高速铁路隧道施工监控量测技术

王国博

哈尔滨铁道职业技术学院 黑龙江省 哈尔滨市 150066

摘要：高速铁路隧道施工环境较为复杂恶劣，在实际施工作业中，隐藏着较多的安全隐患。通过先进的测量工艺，全面系统地对隧道进行实时监测，是确保隧道施工的安全运行的重要保障。本文针对铁路隧道的监控量测进行了较为系统的论述，对于相关的铁路隧道的监控量测设计及应用具有一定的指导意义。

关键词：高速铁路 隧道工程 监控量测

隧道工程是高速铁路的重要组成，尤其是在西南地区，如西成高铁隧道占比高达55%。高速铁路隧道工程施工工艺复杂，施工环境恶劣，受地质情况影响，存在很多不可预知的因素。在隧道施工中，开挖、支护等作业都会对隧道围岩的稳定性产生影响，监控量测就是监视围岩稳定，检验设计与施工是否合理及安全的重要手段，是新奥法进行施工的重要组成部分。借助有效的监控量测技术，施工单位能够获取准确的围岩及支护结构受力情况，对围岩在施工中的动态变化进行分析，评价其稳定性，进而对隧道支护体系进行相应的调整优化，切实保障隧道工程的施工安全。

1.监控量测的目的

现场监控量测是在隧道施工过程中，用各种类型的仪器，对围岩和支护系统的力学行为以及它们之间的力学关系进行监控量测。通过现场监控量测把量测信息及时反馈到设计和施工中去，对初期支护，二次衬砌的施工方法做出修正，可以达到安全、经济、快速的施工目的。

通过现场监控量测，能够验证支护结构效果，确认支护参数和施工方法的准确性，并为调整支护参数和施工方法提供依据；确定二次衬砌施作时间；监控工程对周围环境的影响；积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据；能够确保施工安全及结构的长期稳定性。监控量测也是施工管理中的一个重要环节，是施工安全和质量的保障。

2．监控量测项目

监控量测项目根据隧道的特点和难点可分为必测项目和选测项目两大类。

2.1必测项目

必测项目主要包括：洞内外观察、拱顶下沉、净空变化、地表沉降、拱脚下沉、拱脚位移等。必测项目是高速铁路隧道施工中必须进行的常规量测项目，是为了在设计、施工中确保围岩稳定，并通过判断围岩的稳定性和支护结构工作状态来指导设计、施工的经常性量测。这类量测主要通过现场观察、地质罗盘、水准仪、收敛计、全站仪等常用设备实现，测试方法比较简单、费用低、可靠性高，但对监视围岩稳定，指导设计施工却有巨大的作用。

2.2选测项目

必测项目主要包括：围岩压力、钢架内力、喷混凝土内力、二次衬砌内力、初期支护与二次衬砌间接触压力、锚杆轴力、围岩内部位移、隧底隆起、爆破振动、孔隙水压力、水量、纵向位移等。选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的隧道区段进行的补充测试，以求更深入地了解围岩的松动范围、稳定状态、喷锚支护的效果以及对周围环境的影响状况，为未开挖区段的设计与施工积累现场资料。这类量测项目主要通过压力盒、钢筋计、应变计、多点位移计、水压计等仪器设备实现，测试方法较为麻烦，量测项目较多，费用较高，因此，除了有特殊量测任务的地段外，一般根据需要选择部分项目进行量测。

3．监控量测断面及测点

监控量测断面应尽量靠近开挖工作面，但量测断面与开挖面距离太近会造成开挖爆破下的碎石砸坏测桩的情况。测点埋设必须牢固，而且要设置防爆破保护装置。

洞内拱顶下沉测点和洞内净空变化测点应布置在同一断面上。其监测断面间距主要与围岩级别有关，Ⅴ～Ⅵ级围岩断面间距为5～10m；Ⅳ级围岩断面间距为10～30m；Ⅲ级围岩断面间距为30～50m；Ⅱ级围岩视具体情况确定间距。

净空变化测线布置主要与开挖方法有关，全断面法布设一条水平测线、两条斜测线；台阶法、中隔壁法、双侧壁导坑法等分布开挖法在每个分部布设一条水平测线、两条斜测线。采用分部开挖法，在临时支护拆除后，应继续进行拱顶下沉和净空变化量测，测线按全断面开挖法布置。

