新奥法隧道施工中常规量测

新奥法隧道施工中常规量测
中铁十四局集团第四工程有限公司王亭
摘要阐述了隧道新奥法施工隧道常规量测方法。

关键词隧道新奥法施工拱顶下沉水平收敛监测方法
1 引言
新奥法是奥地利工程专家（腊布希维兹）1948后提出并于1962年【奥地利第八届土力学会议（萨尔茨）】得以正式命名的隧道施工方法，该方法以其良好的工作效果在地下工程施工中得到了广泛的应用，我国在隧道施工中也大量地使用了新奥法。

新奥法的基本思想是充分利用围岩的自能力和开挖面的空间约束作用，及时地对围岩进行加固（锚喷支护），约束围岩变形，防止围岩松散破坏，并通过对围岩和支护的量测与监控来指导隧道和地下工程的设计与施工。

新奥法施工的基本要求是：隧道承载部分主要围岩，施工时应尽可能不损坏围岩的原始强度，应最大限度地防止围岩松动，应避免围岩处于单轴或两轴受力状态，应及时控制围岩变形并适时进行衬砌，衬砌方法和时间取决于围岩变形的量测结果，隧道可看做是由支护与围岩承载环组成的厚壁管，衬砌不能有缺口（以保证圆环作用），应圆化衬砌棱角（避免应力集中），一次衬砌要满足稳定要求，二次衬砌用做安全储备，应及时测定衬砌应力及围岩变位。

新奥法施工的现场监测是确保工程质量和安全的关键，也是指导设计和施工的主要依据，现场监测结果对于隧道衬砌设计计算方法的改进及设计参数的确定与修正具有重大的现实意义。

新奥法施工的现场监测内容主要有地质及支护状况、周边位移、拱顶下沉、地表下沉、围岩内部位移、围岩压力、两层支护间压力、钢支撑内外力、支护及衬砌内应力、表面应力、裂缝、锚杆内力和抗拔力、围岩弹性波等，其中必须监测的常规项目主要有地质及支护状况检查、周边位移监测、拱顶下沉监测及地表下沉监测。

下面我就结合六安至武汉高速公路安徽段新开岭隧道谈下对此的一点体会。

2 工程概况
六安至武汉高速公路安徽段地处皖西大别山区，工程主要位于六安市金寨县境内的洪冲乡及槐树湾乡，为左右分离式单向行车、曲线特长隧道（左幅3197m / 右幅3229
m ）。

3 工程地质情况
隧址区属于低山地貌，海拨190－580m，相对高差约390m，植被发育，隧道轴线与山脊走向近正交。

山顶与隧道的最大高差约达320m。

隧址区发育的地层主要有：第四系全新统残坡积物（Q4el+dl）碎石层，下伏基岩为新元古代－早古生代佛子岭岩群潘家岭岩组（P t3－P z1p）石英片岩，中生代燕山中晚期（γ53（2））花岗岩侵入体。

隧址区的节理、裂隙较为发育，且节理多为剪节理，节理面平直延伸短，呈半闭合~闭合状，局部充填有石英脉，但无活动性大断裂经过，区域构造稳定性较好。

其不良地质作用为：节理、裂隙及风化裂隙较为发育，岩体呈碎裂状松散结构，洞口开挖削坡后边坡稳定性差，会造成落石、掉块及坍塌现象。

新开岭隧道进口及隧址前段为新元古代－早古生代佛子岭岩群潘家岭岩组（P t3－P z1p）石英片岩，其它洞身围岩主要为中生代燕山中晚期（γ53（2））细粒花岗岩，均为硬质岩，隧道围岩分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三种级别，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩约点50%，在洞口和局部地段，围岩级别较低，在施工开挖时应注意加强监控量测，以确保施工安全。

根据上述资料，结合施工情况，对隧道常规量测要求尤为重要，特别是对于地质超前预报、围岩应力位移分析来指导下一步施工，保证施工的安全、质量更为突出。

4 监控量测
隧道新奥法施工中，监控量测是必不可少的重要工作，施工时必须按照《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）的有关规定进行隧道地质和支护状况观察、围岩变形量测、地表下沉变形量测、锚杆抗拨试验等一些必要项目，及应力~应变量测等一些选测项目的量测工作。

它可以弥补施工前地质信息不足所带来的缺陷，达到设计与施工同时并举，从而正确地确定开挖方法、喷锚支护参数以及永久支护的施工时机，实现预期的建设目标。

据此，在以新奥法施工监控量测技术为主要研究内容的基础上，加强新技术、新方法、新工艺的综合应用；通过隧道开挖目测围岩地质状况和实测的有关变位信息以及承载体系的受力状态，为判断隧道空间的稳定性提供可靠的依据；利用量测信息的反馈，修改设计、指导施工；根据量测结果，预见围岩失稳和提供砼受力情况，以便采取措施防患于未然；根据变位速度判断隧道围岩稳定程度，并为二次衬砌提供合理的支护时机，
从而确保工程质量与施工安全。

本工程采用新奥法进行施工，在新奥法施工过程中，最显著的特点就是信息化，采用监控量测分析的方法来反映围岩自稳的情况，逐步校正设计参数，优化设计，并且能将所测的数据及时输入计算机，利用数据库技术获得施工中的关键数据，并将所得信息反馈给施工，来指导施工。

