隧道开挖及监控量测施工技术探讨

高亚伟

中铁二十三局集团第一工程有限公司

摘 要 当下国家经济迅猛发展我国的公路建设也如火如荼，在道路工程遍地开花结果的历程中，出现了许多设计标准高、结构形式新、长度跨度大、地质复杂多变的隧道，随之而来的是给隧道建设工作过程中的安全控制、质量控制、进度控制和成本控制都提出了新的挑战。本文通过对隧道施工各阶段进行分析控制，以提升工程质量，优化建造成本。

关键词 隧道 施工 成本 管理

1、概述

从隧道进洞开挖轮廓的确定到隧道初期支护钢拱架的定位，再到二衬模筑混凝土的施工及过程中的监控量测，都有成本控制的影子，通过对开挖轮廓、围岩状况、监控量测数据的分析来优化施工工艺，使隧道施工在满足安全、经济和功能要求的同时能实现成本最优。

2、开挖过程控制

2.1 开挖轮廓确定

隧道开挖轮廓确定对于刚进洞暂时没有系统的监控量测分析数据，需要严格按照设计预留沉降变形量进行轮廓线的计算和放样，结合隧道围岩产状，综合确定隧道开挖周边眼的间距及装药量，这是控制隧道超欠挖的第一步，也是隧道施工中成本控制的第一个环节，只有控制好开挖轮廓的超欠，才能控制好初期支护喷射混凝土的超耗。

2.1.1 周边眼控制

周边眼间距的计算、钻孔的角度方向控制、孔内装药量对于开挖轮廓控制至关重要。

（1）周边眼计算

周边眼间距要根据现场围岩实际情况及相关围岩工程施工经验确定。确定好间距后由测量人员根据隧道平面曲线、竖曲线及设计轮廓线综合考虑预留沉降变形量后计算出周边眼三维坐标并用高精度测量仪器进行现场放样顶点画弧。如下图2-1。

图2-1 周边眼计算图

（2）开孔控制

开挖掌子面往往凹凸不平，周边呈斜面和弧面，开孔钻进时方向很难控制，易沿开眼处向其他方向偏转，由于围岩产状走向、裂隙发育复杂，开孔时应该采用低冲击力慢推进速度的方式先钻进10-15cm，直到钻出角度符合要求易于控制钻进方向的浅眼，切不可急于求成，随意钻进致使开挖轮廓失控造成过大的超欠。成孔后应验孔，炮眼间距、角度、深度符合要求后才可以装药，装药量应严格按照爆破方案计算装药量控制，不可随意加大或减少用量。

2.2 拱架安装控制

开
挖完成后应及时对开挖轮廓进行测量扫描，并绘制开挖轮廓断面图（如图2-2），对超欠挖原因及时分析总结。拱架安装应严格按照测量定位轮廓线控制，防止工人对于局部欠挖不做处理反而把拱架进行整体偏移，这样对技术人员造成错误的判断，认为开挖轮廓还要进一步扩大，造成更大的超挖出现。因此拱架安装完成后应进行逐榀验收，确保拱架定位准确。

图2-2 开挖轮廓超欠图

2.3 初期支护喷射混凝凝土控制

2.3.1 喷射混凝土控制

喷射混凝土应通过试验室室内配合比试验和现场配合比试验综合选定，速凝剂掺量以保证喷层质量为前提，尽量减少水和水泥的用量，以喷射过程中回弹量最少为基准，不断优化配合比设计。通过设置能控制喷射混凝土厚度的标志来控制喷层厚度和平整度。加强对喷射操作手的教育培训和技能考核，通过对操作手技术水平的约束来进一步提升喷射质量，使喷层轮廓满足设计要求，为后期二衬提供平整的基面，防止二衬混凝土超耗。

2.3.2 初期支护分析

（
1）拱架安装和喷射混凝土完成即代表初期支护结构完成，此时应及时紧跟初支工作面的进度进行初支轮廓断面三维扫描（一般按5m）并绘制初支超欠挖断面图（如图2-3），对初支超欠挖数据进行分析，计算初支工作面对后期二衬施做混凝土用量超耗的影响值。

