隧道施工过程变形监测及分析

刘峰峰

（山西路桥第六工程有限公司，山西 晋中 030600）

1 监测方案

隧道工程施工过程中的监测内容一般包括围岩变形、地质开挖记录、施工过程记录及支护参数等。研究表明，在上述监测内容中，最为关键的是围岩变形，它可借助全站仪对固定反光片靶位进行测量，从而获得隧道断面的沉降量[1-2]。此外，还可以通过激光断面仪来检测断面的变形状况，并与全站仪测量结果进行比对，以更准确地判断围岩变形规律。在实际监测工作中，开挖面的地质条件可借助地质记录表、影像图片等形式进行记录保存；支护结构状态则需要借助进度报告、技术方案、变更资料等获取[3]。

1.1 监测点位布置

借助全站仪测量固定反光片靶位。各测点的布置对测量结果的准确性和可靠性有较大影响。根据支护、开挖工艺的基本特点，将测点分别布置在初期支护钢拱架的连接处及隧道开挖台阶交界处，因为这些测点对于结构变形较为敏感，能够灵敏地反应隧道结构状态的变化情况[4]，如图1所示。

图1 测点布置示意图

根据图1，在隧道结构断面上共布置了A,B,C,D,E共5个不同测点，其中测点C布置于断面的拱顶中央位置，用于测定拱顶位置的沉降量；测点B,D则布置于上台阶、中台阶连接上1m处，用于测定这两点位的水平间距，为拱内变形评价提供依据；测点A,E布置于中台阶、下台阶连接上1m处，用于测定这两点位的水平间距，为边墙变形评价提供依据。

隧道施工过程中应当保证测点的稳定性，确保监测结果真实可靠。为保证监测工作有责可循，可采取“谁施工谁负责”的原则，落实监测管控制度。测点应当在该施工段开挖完成后布置，并对下一开挖工序结束前进行监管，采集数据。测点的间距应当基于围岩等级、地质条件、规范要求进行设置，可大致参照表1来确定。

表1 监测点间距设置

监测时，可采用红色油漆对监测段进行标注，提醒施工人员注意保护测点稳定，并及时进行补充、校正，保证数据的真实性。

1.2 监测频率

监测频率的选择不仅影响监测工作的准确性，同时也关乎监测工作量，在实际工程中需要平衡好两者之间的关系，不能单纯追求高频率而忽视由此导致的高成本、高周期，同时也不能过于减少频率使得检测结果失真[5]。对于复杂监测内容，技术人员应当基于规范标准做出适当调整，充分考虑围岩级别、变形速率等因素，如表2所示。一般来说，施工实际情况为：上、中台阶长度分别为12m和25m，其分别约等于1倍及2倍洞径，按照左右错开的方式开挖；下台阶与拱顶的距离约为12m。施工进程可按照18h/循环的标准执行，每个循环掘进约1.2m。

表2 监测频率表

2 隧道施工过程变形监测分析

本文以我国山西某隧道工程为例展开分析，该项目建设地位于山区、河谷交错地区，其围岩以千枚岩为主。

根据B,C,D测点的沉降量-时间关系曲线、沉降速率-时间关系曲线以及BD,AE累计收敛量-时间关系曲线3个关系图展开分析，并基于施工方案、支护类型，深入探究其变形规律。

除上述变形-时间曲线外，结构位置也是一项需要引起重视的关键变量，主要包括：纵向位置，一般可借助断面里程及断面与开挖面的间距来表示；环向位置，一般以拱顶中心为原点化环线曲线为直线处理。据此可绘制出B,C,D三个测点位置的沉降量-位置关系曲线、沉降速率-位置关系曲线及BD,AE累计收敛量-位置关系曲线。

分析施工进度可知，时间、位置两个指标具有一定的等价性。不同的是，位置、变形之间的关系能够较为直观地呈现施工因素对于隧道稳定性的影响，即可以将隧道变形视为施工过程引起的变化，未施工时结构所发生的变形也可认为是施工引起的变形滞后。