对于浅埋或超浅埋隧道，隧道横断面方向的地表下沉量测边界应在隧道开挖影响范围以外，并在开挖影响范围以外设置基准点。地表下沉量测的测点应布设在由设计确定的特别重要的施工地段，

地表沉降观测点的纵向间距主要与隧道埋深（H₀）和开挖宽度（B）有关，2B＜H₀≤2.5B时，纵向间距为20～50m；B＜H₀≤2B时，纵向间距为10～20m；H₀≤B时，纵向间距为5～10m。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小于H₀+B，地表有控制性建（构）筑物时，量测范围应适当加宽。

4．量测频率

位移监测点的初始读数在测点埋设后12h内，并在下一步循环开挖前读取，监测频率可根据测点距开挖面的距离及位移速度确定，当监测断面距开挖面距离（0～1）B或位移速度＞5mm/d时，为2次/d；（1～2）B或1～5mm/d时，为1次/d；（2～5）B或0.5～1mm/d时，为1次/（2～3）d；大于5

B或＜0.5mm/d时，为1次/7d；当由距开挖面的距离确定的监测频率和由位移速度确定的监测频率不同时，采用两者中较高的监测频率。当出现异常情况或不良地质时，相应增大监测频率。在塑性流变掩体中，位移长期（开挖后2个月以上）不能收敛时，量测要持续到每月为1mm为止。

4．测量数据分析

监控量测数据的分析主要包括以下内容：（1）根据量测值绘制时态曲线；（2）选择回归曲线，预测最终值，并与控制基准进行比较；（3）对支护及围岩状态、工法、工序进行评价；（4）及时反馈评价结论，并提出相应工程对策建议。

根据监控量测数据绘制时间—位移散点图和距离—位移散点图。然后根据散点图的数据分布状况，选择合适的函数进行回归分析，对最大值（最终值）进行预测，并与控制基准值进行比较，结合施工工况综合分析围岩和支护结构的工作状态。如果位移曲线正常，说明围岩处于稳定状态，支护系统是有效、可靠的，如果位移出现反常的急骤增长现象（出现了反弯点），表明围岩和支护已呈不稳定状态，应立即采取相应的工程措施。

回归分析是对量测数据进行数学处理的主要方法。通过对位移监测数据进行回归分析，可以预测该测点可能出现的最大位移值、各阶段的位移速率及影响范围。常采用以下函数作为回归函数：

（1）地表沉降横向分布规律可采用Peck公式。

式中： 为距隧道中线 处的沉降值（mm）； 为隧道中线处最大沉降值， ； 为地下工程单位长度地层损失（m³/m）； 为沉降曲线变曲点， ；为隧道埋深。

（2）位移历时回归分析，如地表沉降、拱顶下沉、净空收敛等变形的历时曲线一般采用如下函数进行回归。

指数模型：

或

对数模型：

或

双曲线模型：

或

以上各式中： 为变形值； ， 为回归系数； 为测点的观测时间（d）； 为测点初读数时距开挖时的时间（d）；T为量测时距开挖时的时间（d）。

（3）由地表纵向沉降、拱顶下沉及净空变化等位移受开挖工作面的时空效应的影响，多采用指数函数进行回归分析。多数情况下，单个曲线进行回归时不能全面反映沉降历程，通常采用以拐点为对称的两条分段指数函数进行回归分析。

式中： 为距开挖面 处的地表沉降； 为回归系数； 为距开挖面的距离； 为拐点； 为拐点 处的地表沉降值。

在隧道施工中，从开挖到支护变形量的大小直接影响工程的质量和安全，应根据隧道实际情况，加强隧道内量测布点及数据采集的规范性。数据采集后应及时整理、分析，通过绘制时态曲线、回归分析，甚至数值模拟等方式形成结论，及时反馈给工程技术人员，从而真正体现出隧道的“动态施工”，保证隧道的安全。

参考文献：

[1]王国博.高速铁路隧道工程施工技术（第二版）[M].中国铁道出版社,2019.

[2]Q/CR9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》[S].北京,2015.