E11隧道監控量測實施方案

重慶奉節至巫溪高速公路

e11合同段（k38+500至k43+500）

隧道監控量測實施方案

中交第三公路工程局

奉溪高速公路e11合同段專案部

2023年3月1日

鳳凰隧道監控量測實施方案

------非接觸量測方法

1 、概述

傳統的隧道監控量測方法，周邊位移一般採用鋼尺式收斂計進行觀測，拱頂下沉一般採用水準儀、水平儀、鋼尺或測桿進行觀測。雖然該方法具有成本低、操作簡單和適應惡劣施工環境的優點，但在隧道現場實施過程中存在以下問題：

(1)監控量測工作難度大，由於隧道高度大，拱腳部位的收斂往往無法量測，拱頂掛尺也非常困難；

(2)量測時間長，施工干擾大，雖然監控量測已作為一道工序被安排在施工組織設計中，但還是希望時間越短越好；

(3) 隧道進入中間段後，通風問題、照明問題、洞內不平整及積水問題往往成為制約監控量測工作的重要因素。

（4）對於大斷面隧道，如緊急停車帶，接觸量測幾乎不可能，即使勉強能夠實施，量測精度也差，而這些段落往往是施工最危險段落。

（5）一般無法進行三維觀測，當要了解隧道周邊點的三維變化時，上述傳統方法顯得無能為力。

2、全站儀自由設站方式工作原理

全站儀三維非接觸圍岩淨空位移量測新技術，其基本原理是利用全站儀自由設站遠距離測量點位不同時段的三維座標，將測量資料輸入算機通過軟體進行後處理，最後輸出測點的三維位移向量或測點相對收斂值，準確、快速地為施工提供參考資料。全站儀自由設站測量和反射模片貼上示意圖，如圖1所示。

a）b）

圖1全站儀測量示意圖

全站儀自由設站三維觀測原理，是從任意測站點觀測已知點的方向和距離，通過極座標法算出該測站儀器中心的座標，並以此推算出其餘被測點的座標，然後運用座標變換原理算出這些測點在某一統一座標系下的三維座標。由於隧道圍岩位移觀測的特殊性，儀器安置要求不影響隧道施工，所以採用自由設站法，既可避免由於人為測量儀器高、儀器對中達不到圍岩變形測量的精度，又不影響施工，而且設站靈活。

3、工程概況

鳳凰隧道位於巫溪縣鳳凰鎮境內，隧道長為：左線2081m、右線2080m，隧道內為2.8‰和2.

5‰的下坡。隧道開挖淨空為975×500cm（寬×高），處於長江北岸，四川盆地東部邊緣，總體呈m型，地形起伏較大，圍岩大部分為ⅳ、ⅴ類弱風化圍岩。由於隧道的進口和出口埋深較淺，所以在進口和出口20m施工範圍內採用雙側壁導坑法施工，在隧道中部採用上**階法施工。

我們將對隧道的洞內和地表進行監控量測。

4、監控量測的目的

在隧道施工過程中，用現場量測的資料對圍岩支護體系的穩定狀態進行檢測，確認支護引數和施工方法的準確性，為初期支護和二次襯砌設計引數的調整提供依據，驗證支護結構效果。監控工程對周圍環境的影響，積累量測資料，為資訊化設計與施工提供依據，是確保施工及運營安全、指導施工程式、便利施工管理的重要手段，監控量測是施工過程中必不可少的施工工序。通過量測了解該工程條件下所表現、反映出來的一些地下工程規律和特點，為今後類似工程或工法本身發展提供借鑑、依據和指導作用。

5、監控量測的專案

（1）洞內觀察

（2）水平相對淨空變化值的量測

（3）拱頂下沉量測

（4）地表下沉量測

6、量測斷面間距和量測頻率

（1）根據設計圖紙確定拱頂下沉及周邊收斂間距如下表

（2）根據設計圖紙確定拱頂下沉及周邊收斂量測頻率如下表

注：b表示隧道開挖寬度，d表示天

（3）地表下沉量測斷面間距如下表

注：b表示隧道開挖寬度

7、監控量測的方法和實施情況

7.1、洞內監控量測的實施

7.1.1監測點的布置

根據相關圖紙和相關技術要求，隧道有以下二種開挖方式，根據開挖方式的不同，有三種測點布置方式，其示意圖如下：

為能對圍岩及支護結構的性態作較全面的分析，並且獲得完整資料，同時又使各項資料間能相互比較、相互驗證，因此，地表監測點與洞內拱頂沉降點及水平淨空收斂點均布置在同一斷面上。

8、監控量測的實施方法

隧道施工中，監控量測的專案包括必測專案和選測專案，根據科研和生產的實際情況、隧道工程地質條件、圍岩類別、圍岩應力分布情況、隧道跨度、埋深、工程性質、開挖方法、支護型別等因素確定。一般情況下，地質和支護狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉、錨桿或錨索內力及抗拔力為必測專案，地表下沉、圍岩體內位移、圍岩壓力及兩層支護間壓力、鋼支撐內力及外力、支護、襯砌內應力、表面應力及裂縫量測、圍岩彈性波測試等為選測專案。對洞口淺埋隧道，地表下沉也經常列為必測專案。

