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1、西山隧道监控量测技术及在施工中的应用摘要：新奥法作为一种全新的隧道施工概念，其基本原理是运用各种手段 (开挖法弱爆破，支护形式早封闭，监控量测勤量测)抑制围岩变形，最大限度地发挥围岩自身的承载能力使隧道施工更安全、更经济。隧道经济性与安全性就是通过现场监控量测所获得的围岩、支护系统的应变和应力信息及时反馈并应用与隧道设计和施工中来实现的。现场监控量测作为新奥法的灵魂也越来越得到了广泛的重视。关键词：新奥法、监控量测、测点布置、时间-位移曲线、1、绪论1.1全新的隧道施工概念随着我国改革开放不断深化，国民经济蓬勃发展，在山区公路建设中突破过去传统的修路思想，不采取盘山绕行，不破坏沿线生态环境，不

2、增长公路里程用设置隧道避免因采取高边坡路基带来的滑坡、塌方、滚石、泥石流等自然灾害，确保了行车的安全可靠，亦缩短了行车时间，同时又适应了建设与自然的和谐发展。 新奥法作为一种全新的隧道施工概念，其基本原理是运用各种手段 (开挖法弱爆破，支护形式早封闭，监控量测勤量测)抑制围岩变形，最大限度地发挥围岩自身的承载能力使隧道施工更安全、更经济。而隧道经济性与安全性就是通过现场监控量测所获得的围岩、支护系统的应变和应力信息及时反馈并应用与隧道设计和施工中来实现的。随着新奥法在隧道施工中间那个的广泛应用，现场监控量测作为新奥法的灵魂也越来越得到了广泛的重视。因此，快速、准确的进行现场监控量测和信息反馈是

3、应用新奥法施工的关键。隧道监控的作用有以下几点：（1）通过施工和环境监测进行信息反馈及预测预报，优化施工组织设计，知道现场施工，确保隧道施工的安全与质量和工程项目的社会、经济和环境效益。 （2）掌握围岩动态，了解支护结构在不同工况时的受力状态和应力分布，对围岩稳定性作出正确评价。（3）验证支护结构型式、支护参数，评价支护结构、施工方法的合理性及其安全性，确定支护时间而监控量测是信息化设计与施工的重要内容，应将监控量测纳入工序管理,为隧道施工的有机组成部分。由于地下工程的受力特点及其复杂性，通过施工现场的监控量测所得到的信息，为判断围岩稳定性，支护、衬砌可靠性，二次衬砌合理施作时间，以及修改施工

4、方法、调整围岩类别、变更支护设计参数、调整预留变形量等修正设计提供原始依据，同时将量测等到的结果迅速反馈到设计施工中去，以提高隧道施工的安全性、经济性。2 、工程概况及检测依据2.1工程概况太原至古交高速公路位于山西省中部地区，项目起点位于太原西北环高速公路东社枢纽（通过扩建西北环东社互通来连接），途经太原市万柏林区化客头街办、王封乡、古交市大南坪乡，终点设于古交市河口镇。路线全长23.157公里，项目建设标准为双向四车道高速公路，设计速度80公里/小时，路基宽度24.5米，其中太原西山特长隧道长13.65公里。西山宛如屏障，横亘在太原与古交之间。 一进一出，在西山开掘两条13.65公里的隧洞

5、，里程要占到全线的64.9%。这使得太古高速公路工程成为交通运输部首批风险评估试点工程，全国在建公路中公认施工难度第一。西山隧道穿越17条断层破碎带，且隧址区岩溶发育，地质条件复杂，隧道施工中在部分断层内发生突涌水的可能性较大，斜竖井穿越煤系地层，采空区及赋存与其中的积水和瓦斯使得隧道施工存在较大安全隐患。由我单位负责承建的太古高速公路S3标西山特长隧道工程，隧道左洞长7110米（ZK7+550ZK14+580）、右洞长7030米（YK7+550YK14+660），隧道设计为分离式，左，右洞中心间距55米。原设计为解决运营通风和施工需要，在线路左侧设2号斜井，与左洞交于ZK10+079处，斜井

6、设计坡度为25；在右洞左侧35米、两洞之间设2号竖井。针对该隧道的实际情况，施工中采取了增设缓坡斜井的方案，斜井全长1130m，与右洞交于YK9+500处，最大坡度12.5%，采用双车道无轨运输。2.2检测依据为保证公路隧道施工质量，及时发现施工中存在的缺陷，尽早进行缺陷处理，开展本项检测。施工质量检测依据：公路工程质量检验评定标准（土建工程）（JTG F80/12004）；公路隧道设计规范（JTG D702004）；公路隧道施工技术规范（JTG04294）；锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB 500862001）；公路隧道工程施工图设计资料；3、隧道施工监控量测内容 3.1监控量测要求隧道监控

