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隧道信息化施工监控技术研究

项目名称：	隧道信息化施工监控技术研究
摘要：	一、课题立项和研究内容目前，隧道工程大都根据新奥法原理进行设计与施工，其最主要的思想是最大限度保持和发展围岩自身的承载能力，通过超前支护、初期支护、二衬等支护手段，与围岩本身组成一个完整的承载体系。为了了解、掌握承载体系变形与受力情况，则需要通过各种手段对其进行监测，这就是新奥法原理三大要素之一的监控量测，通过对围岩和支护结构的稳定状态进行监测，掌握其受力和变形的动态信息，用以调整设计参数，指导施工作业，确保施工安全与费用经济。作为隧道施工监控量测的项目比较多，包括地质与支护状况观察、拱顶下沉、周边收敛、锚杆或锚索内力及抗拔力、地表沉降、围岩体内位移、钢支撑内力、围岩弹性波测试等，根据工程的特使情况，适当增减检测项目。对隧道监控量测方法、技术、仪器设备等目前还没有统一的规定，缺乏相关的操作规范与评定标准，《公路隧道施工技术规范》（JTJ 042-94）仅在第9章从施工角度出发，对监控量测的要求与做法进行了大致规定，并无详细的操作规程和预警与报警戒值等。同时，对评定指标，如规定二次衬砌的施作应满足周边位移速率小于（0.1~0.2）mm/d，或拱顶下沉速率小于（0.07~0.15）mm/d等，精度要求与工程实际相差较大，包括允许相对应位移值等具体指标值较多地参考了铁路部门规范值，与宽扁公路隧道区别较大，应予以研究修正。另外，该规范对监控量测中的预警机制不完善，未有具体的预报值、方法等。随着量测设备的更新于精度的逐渐提高，监控的内容根据隧道的建设需要相应地调整增加，如隧道激光断面仪的使用、小净距隧道中夹岩后行洞爆破振动速度监测、水平对拉锚杆轴力测试等，有必要添加现行普遍使用的新型设备的技术要求、操作规程等。全国隧道工程建设方兴未艾，但遗憾的是，隧道施工过程发生事故屡见不鲜，这与缺少相应监控量测操作规程，现行允许相对位移值不够合理，预警判断管理缺失等有很大的关系。因此，非常有必要深入研究隧道信息化施工中监控量测技术，编制相应的操作指南，拟定预警机制及评定值，为隧道工程更好、更安全建设服务。本课题以2006~2007年浦南高速公路B合同段7座隧道和泉三高速公路曹源隧道监控量测与地质超前预报项目为依托，结合福泉高速公路连拱隧道建设、京福高速公路连拱隧道、小净距隧道建设，同时收集省内外监控量测资料进行系统分析，研究监控量测具体方法和监控量测控制标准，结合有限元理论计算分析，制定监控量测位移管理等级、数据处理应用及反馈机制等，同时总结隧道施工监控量测技术，编制技术指南，规范我省各地隧道建设中监控量测工作，减少隧道建设中围岩坍塌与人身伤亡等工程事故。研究的主要内容包括：（1）隧道监控量测方法与控制标准研究；（2）隧道有限元分析及监控量测方案研究；（3）隧道施工监控量测技术指南；（4）社会、经济效益分析。二、研究过程课题研究从2006年2月开始，大致经历了以下几个阶段： 1、浦南高速公路B合同段7座隧道施工监控量测 2006年2月，浦南高速公路建设伊始，我所技术人员即入住B合同段隧道施工现场，进行施工监控量测技术服务。该合同段共7座隧道，分别是摇前隧道、江坑隧道、新兴隧道、西岸隧道、古亭隧道、香烛墩隧道、祝源隧道，合计长度8916延米。各隧道地质条件复杂，存在覆盖层薄、偏压、岩爆、地下水丰富、软弱结构面等不良地质现象。技术人员分两组负责隧道监控量测，心怀高度责任感，每天穿梭在各隧道施工现场，进行地质与支护观察、拱顶下沉、地表沉降、周边收敛、锚杆抗拔等项目监测试验，直至2007年10月30日止，历时一年又八个月，艰辛而又有意义，取得了丰硕的成果，为B合同段7座隧道的胜利贯通于安全施工起到了精目聪耳的作用，多次预测到险情，切实起到指导施工的作用，同时为设计变更提供数据支持。共提交监控量测报告437份，紧急反馈单7份。 