监控量测技术在秦岭长隧洞中的应用技术研究

齐国庆 王 亮 田 睿

(1.陕西引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710048)

随着现代施工技术不断发展，我国大型跨流域长距离引调水工程建设规模逐渐扩大，输水隧洞作为输水工程的重要组成部分，也逐步向长距离大埋深的方向发展，施工难度和施工安全风险也在不断增加，因此在工程施工过程中需要选择合理可靠且高效的监控量测技术方案，及时监控施工对地层的扰动程度，准确评价隧洞围岩稳定性，根据监控量测技术取得的信息对施工进行有效指导和控制，采取针对性支护方案，以确保隧洞施工安全[1]。本文在已有隧洞工程施工控制量测经验的基础上，结合引汉济渭秦岭输水隧洞工程复杂地质环境下的施工实际情况，对长距离、大埋深隧洞施工监控量测技术进行了比较全面的探索和应用，有效保障了现场施工安全和施工进度控制[2-3]。

1 工程概况

秦岭输水隧洞TBM施工段位于秦岭主脊段，长约35km。岭南标段全长约18km，最大埋深2012m[4]，施工机械采用美国罗宾斯制造的TBM设备，TBM掘进段隧洞综合坡度1/2500，具体段落划分见图1。

图1 工程平面布置

2 监控量测

2.1 量测项目的选择

按照规范要求及一般隧洞施工经验，将监控量测项目根据隧洞级别分为必须实施量测项目和可选择实施量测项目。必须实施量测项目即日常监控量测项目，对围岩和支护收敛变形，以及隧洞拱顶下沉和净空变化等影响施工安全和工程质量的项目进行监控量测[5-7]；可选择实施量测项目，一般为根据设计要求或施工过程中的需要进行量测的项目，如对洞底隆起和纵向位移等的监测量测[8]。秦岭输水隧洞以拱顶下沉和净空变化为主要监控量测内容，结合施工实际情况适时增加选测项目。

2.2 量测断面及测点布置

Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩监控量测断面分别以30～50m、10～30m、5～10m间距进行布置[9-10]，但针对地质条件复杂、易发生断层塌方的洞段，应根据勘察设计情况及施工揭露情况加密监测断面[11-12]。

一般在同一断面布置不少于3个测点，其中断面轴线附近应布置至少1个测点，由于秦岭输水隧洞跨度较大，在断面轴线附近增设到2个测点。一般情况下的仰拱沉降测点和净空变化测点布置见图2。

图2 测点布置

2.3 监控量测频率的确定

一般隧洞施工的监控量测频率综合考虑测量断面与开挖面距离(见表1)和测量断面测点的位移速度(见表2)来确定，通常取其中较高的数值作为量测频率。

表1 按测量断面与开挖面距离确定的监控量测频率

表2 按测点位移速度确定的监控量测频率

秦岭输水隧洞在采用TBM法施工时，除考虑常规因素外，还需要考虑TBM设备的条件限制，如TBM设备的护盾长6m，则在此设备掘进期间护盾6m范围内无法安装监控量测设备。因此在TBM施工过程中，必须依据TBM的设备参数、隧洞掘进(开挖)速度来确定必测项目的监控量测点和监控量测频率。而可选择的量测项目其监控量测频率是在施工过程中根据施工揭露地质条件、隧洞设计安全监测要求，以及主要量测项目的量测结果确定的。

2.4 监控量测控制基准

在确定了监控量测点位和频率后，根据设计勘察结果以及已有工程实例提出隧洞初期支护相对位移控制基准以及位移管理等级。秦岭输水隧洞初期支护极限相对位移、初期支护极限相对位移控制基准、位移管理等级见表3～表5。

表3 隧洞初期支护极限相对位移

表4 极限相对位移控制基准

表5 位移管理等级

2.5 监控量测结束标准

隧洞施工监控量测结束标准一般根据位移速度判别，通常当位移速度小于0.2mm/d时，隧洞围岩已基本达到稳定，施工监控量测可在持续到基本稳定后14d内结束。在施工过程中，当发现位移速度大于5mm/d或位移累计达到100mm时，说明围岩正在进行剧烈应力反应，必须立即疏散施工人员，及时分析原因，同时采取针对性措施的加强支护系统。

