高速铁路隧道监控量测新方法.doc

.高速铁路隧道监控量测新方法高速铁路隧道监控量测新方法 摘要:本文通过合肥至福州铁路客运专线（闽赣段）土建工程HFMG-1标段第四项目部施工隧道工程监控量测的实例，详细介绍了全站仪自由设站方式进行三维非接触量测的方法原理、技术要求、数据的采集及计算原理和处理分析，以此掌握围岩动态和支护工作状态，综合分析监控量测，从而及时调整隧道的支护方案，保证围岩稳定和施工安全，并指出了该方法的优越性和应用前景。 关键词: 非接触量测；监控量测；全站仪；新方法中图分类号：U238 文献标识码：A 1概述 合肥至福州铁路客运专线（闽赣段）土建工程HFMG-1标段第四项目部施工范围: DK376+759DIK386+366(含断链61.949米),线路长9.669正线公里。主要包括七座隧道，合计3043延米。其中级围岩2028延米（含明洞），级围岩695延米，级围岩320延米。线路所经地区地层岩性复杂，出露下元古界第三系沉积岩及变质岩、各时期的岩浆岩和第四系松散地层。多为偏压浅埋隧道，设计采用了复合式衬砌形式。根据规范要求，设计的初期支护形式是否可以满足围岩的变形压力，模筑砼最佳浇注时间都是要通过监控量测来确定。隧道开挖后，对已开挖裸露的围岩及时进行初期支护，对初期支护的受力进行监控量测。通过观测拱顶沉降与周边位移变化情况，掌握围岩和支护的变化信息并对量测数据运用概率论与数理统计学原理，通过数学公式计算进行分析评估，并预测出围岩以后的发展趋势，以达到以下目的： (1)了解隧道围岩、支护变形情况，以便及时调整支护形式，保证开挖坑道的稳定。 (2)依据量测数据的分析资料采取相应的支护措施和应急措施，保证施工安全 。 (3)为二次衬砌施工提供依据 。 然而，传统的隧道监控量测方法，周边位移一般采用钢尺式收敛计进行观测，拱顶下沉一般采用水准仪、水平仪、钢尺或测杆进行观测。虽然该方法具有成本低、操作简单和适 应恶劣施工环境的优点，但在隧道现场实施过程中存在以下问题： (1)监控量测工作难度大，由于双线设计，隧道半径大，拱脚部位的收敛往往无法量测，拱顶挂尺也非常困难； (2)量测时间长，施工干扰大，虽然监控量测已作为一道工序被安排在施工组织设计中，但还是希望时间越短越好； (3)隧道进入中间段后，通风问题、照明问题、洞内不平整及积水问题往往成为制约监控量测工作的重要因素。 (4)对于大断面隧道，如紧急停车带，接触量测几乎不可能，即使勉强能够实施，量测精度也差，而这些段落往往是施工最危险段落。 (5)一般无法进行三维观测，当要了解隧道周边点的三维变化时，上述传统方法显得无能为力。 为了解决常规监控量测中存在的问题，我们首次在高速铁路隧道的监控量测中，研究采用了非接触量测方法。提出了隧道变形监测新技术采用全站仪进行非接触三维观测(无尺量测，即用反射膜片)的研究。 2 监控量测的目的 控量测分为必测项目和选测项目两类。必测项目是隧道工程应进行的日常监控量测项目。选测项目应根据隧道建设规模、围岩的性质、隧道埋置深度、开挖方式等特殊要求进行的监控量测项目。 