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；預測施工引起的地表變形；驗證支護結構設計，指導施工；總結工程經(jīng)驗，提高設計、施工技術水平。
隧道地表沉降是隧道工程應進行的日常監(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，設計時速120km/h。隧道進口里程K1106+280，出口里程K1108+547，全長2267m。隧道進出口為淺埋段，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，安全風險高，為極高風險隧道。
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力擾動區(qū)延伸至地表，圍巖力學形態(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行嚴格的監(jiān)測和控制，保證施工安全。
3. 監(jiān)控量測方案設計
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計，在施工開始后根據(jù)現(xiàn)場情況做出細微調(diào)整。新歌樂山隧道的設計是由中鐵第二設計院完成，嚴格按照工程測量規(guī)范（GB/5026-2007）、鐵路隧道工程施工技術指南（TZ204-2008）和鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程（TB10121-2007） 等國家標準前提下制定了詳細方案。
3.1測點布設
理論上地表下沉受支護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。
針對淺埋段較短和圍巖情況比較好的前提下，在進口端里程樁號K1106+285m，出口端里程樁號K1108+540m布設兩個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面上布設一個水準基點和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?；c在遠離隧道沉降影響范圍外，基點與監(jiān)測點埋設鋼筋水泥樁。
3.2儀器選擇檢校
地表沉降變化細微，觀測精度要求高，其量測精度一般為±1mm。因此，采用二等水準精度要求。儀器選用南方DL-201電子水準儀，水準儀根據(jù)國家規(guī)范進行年檢，合格后方可用于生產(chǎn)。在作業(yè)期間應進行最重要的水準管軸平行于視準軸檢驗，即i角檢驗。
用富斯特乃爾法對該電子水準儀進行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)《國家一二等水準測量規(guī)范》（GB/T 12897-2006）規(guī)定，用于二等水準測量的i角指標限差不得大于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日結束，監(jiān)測頻率1次/天；進口端地表下沉（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)測點進行水準聯(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預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
該隧道施工技術成熟，都為Ⅴ級圍巖，狀況理想，監(jiān)測結果主要采取Excel圖表法進行分析預測。具體數(shù)據(jù)處理過程：野外原始數(shù)據(jù)錄入相應表格；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)控量測結果總結分析
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級管理標準內(nèi)，隧道輪廓結構穩(wěn)定安全，可以預測各監(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。
?。?）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計在隧道施工開始前就進行，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、覆蓋層厚導致沉降速度未出現(xiàn)增大，而是慢慢減小狀況。
（3）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計施工提供類比依據(jù)。新歌樂山隧道監(jiān)控量測中總結出以下經(jīng)驗。
?。?）監(jiān)控量測現(xiàn)場操作在遵循施工設計的基礎上盡量多結合現(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，在固定位置架設水準儀，前后視距差L固定不變。電子水準儀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。
?。?）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)測結果的影響。
（4）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)測結束后應及時進行數(shù)據(jù)處理分析，繪制各種時態(tài)曲線，找出變化規(guī)律，預測隧道變形情況。
