秀山隧道进口正洞泥岩段量测技术应用

汪现伟

摘要：以新建铁路昆明至河口线玉（溪）-蒙（自）段秀山隧道进口正洞泥岩段施工为例，围岩监控量测点的布设、方法和频率进行探讨，以便得到及时、准确的量测数据及分析结果，对地质条件复杂的隧道施工方法的可行性、设计参数的合理性进行评价，以便及时调整，从而为地质条件复杂隧道的施工安全提供有力保障。

关键词：围岩监控量测；复杂地质条件；拱顶下沉；水平收敛

Abstract: The new railway from Kunming to the estuary line jade (River) - Mongolia (), Xiushan tunnel entrance hole is mudstone section construction, for example, the surrounding rock laid, methods and frequency of monitoring measurement point to explore, in order to receive timely, accuratemeasurement data and analysis results, the feasibility of the complex geological conditions of tunnel construction methods, the rationality of the design parameters to evaluate in order to adjust to provide effective protection for the safety of complex geological conditions, the construction of the tunnel.

Key words: wall rock monitoring measurements; complex geological conditions; crown settlement; horizontal convergence

中图分类号： TK31文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

0引言

随着我国铁路交通的迅速发展，全国各地先后建成许多了较大规模的铁路线路，通过这些铁路线路的建设，推动了隧道工程技术的发展，促进了新奥法技术在我国的运用。特别是复杂的地质条件下，如何保证隧道施工的安全，是每一位建设者必须优先考虑的。而隧道围岩监控量测是新奥法首要内容，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。监控量测工作必不可少，它是保障隧道施工安全的关键因素，也可为评价施工方法的可行性、设计参数的合理性以及了解围岩及支护结构的受力和变形特性等提供准确及时的依据，对隧道施工安全、质量具有决定性意义。

因此，围岩监控量测是软弱围岩隧道安全施工的“眼睛”，是判断结构稳定性、指导软弱围岩隧道安全施工“最重要”的信息化手段。不进行监控量测，将无法保证软弱围岩的安全施工。很多隧道的变形与坍方是因为没有进行量测、或没有使用量测成果而造成的，教训深刻。

1、工程概况

秀山隧道全长10.302Km，秀山隧道正洞起讫里程为DK27+060～DK37+362，隧道于线路左侧、与正线间距30m设置贯通平导，平导起讫里程为PDK27+054～PDK37+354，全长10.300Km。秀山隧道是全线的控制性工程，被铁道部评为国家I级风险隧道。该隧道地质情况十分复杂，褶皱与断层均比较发育，岩体受构造影响极其严重，岩体破碎，风化强烈，主要以IV、V级围岩为主，自稳较差。秀山隧道进口穿越三个大断层，关营断层、通海断层、泥者断层，断层受构造影响围岩破碎，完整性差，且地下水丰富，主要为岩溶裂隙水和基岩裂隙水，最大日涌水量为23.5万m3。全隧为单面坡，最大坡度为20.4‰，进口反坡排水，有轨运输重车上坡施工，隧道最大埋深467米。

2、工程地质

根据勘测资料，秀山隧道地层岩性复杂，各种地质构造（断层、活动断层、褶皱及节理裂隙等）发育，岩体被强烈挤压破碎，施工期间可能会发生（活动）断层破碎带及影响带和（倾角平缓）破碎岩层（较）大规模坍方冒顶与大变形，可溶岩地段较大规模（高压）涌（突）水突泥（砂、石），局部地段夹煤线而引起瓦斯聚集等重大隧道工程地质问题，此外，还将可能存在微弱～中等强度岩爆、膨胀岩，放射性等地质问题。特别是正洞DK29+350～DK31+520（合计2170米）穿越侏罗系中统张河组（J2Z）砂岩、泥岩夹泥灰岩地层，其中泥岩呈紫红、褐灰色，泥质结构，中层状，质软，易风化，属中等膨胀性泥岩。

根据勘测资料显示，全秀山隧道处于非全新活动断层、褶皱等构造发育，受其影响岩体节理裂隙发育，断层破碎带、褶皱轴部、可溶岩地层及可溶岩与非可溶岩接触部位，围岩自稳性差，岩溶水及构造裂隙水发育，易受岩溶、突水、突泥、坍塌等危害。秀山隧道施工可能会遇到可溶岩地段大规模涌（突）水和突泥、中等膨胀岩大变形、硬岩岩爆、断层破碎带、放射性、局部地段夹煤线而引起瓦斯聚集等重大工程地质问题。

基于秀山隧道地质条件的复杂性，为了保证隧道的施工安全，围岩监控量测工作显的更为重要。通过隧道围岩监控量测，为判断隧道空间的稳定性提供可靠的依据；利用量测信息的反馈，修改设计、指导施工；根据量测结果，提供围岩收敛趋势情况，判断围岩的稳定性与安全性，提供施工建议，以便采取措施防患于未然；根据变位速度判断隧道围岩稳定程度，并为二次衬砌提供合理的支护时机，从而确保工程质量与施工安全。