此外，由断面扫描结果可得到断面轮廓与时间之间的变化关系，一方面，可将其与监测数据进行比对分析，另一方面，也可作为额外数据进行差值处理，形成对监测点位数据的补充，作为结构设计更为科学、全面的参考。

3 隧道施工过程中变形的时间特征

在变形监测中，监测结果能直接地反应不同测点变形量、变形速率与时间之间的关系，可为隧道施工过程中的变形控制提供参考。该项目变形监测涉及强风化水平下千枚岩的围岩结构影响，这与一般隧道结构存在显著差异，因此需要重点关注。对强风化千枚岩的断面进行监测，得到沉降量-时间关系曲线如图2所示。

图2 沉降监测图

由图2可知施工过程中该路段断面拱部位置B,C,D三个测点的沉降量变化情况。直至隧道结构初步支护工序结束，变形达到稳定状态，这一过程约持续30d，且未表现出显著收敛。其中，B测点（右侧拱脚）位置发生的累积沉降达到736.4mm，远高于3%的隧道当量半径（即200mm），因此被认定为严重变形；C测点（拱顶）位置发生的累积沉降达到310.7mm；D测点（左侧拱脚）位置发生的累积沉降达到227.4mm，也被认定为大变形。此外，各测点位置的沉降量随时间的推移均表现为不断增加的趋势，其中B测点位置的累积沉降量存在两端变化剧烈的区段，而C测点、D测点累计沉降量的变化则较为平缓，且C测点高于D测点。

经断面监测得到沉降速率-时间关系曲线如图3所示。根据图3可知施工过程中在该路段断面的拱部位置B,C,D三个测点的沉降速率变化情况。三个测点的沉降速率整体呈“高-低-高-低”的变化趋势。其中B测点（右侧拱脚）的高水平沉降速率约在20～130mm/d范围内，低水平沉降速率主要集中在小于15mm/d的区间内；C测点（拱顶）的高水平沉降速率约在5～20mm/d的范围内，而其低水平沉降速率主要集中在小于5mm/d的区间内；D测点（左侧拱脚）的高水平沉降速率约在5～20mm/d范围内，而其低水平沉降速率主要集中在小于5mm/d的区间内。此外，各测点位置的第二次低水平沉降速率较第一次均更低，表现出显著的收敛性。根据曲线图3可知，沉降速率-时间变化曲线与累计沉降变化曲线较为类似，这主要由于开挖过程中隧道结构逐渐发生变化，由近平衡状态逐渐向失衡方向发展。在系统恢复既有平衡的过程中，结构变形随之出现显著提升。同时，支护措施的完善，也改善了结构系统的鲁棒性，对于结构状态的兼容性也更好。

图3 沉降速率监测图

经监测，得BD收敛速率-时间变化曲线如图4所示。

图4 收敛监测图

根据图4可知施工过程中在该路段断面BD间累计收敛量、收敛速率的变化情况。在隧道结构初步支护工序结束、变形量达到稳定状态的过程中，BD的累计收敛量达到274.8mm，认定为大变形。根据BD的累计收敛及收敛速率曲线，亦符合“高-低-高-低”的变化趋势。BD的高水平收敛速率约在5～30mm/d的范围内，而其低水平收敛速率则主要集中在小于5mm/d的区间内。就变形量指标而言，沉降变形量较BD收敛量的变化更为突出，但两者整体变化趋势较为类似。

4 结论

本文结合工程实例，通过对隧道施工过程中各个测点的沉降变形-时间关系分析，得出以下结论：

（1）随施工时间的推移，隧道结构变形逐渐累积，且收敛时间较长，变形量一般较大。通过案例分析发现，强风化的千枚岩具有较为突出的变形问题，且大多处于大变形状态。

（2）隧道结构的变形速率-时间关系曲线大致表现为“高-低-高-低”的变化趋势，结构不同位置的变化水平存在一定差异。

（3）隧道结构变形可通过支护结构进行监测。在施工过程中可能伴随产生开裂宽度增大、混凝土层剥落的现象。