鐵路隧道地表沉降監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析
2015-06-15
0引言
隧道監(jiān)控量測貫穿于整個隧道施工過程中，是一項非常重要的工作。監(jiān)測的目的主要包括：保證施工安全；預(yù)測施工引起的地表變形；驗證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，指導(dǎo)施工；總結(jié)工程經(jīng)驗，提高設(shè)計、施工技術(shù)水平。
隧道地表沉降是隧道工程應(yīng)進(jìn)行的日常監(jiān)控量測的必測項目。本文以新歌樂山隧道地表沉降為例，闡述了監(jiān)測項目現(xiàn)場操作具體過程、數(shù)據(jù)獲取及處理方法。
1新歌樂山隧道工程概況
新歌樂山隧道屬新建蘭渝鐵路引入重慶樞紐工程，位于既有渝懷線歌樂山隧道左側(cè)約25～50m，設(shè)計時速120km/h。隧道進(jìn)口里程K1106+280，出口里程K1108+547，全長2267m。隧道進(jìn)出口為淺埋段，洞頂覆蓋層僅4～8m，出口洞頂及周邊有大量民房，且下穿公路，出口段約300m采用非爆破法開挖。不良地質(zhì)有巖溶、煤窯采空區(qū)、富水軟弱圍巖，特殊巖土為鹽溶角礫巖及石膏。施工難度極大，安全風(fēng)險高，為極高風(fēng)險隧道。
2. 地表沉降
隧道洞口淺埋層覆蓋薄，堆積松散、自身穩(wěn)定性差。在施工過程中易受自重、雨水和施工爆破的影響，極易發(fā)生坍塌，沉降等大變形事故，威脅隧道的整體穩(wěn)定。隧道開挖后，洞口淺埋段地層中的應(yīng)力擾動區(qū)延伸至地表，圍巖力學(xué)形態(tài)的變化在很大程度上反映于地表沉降，且地表沉降可以反映隧道開挖過程中圍巖變形的全過程。因此，必須對地表沉降情況進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測和控制，保證施工安全。
3. 監(jiān)控量測方案設(shè)計
監(jiān)控量測貫穿在整個施工過程中，必須在隧道施工做好方案設(shè)計，在施工開始后根據(jù)現(xiàn)場情況做出細(xì)微調(diào)整。新歌樂山隧道的設(shè)計是由中鐵第二設(shè)計院完成，嚴(yán)格按照工程測量規(guī)范（GB/5026-2007）、鐵路隧道工程施工技術(shù)指南（TZ204-2008）和鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程（TB10121-2007） 等國家標(biāo)準(zhǔn)前提下制定了詳細(xì)方案。
3.1測點布設(shè)
理論上地表下沉受支護(hù)影響在隧道中線上沉降最厲害，往兩旁沉降量遞減，因此沉降曲線曲率在中間最大，兩旁遠(yuǎn)離隧道中線逐漸遞減。若考慮不同的沉降曲線模型，兩旁的測點間距也應(yīng)該是中間密兩旁稀疏。但考慮新歌樂山隧道工程圍巖好，隧道工藝不難等情況中線兩旁的監(jiān)測點都等間距布設(shè)。
針對淺埋段較短和圍巖情況比較好的前提下，在進(jìn)口端里程樁號K1106+285m，出口端里程樁號K1108+540m布設(shè)兩個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面上布設(shè)一個水準(zhǔn)基點和11個監(jiān)測點。面向里程增大的方向，從左往右編號1至11，其中6號點位于隧道中線上。監(jiān)測斷面高度距離隧道地表面高度約15m、拱高5m，按45°影響范圍規(guī)定，監(jiān)測斷面長40m，每個監(jiān)測點間距為4m。基點在遠(yuǎn)離隧道沉降影響范圍外，基點與監(jiān)測點埋設(shè)鋼筋水泥樁。
3.2儀器選擇檢校
地表沉降變化細(xì)微，觀測精度要求高，其量測精度一般為±1mm。因此，采用二等水準(zhǔn)精度要求。儀器選用南方DL-201電子水準(zhǔn)儀，水準(zhǔn)儀根據(jù)國家規(guī)范進(jìn)行年檢，合格后方可用于生產(chǎn)。在作業(yè)期間應(yīng)進(jìn)行最重要的水準(zhǔn)管軸平行于視準(zhǔn)軸檢驗，即i角檢驗。
用富斯特乃爾法對該電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行i角檢驗校，如圖4所示。第一次測得高差為h1=0.02312m，第二次測得高差為h2=0.02270m，得到i=12″。根據(jù)《國家一二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB/T 12897-2006）規(guī)定，用于二等水準(zhǔn)測量的i角指標(biāo)限差不得大于15.0″，超過20″測量成果作廢的規(guī)定。該電子水準(zhǔn)儀滿足精度要求。
3.3監(jiān)測周期
監(jiān)測周期主要取決于開挖面距監(jiān)測斷面的距離與沉降速度的大小。新歌樂山隧道總共布設(shè)兩條地表下沉監(jiān)測斷面，出口端地表下沉（K1108+540）監(jiān)測斷面于2010年4月25日開始監(jiān)測至2010年5月9日結(jié)束，監(jiān)測頻率1次/天；進(jìn)口端地表下沉（K1106+285）監(jiān)測斷面于2010年4月26日開始監(jiān)測，至2010年5月9日結(jié)束；監(jiān)測頻率1次/天。
3.4施測方法