图2-3 初支轮廓超欠图

（2）根据初支轮廓超欠断面图及时统计计算每个断面超欠挖数值，并输入到隧道初支超欠挖计算分析表中（如下表2-1），分析计算初支完成后对后期二次衬砌尺寸、厚度及二次衬砌混凝土方量有什么影响，影响有多大。

表2-1 隧道初支超欠挖计算分析表
隧道名称：XXX隧道-右洞
序号	里程	支护类型	超挖计算			欠挖计算			备注
			平均超挖(m)	超挖面积(㎡)	超挖方量(m³)	平均欠挖(m)	欠挖面积(㎡)	欠挖方量(m³)
1	840	S5a	0.009	0.162		0.000	0.000
2	835	S5a	0.012	0.240	1.005	0.000	0.000	0.000
3	830	S5a	0.012	0.252	1.230	0.000	0.000	0.000
4	825	S5a	0.008	0.176	1.070	-0.010	-0.012	-0.030
5	820	S5a	0.017	0.374	1.375	0.000	0.000	-0.030
6	815	S5a	0.003	0.054	1.070	0.000	0.000	0.000
7	810	S5a	0.008	0.176	0.575	0.000	0.000	0.000
8	805	S5b	0.016	0.368	1.360	0.000	0.000	0.000
9	800	S5b	0.011	0.275	1.608	0.000	0.000	0.000
10	795	S5b	0.013	0.286	1.403	0.000	0.000	0.000
11	790	S5b	0.009	0.153	1.098	0.000	0.000	0.000
分析距离(m)		50
平均超欠挖（超+欠-）（m）			0.011	0.229		-0.001	-0.001
超欠挖方量合计（m³）					11.793			-0.060
设计轮廓断面面积（㎡）			4.980
设计需用方量			249.000
综合分析预警			初期支护平均超挖厚度为：			0.011	m
			初期支护超挖方量为：			11.733	m³
			初期支护会造成二衬超方：			11.733	m³， 超耗率为：		4.71%
			请技术人员分析原因，提高管控水平，实现质量成本最优。

3、监控量测控制

隧道施工全过程中运用监控量测技术可以准确判断出各个阶段地层和支护结构的变化及稳定性，对监控量测数据分析可以指导施工过程，进而通过调整围岩级别、支护参数，调整预留沉降变形量来提高施工进度，提升工程质量，优化建造成本。

3.1 监控量测项目

见表3-1。

表3-1 隧道主要监控量测项目表

序号	监测项目	仪器与设备	要求及目的	断面布置	备注
1	洞内外观察	地质罗盘、地质锤、相机等	①预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工作状态，分析支护结构的可靠程度。	特殊地段每爆破后进行，Ⅴ级围岩每5米进行1次，Ⅳ级围岩每10米进行1次，Ⅲ级围岩每30米进行1次。
2	地表下沉	高精度水准仪+高精度全站仪配合反光片	通过地表下沉量的多少和下沉的快慢，判断分析隧道洞口围岩是否稳定，为设计优化支护参数提供可靠的数据，保证施工安全。	1、地表下沉测量，在隧道浅埋地段布置，左右线进出口布置各布置2个断面，若出现不良地质时，视实际情况加设。
3	周边位移	高精度全站仪配合高效反光片	①周边位移是隧道施工过程中围岩变形和沉降的最直接反映，其可以作为隧道净空稳定性的判断依据； ②根据周边位移变形速率的大小和变形收敛综合判定围岩的稳定和二次衬砌施做的时机；	布设原则： 1、Ⅴ级围岩、破碎带段等不良地质段及加宽带段地质较复杂地段按5m/断面，V级围岩一般地段按照10m/断面布设；Ⅳ级围岩按10-20m/断面布设，地质较复杂地段取下限，一般地段按上限布设；III级围岩地质较复杂按20m/断面，一般地段按50m/断面布设。
4	拱顶下沉	高精度全站仪配合反光片	①通过拱顶沉降位移量测，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性； ②根据变形速率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。