7、量测是“新奥法”的重要组成部分，新奥法中量测工作是监视设计、施工是否正确的眼睛，是监视围岩是否安全稳定的手段，始终伴随着施工的全过程。因此有如下要求:(1)能快速埋设测点；(2)每一次量测数据所需时间应尽可能短；(3)测试数据应准确可靠；(4)测试元件应具有良好的防震、防冲击波能力；(5)测试数据直观，不必复杂计算即可直接应用；(6)测试元件埋设牢固，能长期有效工作；（7）测试原件应满足足够的精度。3.2 监控量测项目监测的项目和具体内容按现行公路隧道施工技术规范（JTJ042-94）规定所拟定。太古高速公路西山隧道监测项目包含如下内容：内围岩和支护状况观察；周边位移监测；拱顶下沉监测；洞口浅

8、埋3.3 监控量测频率监控量测项目的选择遵循“严守施工规范，服务隧道施工，紧贴隧道实际，保证经济安全”的原则，保证必测项目及时、准确地实施，并根据工程实际揭露的围岩条件和隧道施工情况，合理开展有针对性的、有代表性的测试项目。监测项目表序号项目名称方法及工具布 置量 测 间 隔 时 间115d16d1个月13个月大于3个月1工程地质及支护状况观察直观或取样试验，对围岩和支护做如下观察：1、开挖后及时观察岩性结构面产状等，核对围岩分类，并测绘地质素描图；2、经常检查喷层有无破损，锚杆有无松动，并做好观察或描述记录；3、按规定取样，并测试围岩的物理力学性质；4、采用钢卷尺、地质罗盘等。开挖后及初期支

9、护后进行。每 次 爆 破 后 进 行及初期支护后2周边收敛位移各种类型收敛计每1050m一个断面，测点应距开挖面2米范围内安设。12次/天1次/2天12次/周13次/月3拱顶下沉水平仪、水准尺、钢尺或测杆每1050m一个断面。12次/天1次/2天12次/周13次/月5地表下沉水平仪、水准尺每550m一个断面，每个断面至少7个测点，每隧道至少2个断面。中线每520m一个测点。开挖面距量测断面前后2B时，12次/天。开挖面距量测断面前后5B时，1次/2天。开挖面距量测断面前后5B时，1次/周。4、监控量测点布置要求4.1布点原则(1)针对本高速公路隧道地质围岩及结构特点，并根据隧道监控量测以往类似

10、工程的监控量测经验和各类量测项目的作用意义，在相关隧道规范指导下进行量测断面的布置设计。(2)根据不良地质、突水、洞口浅埋等及有特殊要求的停车、通道交叉地段或业主及监理认为有必要监控的地段，设置监控量测断面。(3)应重点监测围岩质量差或局部不稳定块体、节理或地下水发育地段，以及特殊工程部位（如洞口处）。监测点的安装埋设应尽可能靠近隧道掌子面，以便尽可能完整获得围岩开挖后初期力学形态变化和变形情况。(4)选测项目的布设结合隧道自身特点，重点突出。4.2测点埋设时间(1)测点埋设时间，应根据地质条件、量测项目和施工方法等确定。(2)测点应距开挖面2m的范围内尽快安设，并应保证爆破后24h内或下一次

11、爆破前测读初次读数。5、必须项目的监控量测方法5.1隧道现场调查5.1. 1现场调查目的应用超前地质预报的地质理论分析并判定隧道存在的主要不良地质的性质、类型、成因特征、大约位置、大约规模、可能引发的地质灾害及其对隧道施工的影响程度。5.1.2调查方法调查方法和步骤：(1)熟悉勘察设计文件、资料和图纸。其目的是对整个隧道所处地质环境有一个基本了解和宏观把握。(2)地面地质补充调查。其目的是核实隧道地质条件，确定隧道超前地质预报重点区段和重点问题。对隧道的地质情况进行深入调查，在地形图上圈定地层出露位置、量测岩性产状、判定断层性质产状、统计节理裂隙发育状况、确定不良地质作用、了解特殊性岩土分布性