通過基點與監(jiān)測點進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測，得到測量時刻監(jiān)測點相對于基點的高差，通過兩相檢測周期高差對比即可以得到沉降變化。
以監(jiān)測點n點為例，第一次觀測周期測點n與基點的高差hn1，第二次觀測周期測點n與基點的高程差為hn2。兩次高差相減，得測點n在第一、二觀測期間地表沉降△hn12=hn1-hn2 。第三觀測周期測點n相對于基點的高差hn3，與第二觀測周期相減，得到測點n第二、三周期的地表沉降量△hn23=hn2-hn3。以同樣的方法可以得到所有監(jiān)測點在不同觀測周期的地表沉降量，相鄰周期沉降量對比即可得到地表沉降變化趨勢，通過分析判斷做出相應(yīng)預(yù)警或建議修改施工方案。
4. 新歌樂山隧道地面沉降數(shù)據(jù)分析
該隧道施工技術(shù)成熟，都為Ⅴ級圍巖，狀況理想，監(jiān)測結(jié)果主要采取Excel圖表法進(jìn)行分析預(yù)測。具體數(shù)據(jù)處理過程：野外原始數(shù)據(jù)錄入相應(yīng)表格；用編輯好的公式自動計算各圖表需求數(shù)據(jù)（變化速度、累計量等）；選擇數(shù)據(jù)按照不同方式自動生成圖表（變化速度圖、累計量圖等）。
4.1地表下沉監(jiān)測處理結(jié)果
地表沉降監(jiān)測是為得到每個點累計沉降量，每個點每日沉降速度，根據(jù)變化趨勢預(yù)測之后的變化情況。期間沉降量都在允許正常變化范圍內(nèi)，對安全施工沒影響。所有數(shù)據(jù)負(fù)值表示沉降，正值表示反彈，受數(shù)據(jù)量大與保密規(guī)定，僅舉例說明出口端K1108+540斷面1號點情況，全斷面各點數(shù)據(jù)對比圖表。
4.2監(jiān)控量測結(jié)果總結(jié)分析
根據(jù)監(jiān)測各斷面的地表沉降，得到各斷面累計觀測值和變形速率都較小，在位移Ⅲ級管理標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，隧道輪廓結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，可以預(yù)測各監(jiān)測斷面將逐步趨于穩(wěn)定。
?。?）兩條斷面隧道中線6號點沉降量并不是最大，也沒呈現(xiàn)出從中間往兩旁遞減的趨勢。出現(xiàn)這種情況原因可能是隧道淺埋段比較短，監(jiān)測斷面地表覆蓋層厚且圍巖穩(wěn)定，出現(xiàn)整體沉降現(xiàn)象。
（2）監(jiān)測期間沉降速度并沒呈現(xiàn)如常規(guī)隧道地表沉降監(jiān)測規(guī)律，前期較小，而后慢慢增大，開挖面通過地表下沉監(jiān)測斷面后沉降速率再慢慢減小的現(xiàn)象?，F(xiàn)實情況是監(jiān)測第一天最大，而后基本平穩(wěn)，后期有沉降反彈，趨于停止情況出現(xiàn)。出現(xiàn)這種情況原因可能是地表沉降工作并沒有按設(shè)計在隧道施工開始前就進(jìn)行，監(jiān)測開始時開挖面已經(jīng)接近監(jiān)測斷面里程，加上圍巖情況良好、覆蓋層厚導(dǎo)致沉降速度未出現(xiàn)增大，而是慢慢減小狀況。
?。?）通觀監(jiān)測數(shù)據(jù)得出：地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)形式正常；按照數(shù)據(jù)生成圖表顯示地表沉降正趨于穩(wěn)定，當(dāng)前施工方法繼續(xù)施工安全可行；生成圖表顯示兩條監(jiān)測斷面地表沉降正趨于停止，兩條監(jiān)測斷面監(jiān)測點沉降速率在2010年5月9日均在0.2～0.5mm/天內(nèi)，按照相關(guān)規(guī)范，滿足凈空位移和拱頂下沉的測量頻率（按位移速度）要求，可以將監(jiān)測周期改為1次/3天。
5.結(jié)論
近年大量隧道工程在建或擬建，做好監(jiān)控量測，積累經(jīng)驗為今后同類型隧道設(shè)計施工提供類比依據(jù)。新歌樂山隧道監(jiān)控量測中總結(jié)出以下經(jīng)驗。
?。?）監(jiān)控量測現(xiàn)場操作在遵循施工設(shè)計的基礎(chǔ)上盡量多結(jié)合現(xiàn)場具體情況，選擇合理的監(jiān)測方案；監(jiān)測過程中應(yīng)盡量與施工單位溝通協(xié)調(diào)，了解他們作業(yè)安排，特別是爆破安排，調(diào)整具體監(jiān)測時間，提高工作效率。
（2）地表沉降監(jiān)測時，在固定位置架設(shè)水準(zhǔn)儀，前后視距差L固定不變。電子水準(zhǔn)儀i角不變，即i角誤差不變，相鄰周期間高差相減則消除，可以很好的解決前后視距差超限的問題。
（3）同一項監(jiān)測工作盡量在固定時間監(jiān)測，避免前后兩周期溫差過大，溫度改正常數(shù)對監(jiān)測結(jié)果的影響。
?。?）監(jiān)控量測是隧道安全施工特別有效地保障性工作，一定做到及時、準(zhǔn)確、真實客觀，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)調(diào)整監(jiān)測周期、方案。每次監(jiān)測結(jié)束后應(yīng)及時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，繪制各種時態(tài)曲線，找出變化規(guī)律，預(yù)測隧道變形情況。