表1 监控量测必测项目 序号 监测项目 测试方法和仪表 测试精度 备注 1 二次衬砌前 净空变化 收敛计、全站仪 0.1mm 全站仪采用 非接触观测法 2 二次衬砌后 净空变化 收敛计、全站仪 0.01mm 3 地表沉降 水准仪、铟钢尺或全站仪 1mm 浅埋隧道必测 （Ho2B） 4 拱顶下沉 水准仪、钢挂尺或全站仪 1mm 一般进行 水平收敛量测 5 沉降缝两侧底板不均匀沉降 三等水准测量 1mm 沉降缝两侧底板(或仰拱填充层面)沉降 6 洞口段与路基过渡段不均匀沉降观测 三等水准测量 1mm 洞口底板（或仰拱填充层面）与洞口过渡段的沉降 表2监控量测选测项目 序号 监测项目 测试方法和仪表 测试精度 备注 1 围岩压力 压力盒 0.001Mpa 2 钢架内力 钢筋计、应变计 0.1Mpa 3 喷混凝土内力 混凝土应变计 10 4 二次衬砌内力 混凝土应变计、 钢筋计 0.1Mpa 5 初期支护与二次衬砌 接触压力 压力盒 0.001Mpa 6 锚杆轴力 钢筋计 0.1Mpa 7 围岩内部位移 多点位移计 0.1mm 9 爆破振动 振动传感器、记录仪 临近建筑物 10 孔隙水压力 水压计 11 纵向位移 多点位移计、全站仪 0.1Mpa 非接触量测方法采用全站仪自由设站原理远距离测量点位不同时段的三维坐标，经过处理输出测点的三维位移矢量或测点相对收敛值，可以代替传统的接触量测对拱顶下沉、周边收敛的量测。此方法可以方便、 准确、快速地为隧道施工提供参考数据。 3、监控量测的技术要求 3.1测点布设 拱顶下沉测点及净空水平收敛测点应布设在同一断面，测点应尽量对称布设，即“同面等高”，以便数据的相互验证。拱顶下沉及周边收敛量测的测点布设情况一般分为3种，如图1所示。 图1拱顶下沉及周边收敛量测的测点布设示意图 隧道监控量测的断面间距及净空变化量测的测线数，可参照表3、表4的要求来布置。 表3隧道监控量测的断面间距 围岩级别 断面间距(m) V 510 10 30 3050 注:级围岩视具体情况确定间距。 表4 净空变化量测的测线数 地段 开挖方法 一般地段 特殊地段 全断面法 一条水平测线 台阶法 每台阶一条水平测线 每台阶一条水平测线，两条斜测线 分部开挖法 每分部一条水平测线 CD或CRD法上部、双侧壁导坑法左右侧部，每分部一条水平测线，两条斜测线、其余分部一条水平测线 3.2测点埋设 埋设测点时，应注意以下几点要求： 1.在布设测点处，用冲击钻钻出孔径为10 mm，深为150 mm的钻孔； 2.在钻孔中填满水泥砂浆后插入量测预埋件（见图2），尽量使左右两侧相对的预埋件处在“同面等高”的位置； 3.反射膜片应贴于经过清理和防锈处理后的钢板表面，以保证其与钢板紧密粘合，不易滑动、脱落； 4.将贴有反射膜片一面的钢板，朝向隧道出口，并尽量使其面向隧道中线，以保证监控量测时，全站仪能够接收到最强的反射信号； 5.待砂浆凝固后，即可量测，量测测点应牢固可靠、易于识别并妥善保护。 图2量测预埋件示意图 3.3全站仪自由设站方式工作原理 全站仪三维非接触围岩净空位移量测新技术，其基本原理是利用全站仪自由设站远距离测量点位不同时段的三维坐标，将测量数据输入算机通过软件进行后处理，最后输出测点的三维位移矢量或测点相对收敛值，准确、快速地为施工提供参考数据。即在监控量测中，将全站仪置于隧道中线附近的适当位置，采用极坐标测量的方法，直接对不同断面上的各监测点进行观测，获取各监测点在任意站心坐标系下的空间三维坐标，利用各监测点的空间三维坐标，间接得到同一断面上各监测点间的相对位置关系，并通过比较不同周期相同监测点间的相对位置关系的差异，来真实反映隧道的拱顶下沉及净空收敛变化量，如图3所示。 图3全站仪自由测站非接触量测示意图 3.4监控量测频率 根据传统的净空收敛、拱顶下沉的测定频率随着变位收敛的天数、变位量、开挖方法、日变位量、离掌子面距离的不同而变化， 大体上可根据位移速度及离开挖面的距离而定，见表 5。当采用台阶法进行隧道施工，下台阶到达时上面台阶测定频率要加大。本次试验三维位移量测频率采用与净空收敛、拱顶下沉的测定频率基本一致。 