3、现场监控量测

因此，在秀山隧道施工中，监控量测工作必不可少，必须按照《铁路隧道施工规范》TB10204-2002和《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121-2007）的有关规定进行地质素描、隧道周边位移收敛和拱顶下沉等必测项目以及其它一些选测项目的量测工作。

3.1现场监控量测的目的是：

（1）通过监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，把握施工过程中结构所处的安全状态，判断围岩的稳定性、支护、衬砌的可靠性；（确保施工安全及结构的长期稳定性）

（2）用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计，指导施工，为修改施工方法，调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据；（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支护参数和施工方法提供依据）

（3）通过监控量测对施工中可能出现的事故和险情进行预报，以便及时采取措施，防患于未然；

（4）通过监控量测，判断初期支护稳定性，确定二次衬砌合理的施作时间；（确定二衬砌施做时间）

（5）对工程施工可能产生的环境影响进行全面的监控。（监控工程对周围环境影响）

（6）通过监控量测了解该工程条件下所表现、反映出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程或该施工方法本身的发展提供借鉴，依据和指导作用。 (积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据)

3.2监控量测的内容

根据有关规范的要求，监控量测项目可分为两类:必测项目和选测项目。必测项目为日常施工管理必须测的量测，其中包括地质和支护状态的观测、周边位移、拱顶下沉、地表沉降量测；选测项目是为了在未开挖地段的设计及施工提供数据而进行的量测项目，其中包括围岩压力和两层支护间压力、刚支撑内力及外力、支护、衬砌内应力及表面应力、锚杆内力等。

4监控量测的技术要求

4.1量测仪器

量测仪器配备：数码相机、罗盘仪、收敛仪、水准仪、全站仪、塔尺、钢尺等。

辅助工具：爬梯、手电筒及其它辅助工具。

4.2 量测项目

根据《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121-2007）和设计要求，结合本标段隧道具体情况，确定量测项目见表3。《铁路隧道监控量测技术规程》中选测项目原则上不进行，在施工过程中设计有特殊要求时再进行。

表1围岩量测项目

4.3控量测断面及测点布置原则

（1）浅埋隧道地表沉降测点应在隧道开挖前布设。地表沉降测点和隧道内测点应布置同一断面里程。地表沉降测点纵向间距应符合表4的要求。

表2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（构）筑物时，量测范围应适当加宽。其测点布置如图1所示。

图1地表沉降横向测点布置示意图

（2）净空变化量测测线数，可参照表5、图2布置。

表3 净空变化量测测线数

（3）拱顶下沉测点和净空变化测点应布置在同一断面上，测点布置时应避开钢架和脱空回填处，将测点布置在两榀钢架之间。监控量测断面按表6要求布置。

表4必测项目监控量测断面间距

注：Ⅱ级围岩视具体情况确定间距。

拱顶下沉测点原则上设置在拱顶轴线附近。当隧道跨度较大时，应结合具体的施工方法在拱部增设测点，具体布置见图2。

图2 拱顶下沉量测和净空变化量测的测线布置示意图

（4）不同断面的测点应布置在相同部位，测点应尽量对称布置，以便数据的相互验证。

（5）地质条件差、开挖断面大和施工工序复杂的隧道，监控量测量布点应适当加密，增设量测断面；有选测项目量测断面应在相应段落优先设置，并及时开展量测工作。

4.4监控量测频率

监控量测的频率应根据测点距开挖面的距离及位移速度分别按表7和表8确定。由位移速度决定的监控量测频率和由距开挖面的距离决定的监控量测频率之中，原则上采用较高的频率值。当出现异常情况或不良地质时，应增大监控量测频率。在塑性流变岩体中，位移长期（开挖后两个月以上）不能变化时，量测要继续到每月为1mm为止。

表5按距开挖面距离确定的监控量测频率

注：B为隧道开挖宽度。

表6按位移速度确定的监控量测频率

拱顶沉降和水平收敛是判断隧道稳定性的一个重要指标，在秀山隧道施工监测中，根据设计要求布点施测，

纵向间距如表9所列：

表7 纵向间距表

4.5监控量测位移管理和安全评价

根据监控量测分析结果，按下表位移控制基准，分三个管理等级，对工程安全性进行评价，并采取相应应对措施。

表8 位移管理等级

监控量测资料是竣工文件不可缺少的部分，纳入竣工文件管理程序中，分部应设专人负责监控量测资料的收集、整理、签认、归档和移交。分部监控量测资料由量测原始记录本、统计表、分析资料和上报资料四部分组成，不得随意记录。各种资料要保存完好，数据准确统一，签字齐全。当日量测结果及时进行统计和分析，并将量测信息及时反馈和上报。

管理程序根据位移管理等级分三级进行。当监控量测位移管理达到Ⅲ级时，监控量测组长上报技术主管、总工程师、现场监理工程师和指挥部；当达到Ⅱ级时，上报工程部长、总工程师和现场施工负责人，同时总工程师根据综合情况上报设计单位、业主单位、监理单位和指挥部，采取相应工程措施；当达到Ⅰ级时，立即暂停施工，及时上报指挥部和各方，请业主单位召集各方分析原因，研究工程对策。将位移管理等级根据每个隧道情况进行量化指标，以便于现场监控量测人员操作和汇报。根据工程安全性评价的结果，需要变更设计时，应根据有关铁路工程变更管理办法通知建设、设计、监理及施工单位四方及明进行设计变更。