2、课题立项为进一步落实中央和省委关于建设节约型社会的重大决策，省交通厅出台建设海峡县经济区节约型交通管理办法，坚持以科学发展观为统领，转变发展观念、创新发展模式、提高发展质量，使资源节约、科技创新的理念在交通行业中得到具体贯彻和落实，实现交通行业的可持续发展。本课题研究在这种大环境下应运而生，于2007年下半年再总结浦南高速公路隧道监控量测工作基础上申报本课题，得到省厅支持，于2008年1月立项研究。 3、泉三高速公路SMA12曹源隧道施工监控量测与地质预报 2007年1月，项目组受三明泉三高速公路有限责任公司邀请委托，入住曹源隧道施工现场，进行地质超前预报与监控量测技术服务。曹源隧道为上下行分离隧道，左右洞分别为914m和941m，地质条件极其恶劣，特别是左右洞出口，为黄褐色残积粘性土，湿润可塑，系二迭栖霞组硅质岩，强烈风化所致，风化岩厚度大，岩性松软，不稳定，拱部一坍塌。在项目组入住现场以前，曾出现仰坡失稳滑塌、洞内冒顶坍塌事故。项目组进场后准确提供地质异常预报，加强施工过程变形监控，及时反馈，多次预测到工程险情，施工单位据此采取有效方法措施，减少伤亡与重大损失。如2007年4月13日，监控量测小组根据检测情况提前两天发出预警，业主、监理及项目部及时会商，采取停止掘进、封闭作业面，洞内用钢拱架和方木支撑等措施。因为处理及时，虽然最后没能阻止掌子面泥浆于4月15日大量流出造成塌方，但是保住了洞内初支没有大的变形和垮塌，有效地控制了塌方规模，极大地节约了处理塌方的工程量和时间。又如在左右洞初支换拱过程中，检测量测小组多次及时发出预警，项目部根据现场情况及时采取暂停换拱、补充加强小导管注浆加固、临时增加中间钢支撑、加快仰拱施工进度、及时施作二衬等不同措施，有效地控制住隧道的变形，确保施工安全与质量。至2008年5月，共提交地质预报报告14份，监控量测报告67份，紧急反馈单9份，为曹源隧道安全、及时、胜利贯通发挥了巨大的作用。 4、总结应用浦南高速公路与泉三高速公路隧道监控任务结束后，项目组认真总结监控量测工作，参加全省隧道地质超前预报和监控量测研讨会，同时收集福泉、福银等高速公路连拱隧道、小净距隧道监控量测，购买MIDAS有限元计算软件，深入研究隧道围岩变形规律和监控量测方法，分析计算各工况下隧道围岩应力、变形情况，深入研究监控量测控制标准，编制隧道施工监控量测技术指南。三、研究成果（1）基于理想模型对隧道施工全过程进行弹塑性三维有限元分析。在掌子面还未到达测点位置时，由于施工对测点位置岩体的扰动，测点位置岩体应力场及位移场已经发生变化。对隧道周边和掌子面岩体而言，隧道的开挖是一个复杂的先加载后卸载的过程。这种循环荷载易造成低强度围岩发生屈服破坏，从而丧失稳定性。因此，监控量测应充分考虑这种复杂性，有条件的监测项目，如地表沉降、洞外设点围岩体内位移等，应尽可能开挖影响前布置好测点，并测读初读数。（2）围岩等级、开挖方式、开挖步长、隧道高宽比、隧道埋深等是影响隧道受力变化特征和变形发展趋势的重要因素，在制定隧道监控量测方案时应给予考虑。 a 围岩等级是影响隧道稳定性，决定施工方案的关键因素。围岩条件越差，隧道变形量越大，变形收敛所需时间越长，因此监控量测方案的制定应首先考虑到隧道围岩条件的影响。此外对于围岩条件差的情况，拱腰变形在达到最大值后，将出现较大的回弹，在分析围岩周边收敛检测数据时，应考虑到这一变形特征。 b 开挖方式影响到围岩的卸荷过程。采用台阶分步开挖法引起的拱顶位移总量较大，但是与全断面开挖方式相比，单步施工引起的位移变化量小，变形逐步发展。采用单侧壁导坑开挖法时，变形最大值位置与开挖台阶有很大关系，此外施工过程中变形会出现较大回弹，监控量测过程中若发现净空变形反弹，属于正常现象。采用全断面开挖时，单步开挖对岩体的扰动最大，多步开挖则对此扰动围岩。 c 隧道截面形状对开挖过程中隧道应力场和位移场存在非常明显的影响。在其它条件相同的情况下，隧道越宽扁，高宽比越小，拱顶、仰拱围岩压应力值越小，且容易出现拉应力，竖向位移越大。