（左側拱腳）的高水平沉降速率約在5～20mm/d范圍內，而其低水平沉降速率主要集中在小于5mm/d的區間內。此外，各測點位置的第二次低水平沉降速率較第一次均更低，表現出顯著的收斂性。根據曲線圖3可知，沉降速率-時間變化曲線與累計沉降變化曲線較為類似，這主要由于開挖過程中隧道結構逐漸發生變化，由近平衡狀態逐漸向失衡方向發展。在系統恢復既有平衡的過程中，結構變形隨之出現顯著提升。同時，支護措施的完善，也改善了結構系統的魯棒性，對于結構狀態的兼容性也更好。

圖3 沉降速率監測圖

經監測，得BD收斂速率-時間變化曲線如圖4所示。

圖4 收斂監測圖

根據圖4可知施工過程中在該路段斷面BD間累計收斂量、收斂速率的變化情況。在隧道結構初步支護工序結束、變形量達到穩定狀態的過程中，BD的累計收斂量達到274.8mm，認定為大變形。根據BD的累計收斂及收斂速率曲線，亦符合“高-低-高-低”的變化趨勢。BD的高水平收斂速率約在5～30mm/d的范圍內，而其低水平收斂速率則主要集中在小于5mm/d的區間內。就變形量指標而言，沉降變形量較BD收斂量的變化更為突出，但兩者整體變化趨勢較為類似。

4 結論

本文結合工程實例，通過對隧道施工過程中各個測點的沉降變形-時間關系分析，得出以下結論：

（1）隨施工時間的推移，隧道結構變形逐漸累積，且收斂時間較長，變形量一般較大。通過案例分析發現，強風化的千枚巖具有較為突出的變形問題，且大多處于大變形狀態。

（2）隧道結構的變形速率-時間關系曲線大致表現為“高-低-高-低”的變化趨勢，結構不同位置的變化水平存在一定差異。

（3）隧道結構變形可通過支護結構進行監測。在施工過程中可能伴隨產生開裂寬度增大、混凝土層剝落的現象。