秦岭输水隧洞施工在通过断层破碎带地段时，由于围岩长时间不稳定，增加了测点，延长了监控量测时间，并针对该段围岩采取了增设排水孔和加强支护措施，通过长期围岩稳定实时监控，切实保障了施工安全。

2.6 监测数据的上传

秦岭输水隧洞监控量测数据采用信息化施工管理平台自动上传[13-14]，同时将监控量测的数据、方案、设计文件等上传至安全监测模块。根据勘察设计要求及实际监控量测数据，在平台进行预警预报。根据秦岭输水隧洞施工实际情况，监控量测预警等级见表6。

表6 监控量测预警等级

3 监控量测数据分析及信息反馈

3.1 监控量测数据分析处理

监控量测数据应及时进行整理，并由专人负责数据的校核、分析工作，同时绘制位移-时间曲线(见图3)。在一个测点取得达到一定数量要求的数据后，由计算机生成散点图，根据散点图数据分布来选取回归函数进行计算分析，测算该测点可能出现的最大位移值或应力值，以此判断隧洞工程结构的稳定性。常用的回归函数如下：

图3 位移-时间曲线

对数函数:

U=Alg(1+t)+B

(1)

(2)

指数函数:

U=Ae-B/t

(3)

U=A(e-Bt-e-Bt0)

(4)

双曲函数:

(5)

(6)

式中：U为变形值(或应力值)；A、B为回归系数；t、t0为测点的观测时间,d；T为量测时距开挖时的时间,d。

秦岭输水隧洞在监控量测过程中，为加快数据分析和信息反馈，由信息化施工管理平台进行数据管理、自动分析。

3.2 信息反馈及对策

秦岭输水隧洞在信息化施工管理平台的基础上，建立了信息反馈机制，通过信息化施工管理平台向参建各方及时反馈信息。监测数据通过平台进行统一管理，定时、定期发布监测结果。针对超过控制标准的异常监控量测数据，由施工单位负责提出处理方案，通过信息化平台将相关信息同时报送监理及设计单位。监控量测报告定期由信息化平台生成后分别报送至施工、监理、设计和业主单位，由参建各方根据测点位移-时间曲线图，及时对工程现状和施工安全进行评价。监控量测与信息反馈程序见图4。

图4 监控量测与信息反馈程序

4 异常监控量测结果的处理

监控量测数据复核和分析无误后，确定监测结果异常的，须及时分析确定原因，并针对性采取措施。秦岭输水隧洞在施工过程中主要针对以下4种情况制定了相应的处理方案：

a.监测结果异常由隧洞仰拱沉降引起，一般采取仰拱封闭措施，如仍然出现仰拱沉降现象，则采取锚杆加灌浆加固处理。

b.监测结果异常由围岩压力引起，一般采取钢筋网片配合锚喷支护对围岩进行加固，补强初期支护，同时在下一循环施工时，对支护参数进行优化，必要时也可增加二次衬砌。

c.初期支护或围岩监测信息明显异常，出现显著变形以及不稳定征兆时，应安排专职观察员定点全时段进行监控，同时疏散施工人员，采取应急措施或方案保证工程安全。

d.在隧洞施工过程中，若发现揭露出的围岩地质条件差、初支系统出现较多裂缝、监控量测数值已超过监测标准上限值，应立即采取补强措施。通过计算分析，对施工方案和支护参数进行优化或改变，采取针对性措施。

5 结 论

秦岭输水隧洞工程自开工以来未发生一起安全质量事故，施工过程中实施的监控量测技术和信息反馈机制有效保障了施工安全。本文通过监控量测技术在长距离、大埋深秦岭输水隧洞的复杂地质施工环境下的实际应用，以监控量测项目选择、量测标准、数据分析及信息反馈为研究对象，分析了引汉济渭秦岭输水隧洞施工的监控量测技术的应用过程，提出了异常现象的处理措施，对长距离、大埋深复杂地质环境下的隧洞施工监控量测进行了有效探索，为类似工程监控量测技术应用提供了经验借鉴。