3.2 监控量测方法

3.2.1 测点布设

测
点布设应在隧道开挖后选定的监测断面上及时埋设，并及时采集初始数据（一般不超过24小时）。点位布置图如图3-1。

图3-1 监测断面测点布置图

3.2.2 监测数据采集与分析

测点布设完成后采用高精度全站仪与高效反射片，采取无接触测量方式采集拱顶沉降与周边收敛数据，对阶段数据综合分析绘制位移随时间变化的曲线-空间曲线和收敛曲线，判定围岩总体沉降和收敛值，用于反过来指导控制开挖工作，预留合适的变形沉降量，防止开挖预留沉降变形量过大造成初支及二衬混凝土超耗。

3.3 加强监控量测应用

目前隧道施工监控量测项目应用非常普遍，但是对监控量测能够真正实施并且综合应用进行动态反馈指导施工的很少，监控量测技术和施工技术还没有真正形成合力，作用没有得到充分发挥。监测人员对于数据还是应付了事不能真正反应围岩动态变化，技术人员也不去关心这些监测数据，一昧盲目施工，于是预留变形量按照图纸预留，做不到科学分析动态调整，这就造成大面积超挖、初支二衬超方严重，造成巨大浪费。根本没有意识到这些数据恰恰是隧道施工过程中安全质量、成本控制等所需要的最基础数据。

4、加强综合管理

4.1 施工队伍

大部分施工队伍都是只顾掌子面的开挖进度，管理上粗放，思想上没有对成本控制引起高度重视。对班组对工人还停留在按工班给钱给工人按计件发工资或者是按方量给钱，一方多少钱，对工人没有考核。这样造成工人心里没有成本概念只是追赶进度节约时间，对任何经济指标不负责任。

开挖工班考虑欠挖还需要补炮，补炮又没有加班费，所以工人就会宁超勿欠，会加大炮眼外插角，周边眼多装药，防止补炮，这就会造成过大的超挖，后期用初支和二衬混凝土找补，造成经济流失。虽然合同中有约定超耗量，超出部分由队伍承担，从工程款中扣除，但是过大的扣款是很难执行下去的，队伍会找各种理由要求补偿，这样超耗的成本最终还是由项目部买单。

4.2 项目部管理人员

项目部管理人员受传统思想约束形成一种固化思维，就是对欠挖和初支二衬厚度有一种莫名的恐惧感，针对这种问题没有想办法采取措施去避免或者确定开挖到什么轮廓综合成本最低。而是简单粗暴的加大开挖轮廓线，加大成本消耗。

4.3 管理措施

4.3.1将隧道施工队伍施工过程中材料等资源超耗问题纳入到项目管理考核中，让施工队伍在开挖、初支、二衬等全过程中造成的资源浪费和成本流失与项目部管理人员工资挂钩，使管理人员主动关注超耗和浪费，改变以往事不关己的作风。

4.3.2对开挖过程中炮工（含司钻工、装药工）进行每循环考核，开挖完成后及时对开挖面进行三维扫描，计算超挖是不是在要求范围内，每月兑现考核，调动工人积极性，提高工人作业质量。

4.4 技术措施

对每循环开挖后地层岩性、地质构造、水文地质和三维扫描断面综合分析，及时调整爆破参数，优化炮眼外插角和炮眼间距，可采用拱和墙不同炮眼间距。根据监控量测数据可采用拱和墙不同预留沉降变形量，对局部欠挖采用破碎锤处理，避免局部补炮造成局部超挖，通过以上措施不断优化作业循环使断面轮廓无限接近设计轮廓，从而不断提升工程质量，优化建造成本。

5、结束语

通过对隧道施工各个阶段严加控制，不断调整施工工艺，优化施工管理方法，在保证隧道断面轮廓不侵限的同时实现超挖最小，初支二衬混凝土浪费最少，由此带来可观经济效益，实现隧道建造成本最优。

参考文献

1、《高速公路施工标准化技术指南》 人民交通出版社

2、《施工工艺汇编》 中铁二十三局集团第一工程有限公司

3、《浅谈隧道监控量测技术》 潘伟健 - 《建筑知识：学术刊》 - 2014