5监测分析及信息反馈

秀山隧道围岩破碎、完整性差、强度低，加上该段有水。特别是在通过通海断层时，由于断层受构造影响，围岩为中等膨胀泥岩，当通过正洞DK29+530～DK29+580后，该段前后围岩变形大，施工现场发现该段上、下断面接头处初支开裂、掉块较严重,局部拱顶也出现开裂、掉块现象。从量测数据看，拱顶下沉曲线波动较大，围岩变形速率较大，围岩不稳定，洞内开挖爆破加剧了变形。

5.1隧道水平收敛及拱顶下沉的异常情况

水平收敛大于拱顶沉降值值，主要以边墙变形为主。现选择具有代表性的正洞DK28+215断面点绘制典型时态变形曲线如图3所示。

图3 DK29+550断面拱顶下沉量与时间关系曲线

从图3可以看出，自施做完仰拱以后， DK29+550断面的变形量达到最大，拱顶下沉量在15天内的平均变形速率都在4.5mm左右，此后的变形速率虽然有所减缓，但是还是有一定的波动，在25天后基本处于稳定。

图4 DK29+550断面水平收敛量与时间关系曲线

图4为DK29+550的水平位移速率图从变形的情况来看相对拱顶变形要好，从变形速率来看，刚开始开挖时，日变形量都较大，14天内的变形波动较大，此后较为稳定，后期变形较有规律。

发现该段量测数据异常后，为了保证隧道的施工安全和质量，我项目立即停止掌子面开挖，先对该段A、B单元接头处，B、C单元接头处设置Φ150mm钢管对撑进行加固，确保施工安全后；一榀一拼将侵限单元的格栅拱架拆除；在此期间，加大对该段的量测频率，确保施工安全，待变形稳定后，尽快施做二衬。

通过现场围岩监控量测的数据分析，可预测预报围岩变化,优化设计和指导施工，是能够避免不必要的经济损失或安全事故的，围岩监控量测是保证秀山隧道施工安全的有效措施。

5.2异常现象成因简要分析

5.2.1环境因素

秀山隧道该段处在通海断层内，地质属于中等膨胀泥岩，围岩破碎、松散、夹泥、遇水既化，强度低，且块度小，无粘结力，围岩自稳性差，且富水，施工易出现大变形，甚至坍塌等地质灾害。

5.2.2施工因素

正洞本段设计为格栅钢架，上下断面接口处（B、C单元间）在地质作用下，拱架出现90度得向内弯曲，拱顶格栅钢架主筋被扭曲，上下断面锚杆与拱架连接不牢固，导致锚杆与钢架之间的焊接被拉开。特别是当仰拱施做完成后，相当于在边墙底部设置了永久横撑，致使上下断面接口处的变形达到了最大值；再加上由于施工人员水平的原因，在隧道开挖时，隧道内有水，形成隧道超挖现象严重，周边空洞较大，在初期支护时没有及时填充喷射混凝土或填充不实，所以周边围岩出现蠕变现象。

鉴于上述原因，隧道围岩内应力重新分布时，将变的更加激烈，致使初期支护出现变形突出现象。另外初期支护钢拱架设计不合理及支护质量差也是主要影响因素:主要有钢拱架圆弧不合理、支护时钢拱架不垂直、仰拱施作不规范等。以上原因，在围岩应力重新分布时，钢拱架不能正常发挥作用，致使拱架变形较大。

6结论

若单纯从指导施工的角度看，水平收敛和拱顶下沉量测具有直观、快捷、及时、反应灵敏等特点，为量测重点。但是，值的注意的是，收敛或拱顶测点和测线的布设一定要及时，并尽快取得第一组量测数据，以便后期量测结果的比较和对照。

对于工程地质条较为复杂的隧道，应严格遵循 “少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”，的施工原则。必须将围岩监控量测纳入工序管理，量测分析的结果必须在施工中认真组织实施。在容易出现险情的地段要加大监控量测的频率和力度，以便与掌握准确的围岩变化信息，及时指导隧道施工和优化设计，从而保证来隧道施工的安全。监控量测工作是一项复杂、实践性强的工作，在实际过程中尚需不断积累经验、进行总结，对隧道监控量测及数据的整理分析及应用应该做好一下几点：

（1）负责量测的责任人要有较强的责任心，细心的工作态度，确保采集量测数据真实可靠、准确、及时。

（2）布点应根据现场实际，地质条件差、开挖断面大和施工工序复杂的隧道，监控量测布点应适当加密，增设量测断面。

（3）现场布点一定要及时，不同断面的测点应布置在相同部位，测点应尽量对称布置，以便数据的相互验证，以便于做好监控量测桩点布置、频率、数据采集方面的工作。

（4）将监控量测纳入工序管理，量测数据采集后，及时进行回归分析，并上报分析结果，便于采取有力措施，使量测数据、量测信息能够及时反馈，指导设计、施工和修改支护参数；

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。