表5拱顶下沉及净空收敛量测频率 注：D 为隧道直径 3.5判定安全基准 从既有现场实测的位移一时间曲线可知，曲线有明显的负速率段、加速段、减速段和匀速段。从数据处理来看，若以位移量测信息作为施工监控的依据，则判断围岩稳 定性的依据应为位移量和位移速率，所以，在工程实践中根据实际情况规定容许位移 量和容许位移速率值是进行施工监控的基础，从而可根据位移一时间曲线来判断围岩 的稳定性。具体地说，基准值的设定方法见表 6。 表6变形管理基准的设定 注：U0实测隧道周边位移值，拱顶为主要依据；Un绝对位移控制基准值。 4 数据计算原理 4.1数据格式 根据量测数据及时绘制拱脚水平相对净空变化、拱顶相对下沉和地表下沉的时态曲线及其与开挖工作面距离的关系图。对初期支护的时态曲线应进行回归分析，选择与实例数据拟合性好的函数进行回归，预测可能出现的最大位移。 监控量测的原始数据为每测站量测的各监测点的空间三维坐标，案例如下表所示。 表7 某测站监控量测的原始数据 断面里程 日期： 2012.08.20 A B C D E DK380+390 第一测回 盘左 X 13.5025 15.1692 19.8017 24.5381 26.0333 Y -35.7187 -34.8692 -32.2811 -30.0114 -29.1477 Z 4.0582 7.5195 9.7136 7.4321 3.9803 盘右 X 13.5023 15.1694 19.8025 24.5378 26.0329 Y -35.7176 -34.8677 -32.2794 -30.0101 -29.1468 Z 4.0592 7.5187 9.7144 7.4328 3.9799 第二测回 盘左 X 13.5009 15.1671 19.800 24.5382 26.031 Y -35.7179 -34.8695 -32.2815 -30.0117 -29.1484 Z 4.0588 7.5182 9.7141 7.4285 3.9805 盘右 X 13.5002 15.1669 19.7999 24.5336 2.0286 Y -35.7174 -34.8684 -32.2823 -30.0124 -29.1485 Z 4.0597 7.5181 9.7150 7.4280 3.9796 由于外业观察成果中不可避免得会引入误差或粗差，且各监测点在同一测站中有4个坐标观测值，因此，可采用具有一定抗差能力的中位数法来确定各监测点在同一测站中唯一的正确的空间三维坐标。 所谓中位数法，即是将同一测站各监测点的4个坐标观测值分别按三维坐标分量X、Y、Z从小到大或从大到小进行排序，如下所示： ， 其中：、为排序后，第个位置所对应的坐标分量观测值。舍去最小和最大的坐标分量观测值，将各坐标分量剩余的两个观测值取算术平均值，得各监测点在同一测站中唯一的空间三维坐标。加之，中位数只与观测值的排列顺序有关，不受观测极端值的影响，因此采用中位数法可得到各监测点在同一测站中唯一的正确的空间三维坐标。 监控量测的原始观测数据为每测站量测的各监测点的空间三维坐标，其直接以8位或16位字符的GSI格式进行存储，如图4所示。 图4隧道监控量测数据格式 由图4可以看出，各断面监测点都用“盘左”进行了两次照准、读数，因此，可采用取算术平均值的方法来确定各监测点在同一测站中唯一的空间三维坐标。 4.2净空变化计算原理 如图5所示，设A、B、C、D、E的空间三维坐标分别为、，则净空水平收敛测线、 图5拱顶下沉及周边收敛量测的示意图 设第期净空水平收敛测线观测值为、，第期净空水平收敛测线观测值为、，则相邻两期净空水平收敛的变化量为、；而净空水平收敛的累积变化量 = 净空水平收敛测线的初始值 - 净空水平收敛测线的当前值。