12、状等，从而了解设计文件中对地质条件的认识是否正确，围岩级别判定是否适宜，并编制出长期地质预报报告，指导中短期地质预报更具针对性地实施。(3)洞内地质调查和掌子面地质素描。其目的是核实隧道围岩级别，建议隧道支护参数。掌子面地质素描的主要目的是判定隧道围岩级别，应采用与现行隧道规范中围岩分级的规则相一致的“地质与支护状况观察记录表”所列各项内容应，素描图主要是对结构面的展布情况和隧道轮廓、掌子面是否有台阶进行描绘，对结构面产状要标明。5.1.3信息反馈 (1)通过现场地质调查，全面掌握隧道沿线的地质情况，分析隧道经过不良地质体的可能性；（2）统计节理裂隙发育状况、确定不良地质作用、了解特殊性岩土分

13、布性状等；（3）复核设计文件中对地质条件的认识是否正确，围岩级别判定是否适宜； （4）编制出长期地质预报报告，指导中短期地质预报更具针对性地实施。5.2洞内围岩观察5.2.1观察目的通过观察实际揭露的隧道掌子面地质情况，掌握隧道实际围岩状态，分析隧道掌子面的未定状态，预测前方隧道围岩情况，并提出必要的预警；通过观察隧道洞内初期支护的状态，及时发现各种异常现象并进行跟踪观察，评价初期支护的稳定性。包括：（1）测开挖面前方的地质条件及围岩级别；（2）为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据；（3）根据喷层表面状态及锚杆的状态，分析支护结构的可靠程度。5.2.2观察方法掌子面地质观察采用目测配合数码相机

14、进行观测，及时绘制掌子面地质素描，记录围岩的岩性、产状、节理等详细特征，断层、破碎带等不良地质特征，地下水的水量、分布、压力、类型等特征，填写掌子面地质观察记录；初期支护状态采用目测观察为主，对初期支护喷砼、钢支撑、锚杆出现的外鼓、裂缝、剥落、扭曲等异常现象，用数码相机、塞尺、卷尺等进行跟踪观测并做好原始记录。观测中，如发现异常现象，要详细记录发现的时间、距开挖工作面的距离以及附近测点的各项量测数据。5.2.3测试仪器地质罗盘，地质锤，数码相机。5.2.4观察内容(1)对开挖后没有支护的围岩：岩质种类分布状态，近界面位置的状态；岩性特征（岩石的颜色、成分、结构、构造）；地层时代归属及产状；节理

15、性质、组数、间距、规模、节理裂隙的发育程度和方向性，断面状态特征，充填物的类型和产状等；断层的性质，产状，破碎带宽度、特征；石煤层情况；溶洞的情况；地下水类型，涌水量大小，涌水压力、水的化学成分，湿度等；开挖工作面的稳定状态，顶板有无剥落现象。(2)开挖后已支护段：初期支护完成后对喷层表面的观测及裂缝状况的描述和记录；有无锚杆被拉脱或垫板陷入围岩内部的现象；喷混凝土是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏；钢拱架有无被压曲现象；是否有底鼓现象。5.2.5观察频率目测应在隧道开挖工作面爆破后及初期支护后进行，每次爆破后须进行掌子面地质情况观察，每个监测断面应绘制隧道开挖工作面及两帮

16、素描剖面图。5.2.6成果分析与信息反馈(1)通过掌子面地质观察，分析围岩稳定状态，评估出现局部掉块、塌方、涌水等灾害出现的可能性，出现异常情况，第一时间通报承包商，及时指导施工，并将异常情况、相关建议汇报业主和监理； (2)对初期支护出现的异常情况，分析出现异常情况的原因，根据具体原因、问题的严重性向承包商、监理和业主汇报，并提出处理建议；(3)针对初期支护异常情况，开展跟踪监测，绘制空间分布图和时间发展曲线，预测发展趋势，及时预警。（4）编制地质与支护状况现场观察记录表。5.3周边位移监测5.3.1量测内容量测隧道内壁两点连线方向的相对位移，同时通过对连线长度的测量，对所测断面的超、欠挖量

17、进行测定。5.3.2量测目的隧道周边收敛能够直观反映隧道围岩与支护结构的稳定性，通过周边收敛量测，为隧道支护结构稳定性分析提供依据；为隧道施工工艺、支护衬砌参数优化提供参考。具体表现为以下四点：(1)周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反应，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息；(2)根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机；(3)判断初期支护设计与施工：方法选取的合理性，用以指导设计和施工；(4)对超、欠挖量进行测定，判定开挖质量，用以指导施工。5.3.3量测方法设置监控量测断面，每个断面分别在侧墙（由施工开挖方法确定）设置测点，利用收敛计，采用一根在