因此，高宽比越小的隧道越应加强位移监控量测。高宽比小的隧道拱腰侧向位移小，但是在位移达到最大值后产生相对较大的变形恢复，分析监测数据时应充分考虑此变形特征。 d 隧道埋深决定了隧道结构受荷及变形的大小，埋深大的隧道对应的围岩应力大，变形量大，开挖影响范围广。对于浅埋隧道，围岩容易出现拉应力，应加强监控量测，防止出现拉裂破坏；对于深埋隧道，则应加强横向净空变化的监控量测。 e 隧道埋深越钱，围岩容易出现拉裂破坏，超浅埋隧道拉应力范围可延伸至地表。受埋深、支护因素影响，浅埋隧道最大沉降发生在偏离拱顶中央（1/4~1/6）B位置，因此，隧道拱顶下沉变形监测点应埋设在偏离中轴线（1/4~1/6）B位置处。另存在一理想埋深，该埋深下隧道拱顶变形、地表沉降最小。（3）采用有限元计算方法能很好的模拟摇前隧道变形特征，分析表明摇前隧道变形差异取决于围岩条件。开挖前不对洞口进行处理将引起隧道右洞洞口产生极大地塑性应变，塑性应变区贯通道地表，导致塌方事故。围岩注浆后，变形处在可接受范围内，注浆效果良好。（4）在监控量测项目选择上，围岩差（Ⅳ～Ⅵ级）的隧道应以监测变形为主，围岩好（Ⅰ～Ⅲ级）的则以监测围岩压力为主。必测项目建议为地质和支护状况观察、拱顶下沉、水平周边收敛和浅埋隧道的地表沉降。原必测项目锚杆或锚索内力及抗拔力分为锚杆抗拔力试验和锚杆或锚索内力两项，前者做为质量控制项目，后者做为选侧项目。连拱隧道和小净距隧道应进行后行洞爆破振动速度监测、中夹岩弹性波测试。（5）及时埋设测点和制定方案是做好监控量测工作的重要前提，测点应按技术要求制作、埋设，方案应切实可行，确定监测项目、监测断面、监测频率、反馈机制等。（6）重视并细化地质和支护状况观察，以勤测为原则，及时采用各种方法分析处理数据，判断围岩稳定性，及时反馈，鼓励激光断面仪等先进设备应用到隧道监控量测。不追求高精度采集数据，位移量测精确到毫米即可。（7）工程实践监测数据表明：围岩变形随围岩级别的提高，总量减小，收敛时间缩短；隧埋深的增长，变形减小，隧道断面尺寸效应减小。监测到的围岩变形量差异极大，少部分却是大变形的数据是我们关注的重点。（8）由于围岩—支护系统式一个开放的复杂巨系统，围岩的容许极限位移差异大，存在不确定性，现行判定围岩稳定的允许位移相对值存在不足。考虑到隧道设计中采用的预留变形量是根据国内外监测资料总结而来，且在复合式衬砌隧道设计中经过验算，具有一定的理论基础，建议采用《公路隧道设计规范》预留变形量做为监控量测的位移控制总量，即允许位移值U。该值体现的意义主要用于判断支护参数是否合适到保证围岩不侵界，而非用于判断围岩是否稳定的主要依据。（9）在隧道变形空间效应上，有限元理论计算与工程监测资料符合较好，同时表明：隧道变形速率与围岩级别关系最大，距掌子面1B、2B、3B时变形分别完成总量的50%、75%和85%，（4-6）B时基本收敛，因此，开挖过程中，当监测断面距掌子面1B、2B、3B、（4-6）B时该断面围岩变形总量不宜超过0.5U、0.75U、0.85U和U。（10）采用变形速率为主，辅以变形加速度为辅的方式判断岩稳定性可行，具体指标为：变形速率小于3mm/d，按Ⅲ级管理，可正常施工；居于（3～10）mm/d时，按Ⅱ级管理，应加密观测，加强支护；大于10mm/d时，按Ⅰ级管理，应停止施工，采取特殊措施加固。（11）研究成果将有助于隧道监控量测工作的规范化，减少工程事故，保障人身安全与身心健康，节约大量用于处理坍塌的费用与时间，优化支护设计，保护生态文明，带来显著的社会和经济效益。
关键词：	隧道信息化施工；监控技术；技术研究；隧道监控量测；隧道施工监控量测；监控量测技术；围岩；变形；小净距隧道；浅埋隧道
参与人员：	赖思南,王仕华,张燕青,杨相如,郑必锐,郑福山,姚志雄,代松航,缭小兵,林作雷
组织单位：	福建省交通科学技术研究所
主持或承担单位：	三明泉三高速公路有限责任公司
项目类别：	地方交通科技项目
起止年限：	2006-2-1～2008-12-1
立项年份：	2006