如遇特殊地段，应计算斜测线的变化量，其计算原理与净空水平收敛测线相同。 4.3拱顶下沉计算原理 设第期拱顶监测点C到净空水平收敛测线AE的空间距离为，则 其中：向量,向量为直线AE的方向向量，为向量的模，为两向量的叉积，可按下述过程计算： 设，则 上式中分别表示X、Y、Z三个方向上的单位向量，则 为向量的模。 同理可得，第期拱顶监测点C到净空水平收敛测线AE的空间距离，则相邻两期拱顶下沉的变化量为，即拱顶下沉的变化量是通过不同周期拱顶监测点到最低净空水平收敛测线的空间距离的差值来反映的；而拱顶下沉的累积变化量 = 拱顶监测点到最低净空水平收敛测线的空间距离的初始值 - 拱顶监测点到最低净空水平收敛测线的空间距离的当前值。也可计算拱顶监测点相对于其他净空水平收敛测线的下沉变化量，以便数据的相互验证。 4.4地表下沉 对于地表下沉数据是将测量数据录入隧道沉降观测数据EXCEL表，绘制时间-沉降量散点图，根据散点图的数据进行回归分析。 5 案例分析 鉴于篇幅所限，本文就东岭隧道DK380+500断面的监测情况作一分析。 5.1 DK380+500断面数据采集 5.2 DK380+500断面拱顶下沉趋势图 东岭隧道DK380+500断面拱顶下沉趋势图 5.3 DK380+500、DK381+900、DK386+360断面净空水平收敛趋势图 东岭隧道DK380+500断面净空水平收敛趋势图 5.4 DK380+500断面斜测线变化敛趋势图 东岭隧道DK380+500断面斜测线变化敛趋势图 从图 5.2图 5.4可以看出，DK380+500断面 拱顶下沉累计值开始增长比较明显，25天以后变化趋于稳定，这符合塘村隧道围岩区段断面的拱顶位移变化规律，与传统拱顶下沉变化规律相似。而隧道各测点在两个断面上的水平方向位移变深，相同围岩级别和相同开挖方式下隧道洞周位移变化规律一致。 从图 5.2图 5.4可以看出，竖直方向绝对位移变化量累积值以拱顶的D点最大，而 水平方向绝对位移变化量累积值以拱顶的A点和G点最大，这是符合实际的。为了与传统洞周收敛位移量测数据进行更好的比较，把水平方向绝对位移以隧道同一高程上两个对应测点的绝对值之和作为在绝对坐标下测得相对收敛值（下同），再与传统位移量测洞周相对收敛值比较，可以很好的反映出隧道周边位移变化。 根据位移值、位移速率等分析、评定围岩和支护的稳定性。判别初期支护的工作状态安全，水平净空收敛、拱顶下沉量达到预测最终值的80%90%，收敛速度小于0.10.2mm天，拱顶下沉速率小于0.070.15mm天时，可认为围岩基本稳定进行下一道工序施工。 6 结语 由于隧道工程的特殊、复杂性和隧道围岩的不确定性，对隧道围岩及支护结构进行监控量测是保证隧道工程质量、安全必不可少的手段。应用全站仪自由设站非接触量测方式进行监控量测将取得事半功倍的效果。然而很多现有判定基准都是针对传统的拱顶下沉位移量和收敛相对位移值所制定的，在三维位移量测中我们所提取出来纵向位移速率还没有现成的判定基准，基于此合福铁路客运专线（闽赣段）土建工程HFMG-1标段第四项目部隧道工程实施实践中，根据总结的经验，控制隧道纵向稳定性的依据主要是纵向位移速率的变化情况。所以我们以纵向位移速率作为三维位移纵向判定基准来判断隧道纵向稳定性以及预测掌子面开挖前方围岩变化情况。 三维位移洞周收敛这种收敛位移的量测包括了传统的拱顶下沉及周边位移，且三 维位移量测利用全站仪一次性的把每个