其反映网络图如下：
4.1 开挖面目测和支护状况观察
主要是对监控的开挖面岩性、结构面产状及支护裂缝观察或描述，及观察有无锚杆被拉脱或垫板陷入围岩内部现象，同时观察锚杆和喷层有无施工质量问题。

其目的是预测开挖面前方的地质条件，并可评价隧道围岩工程地质特性、支护措施的合理性及洞室的稳定状态。

4.2 拱顶下沉的监测方法
隧道拱顶下沉监测系统由基准系统及变形点系统构成。

基准系统由3个相距不太远的水准点构成，3个水准点均设置在地质结构稳定的地方，3个水准点到开挖隧道的直线距离应在500~1000m之间，3个水准点均应设置特制的钢筋砼墩式标志，3个水准点应构成闭合水准路线，3个水准点间的高差应利用精度不低于±1mm/km的水准仪往返测量。

基准系统应采用国家高程系统，基准系统中3个
水准点有1个为主点、另外2个为辅点，设置3个水准点的目的是为了确保并检核基准系统的稳定性与可能性。

变形点系统按需要均匀地设置在隧道初期支护的拱顶上。

变形点的设置方法是：在新奥法施工工作面开挖后立即进行初期支护（锚喷支护），按适当的距离在拱顶锚杆的外端焊接特制的不锈钢球作为变形点标志，不锈钢球的下沉实际就是拱顶的下沉。

钢球的底部应略高于二次衬砌砼的外表面，并应将钢球进行编号。

拱顶下沉的监测过程是，当施工工作面开挖完并立即进行初期支护和不锈钢球焊接之后，马上从基准系统主点开始按二等到水准测量的精度用不低于±1mm/km的水准仪测出钢球底标高H′ī。

当初期支护变形基本稳定即将进行二次衬砌砼施工时应从基准系统主点开始按二等到水准测量的精度用不低于±1mm/km的水准仪测出钢球底标高H″ī，则每个钢球的下沉量（即钢球位置的隧道拱顶下沉量）H为：
h=H′ī-H″ī
每次变形点（若干点）高程测量结束后，应立即进行基准点（3个）间的高差测量（水准仪精度不低于±1mm/km，观测精度不低于二等水准），以检验主、辅点的稳定性，当出现问题时应判断出不稳定的基准点，并对变形点的观测结果进行相应的修正。

实践证明，只要基准点的位置选取得当，基准点的稳定基本没有问题。

变形点除了进行高程测量以外，还应根据隧道施工平面控制网测出变形点的平面直角坐标（一般为高斯平面直角坐标），根据变形点的平面直角坐标确定出变形点在地形图上的位置，根据地形图上变形点位置的地面高程H即可确定变形点到地面的铅直距离（即覆岩厚度）B为：
B=H- H′ī
根据拱顶下沉监测资料，笔者利用计算机对下沉过程进行了分析，从而得出了新奥法施工拱顶下沉的估算公式，即
h=1.031√bK(InB)4.713*10-3+0.692
式中：h——拱顶下沉量（mm）；
b——隧道净宽（m）；
K——围岩影响因子；
B——变形点处隧道顶端覆岩厚度（m）。

围岩影响因子K的值根据围岩类型来确定，对Ⅴ类围岩（稳定围岩）K=2.0138，对Ⅳ类围岩（基本稳定围岩）K=2.4596，对Ⅲ类围岩（稳定性差的围岩）K=3.3201，对Ⅱ
类围岩（不稳定围岩）K=6.0496，对I类围岩（极不稳定围岩）K=11.0232。

4.3 水平收敛
隧道周边水平收敛是隧道围岩应力变化最直观反映，它是新奥法施工的必测项目，也是新奥法施工的重要工序。

量测周边位移可为判断隧道稳定性提供可靠信息，根据围岩位移曲线判定围岩类别，并以围岩变位速率为二次衬砌提供合理的支护时机。

其布点及量测方式为以下两种（如图）：
根据《公路隧道施工技术规范》（JIJ042—94）9.2.4条，结合经验各类围岩监测断面间距按以下要求布置：
Ⅱ类围岩：10~20m；Ⅲ类围岩：20~30m
Ⅳ、Ⅴ类围岩：30~50m
量测设备选用KM—1型收敛计，精度为0.01mm
关于量测时间间隔可按《公路隧道施工技术规范》（JIJ042—94）9.2.6条进行：1~15天16~30天31~91天90天以上
1次/天1次/2天1次/周1~2次/月
在实际施工过程中，由于围岩自身的岩质、岩性、围岩自身强度、隧道内水文地质以及围岩裂隙的发育情况都对围岩的稳定性有一定的影响，在这种情况下，监控量测就为施工安全和质量的控制提供了理论依据。

在下面的监控资料的围岩收敛值曲线和围岩收敛速度曲线就充分说明围岩稳定性的变化规律。

4.4 数据处理
根据本工程施工特点和本公路隧道围岩自身承载力的基本情况及工程地质情况对围岩的监控收敛量测采取（B）中形式，根据日常量测结果对数据进行计算、分析，绘
出差值—时间曲线、累计差值—时间曲线、当日速率—时间曲线和平均变形速率—时间曲线。

现在以一个断面实测曲线为例：
图2 YK31+310量测断面水平收敛累计值与时间关系曲线。