18、重锤作用下被拉紧的普通钢尺作为传递位移的媒介，通过百分表测读隧道周边某两点相对位置的变化。4.3.4测试仪器收敛计，型号如表2所示。表2使用仪器主 标 准 设 备标准名称型号规格测量范围测量精度备注数显收敛仪JSS30A0.5m10m0.1mm天津（分辨率0.01mm）4.3.5测点布置周边位移测点顶端采用圆形钢筋圈，嵌入围岩部分亦采用螺纹钢筋。每量测断面设置12对测线，如下图所示。表3周边收敛测线数开挖方法全断面法短台阶法一般地段一条水平侧线二条水平侧线表4 量测频率变形速度（mm/d）量测断面距开挖工作面的距离量测频率B为隧道宽度10(01)B12次/天105(12)B1次/天51(25)

19、B1次/2天15B1次/周5.3.6成果分析与信息反馈(1)每次观测后现场计算位移发展增量，出现异常情况，重新测量排除操作失误后立即报告相关部门；(2)每次测回数据交数据处理员输入计算机，进行位移增量、位移发展速率的计算，绘制位移时间曲线；(3)当隧洞周边水平收敛速度以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降，隧洞周边水平收敛速度小于0.1mm/d0.2mm/d，拱顶或底板垂直位移速度小于0.07mm/d0.15mm/d，隧道各项位移已达预计总量的80%90%以上时，向有关部门报送二次衬砌施工报告。图示为西山隧道左线ZK9+595监控量测时间-位移图5.4拱顶下沉量测5.4.1量测内容拱顶下沉量量测，

20、是指对隧道拱顶的实际位移值进行量测，是相对于不动点的绝对位移，其必须与设计拱顶标高进行比较。5.4.2量测目的隧道拱顶下沉直观反映隧道围岩与支护结构的稳定性，通过拱顶下沉量测，为隧道支护结构稳定性分析提供依据；通过计算拱顶下沉位移速率和预测最终位移值，为二次衬砌浇筑选择最佳时机；为隧道施工工艺、支护衬砌参数优化提供参考。具体表现在以下四点：(1)通过拱顶位移量测，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性；(2)根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机；(3)指导现场设计与施工；(4)防止沉降侵入二衬空间。5.4.3量测方法在隧道拱顶设置测点，安设隧道拱部变位观测计，将钢

21、尺或收敛计挂在作为隧道拱部变位观测计上作为标尺，后视点可设在稳定的部位，用水准仪观测。量测方法如下图所示。5.4.4测试仪器精密水准仪、铟钢尺，必要时采用隧道位移实时监测系统进行实时监测。表5使用设备主 标 准 设 备标准名称型号规格测量精度备注精密水准仪DSZ20.4mm自动安平水准仪5.4.5测点布置现场拱顶下沉量测是在隧道开挖毛洞的拱顶及轴线左右各12m共设1个带挂钩的锚桩，测桩埋设深度30cm，钻孔直径42，用快凝水泥或早强锚固剂固定，测桩头需设保护罩。测点布置见图6。埋设要求请参阅附录。图6拱顶下沉测点布设图5.4.6信息反馈(1)每次观测后现场计算位移发展增量，出现异常情况，重新测

22、量排除操作失误后立即报告相关部门；（2）每次测回数据输入计算机，进行位移增量、位移发展速率的计算，绘制位移时间曲线和位移发展速率时间曲线。图示为西山隧道ZK9+510处拱顶下沉时间位移图6、总结由于隧道工程的特殊性、复杂性和隧道围岩的不确定性，对隧道围岩及支护结构进行监控量测是保证隧道工程质量、安全的必不可少的手段。通过量测，及时对隧道个别围岩失稳趋势的区段提供了预报，为施工单位及时调整支护参数以及合理确定二次衬砌时间提供了可靠的科学依据。通过大量量测发现隧道开挖及初期支护后大约30d围岩基本上稳定，于是建议施工单位及时施作二次衬砌。同时由于监控措施得当，及时的指导施工和修改设计，从而保证了隧

23、道施工的安全、经济、收到了良好的效果。但由于监控量测工作是一项具体而又复杂的工作，在实际过程中尚需不断积累经验和完善相关理论，因此，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监控量测内容的选择，量测断面位置选择和量测测点的布置； 2监控量测数据的采集和施工状态变化情况紧密结合，分析数据变化和施工状态的关系； 3量测数据的应用，量测数据变化的准确分析和判断，量测的及时反馈，指导设计、施工和修改支护参数； 通过监控量测保证隧道安全，预防隧道塌方。参 考 文 献1公路隧道设计规范（JTG D702004）； 2 公路隧道施工技术规范（JTG04294）；3 锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB 500862001）；4 公路隧道工程施工图设计资料；5太原古交高速公路两阶段施工图设计（2010-3）