非接觸量測方法採用全站儀自由設站原理遠距離測量點位不同時段的三維座標，經過處理輸出測點的三維位移向量或測點相對收斂值，可以代替傳統的接觸量測對拱頂下沉、周邊收斂的量測。此方法可以方便、準確、快速地為隧道施工提供參考資料。

9、監控量測的技術要求

9.1【監控量測斷面布設原則】

① 斷面間距：ⅴ級20m，ⅳ級30m。特殊情況，加密。

② 對洞口、淺埋地段的ⅴ～ⅳ級圍岩段（埋深小於40m的圍岩段），布設地表下沉斷面。

9.2【測線和測點布設原則】

① 對全斷面開挖的洞段，量測斷面布設一條水平測線（見圖2）；

圖2 全斷面開挖測點與測線布置圖

② 對上**階法開挖的洞段布設2條水平測線（見圖3）；

③ 拱頂下沉測點，布置在拱頂水平線上，布置乙個測點。

圖3 台階法開挖測點與測線布置圖

9.3【監控量測頻率】

根據傳統的淨空收斂、拱頂下沉的測定頻率隨著變位收斂的天數、變位量、開挖方法、日變位量、離掌子面距離的不同而變化，大體上可根據位移速度及離開挖面的距離而定，見表1。當採用台階法進行隧道施工，**階到達時上面台階測定頻率要加大。本次試驗三維位移量測頻率採用與淨空收斂、拱頂下沉的測定頻率基本一致。

注：d為隧道直徑

表1 拱頂下沉及淨空收斂量測頻率

9.4【安全管理基準】

從既有現場實測的位移一時間曲線可知，曲線有明顯的負速率段、加速段、減速段和勻速段。從資料處理來看，若以位移量測資訊作為施工監控的依據，則判斷圍岩穩定性的依據應為位移量和位移速率，所以在工程實踐中根據實際情況規定容許位移量和容許位移速率值是進行施工監控的基礎，從而可根據位移一時間曲線來判斷圍岩的穩定性。具體地說，基準值設定方法見表2。

表2 變形管理基準的設定

注：u0—實測隧道周邊位移值，拱頂為主要依據；un—絕對位移控制基準值。

10、典型案例分析

鑑於篇幅所限，本文就南嶺隧道zk24+660斷面的監測情況作一分析。

10.1測點布置

圖10-1 zk24+660斷面測點布置圖

10.2 zk24+660 各測點z方向變化量

圖10-2 南嶺隧道zk24+660斷面各測點z方向變化量累積值

10.3 zk24+660 各測點y方向變化量

圖10-3 南嶺隧道zk24+660斷面各測點y方向變化量累積值

10.4 zk24+660 各測點x方向變化量

圖10-4 南嶺隧道zk24+660斷面各測點x方向變化量累積值

從圖10-1~圖10-4可以看出，斷面z方向位移變化量累積值即下沉累計值開始增長比較明顯，20天以後變化趨於穩定，這符合山嶺隧道岩石圍岩區段斷面的拱頂位移變化規律，與傳統拱頂下沉變化規律相似。而隧道各測點在兩個斷面上的y方向位移變化量累積值和x方向位移變化量累積值變化規律也基本一致，這說明隧道在相同埋深，相同圍岩級別和相同開挖方式下隧道洞周位移變化規律一致。

從圖10-2~圖10-4中可以看出，z方向絕對位移變化量累積值以拱頂的gd1號點最大，而y方向絕對位移變化量累積值以拱頂的qy1號點和qy2號點最大，這是符合實際的。為了與傳統洞周收斂位移量測資料進行更好的比較，把y方向絕對位移以隧道同一高程上兩個對應測點的絕對值之和作為在絕對座標下測得相對收斂值（下同），再與傳統位移量測洞周相對收斂值比較，可以很好的反映出隧道周邊位移變化。

11、結束語

由於很多現有判定基準都是針對傳統的拱頂下沉位移量和收斂相對位移值所制定的，在三維位移量測中我們所提取出來縱向位移速率還沒有現成的判定基準，在六武高速公路隧道工程實施實踐中，根據總結的經驗，控制隧道縱向穩定性的依據主要是縱向位移速率的變化情況。。

三維位移洞周收斂這種收斂位移的量測包括了傳統的拱頂下沉及周邊位移，且三維位移量測利用全站儀一次性的把每個測點三個方向的變化量都測出來，這種方法較之傳統的方法簡單易行，並具有可靠性，其量測精度能夠滿足量測目的的要求。在六武高速公路隧道建設中，監控量測工作的開展實施主要工作便是三維位移洞周收斂量測，同時為了將量測得到的相關資訊及時的反饋到施工中，在資料的處理中，針對不同的需要，處理重點也不同，對應的方法也不相同，在實際應用中，對於各種處理方法及相關標準的採用，都保證了隧道安全、合理的進行施工。

通過六武高速公路隧道監控量測的現場實施，選擇全站儀自由設站非接觸量測方式，進行量測是合理的，其測量速度快、對施工干擾小、量測精度高，並能實現隧道測點三維位移量測。同樣能在鐵路隧道、水工隧道、城市地下通道、大基坑開挖、地下建築、路基下沉、高邊坡、高層建築位移量測、水庫庫岸監測等領域有著廣泛的應用前景。

中交第三公路工程局****

e11合同段專案經理部

2023年5月10日

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