非接触量测在大断面黄土隧道施工中的应用

非接触量测在大断面黄土隧道施工中的应用
王善高;于洪亮
【摘要】分析了传统监控量测方法在大断面黄土隧道施工中的局限性,提出采用非接触量测的方法对大断面黄土隧道初期支护变形进行监控量测,分析黄土隧道初期
支护的变形特点和规律,结果表明,利用非接触量测进行黄土隧道初期支护的监控量
测可以克服施工干扰、降低劳动强度,极大地提高了作业效率.
【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2009(006)004
【总页数】3页(P65-67)
【关键词】黄土隧道;监控量测;非接触量测;全站仪;大断面
【作者】王善高;于洪亮
【作者单位】中交隧道局太中银铁路项目经理部,山西,柳林,033314;中交隧道局太
中银铁路项目经理部,山西,柳林,033314
【正文语种】中文
【中图分类】U452.1
太中银铁路穆村1#隧道位于山西省吕梁地区柳林县境内，隧道位于黄土地区，地
形起伏较大，黄土冲沟发育。

隧道进口里程为DK205+615，出口里程为
DK206+543，全长928 m；隧道进、出口处地势较陡，表层黄土覆盖，植被稀疏，无基岩裸露。

隧道洞身以新黄土及老黄土为主，坚硬－硬塑，表层新黄土具有湿陷性。

隧道在进出口段隧底为新黄土，具自重湿陷性，自稳能力差，拱顶超挖严重，
地基承载力为200～250 kPa。

根据量测结果分析，初期支护格栅钢架架设完成后，在72 h内变形最大，约达到总变形量的30%～40%。

如何及时、准确地掌握围岩的变形信息，对围岩的稳定性和支护的状态作出正确的分析、判断，从而及时指导施工，调整预留变形沉降量，作为调整初支参数和选择合适的二衬时间，保证隧道施工的安全和工期，是监控量测的首要任务。

根据设计图纸和有关规范要求，本隧道的必测项目主要有拱顶下沉、水平收敛和斜向收敛量测等3个项目［1］，本隧道主要以台阶法开挖为主，拱顶下沉、水平收敛及斜向收敛量测测点布置如图1所示，Ⅴ级围岩按15 m一个断面布置，Ⅳ级围岩按20 m一个断面布置，前10 d之内每天需量测2次，且量测断面在掌子面开挖后24 h内必须要读取初始读数［2］，工作量较大，量测难度大。

（1）本隧道采用上下台阶环形开挖预留核心土法，如图2所示，设计环形核心土长度为4～5 m，下台阶左右侧不能同里程开挖，错开距离一般为4～5 m，如图
3所示。

根据设计要求，量测点埋设尽量靠近开挖工作面，要求不超过2 m，且在掌子面开挖后24 h内及下一循环开挖之前测读初读数。

由于上台阶环形核心土的阻挡及下台阶的错位开挖，净空变化测点就无法及时地使用收敛计进行量测，拱顶下沉量测也会由于环形核心土的阻挡无法倒挂钢尺而无法进行；若等上台阶核心土开挖完成后再进行量测，根据铁路大断面黄土隧道施工的一般速度，至少需等待
48 h以后，根据有关规范及施工经验可知，隧道开挖后48 h内的变形及应力变化最快，而且这段时间的监控量测数据对后期的最终位移的预测至关重要。

所以常规监控量测方法在大断面黄土隧道施工中不能满足设计及有关规范的相关要求。

（2）使用收敛仪量测时，必须要将收敛仪两端的挂钩挂在量测基线两端的挂钩上，并需要加载一定的拉力后进行读数。

本黄土隧道开挖尺寸为14.0 m× 12.5 m（宽×高），跨度大、净空高，而且Ⅳ、Ⅴ级围岩设计有斜向收敛量测，量测时，需要架设梯子或者需要挖掘机、装载机等大型设备的协助来进行高空作业，不仅降低了
施工机械的效率，且不利于量测人员和设备的安全。

（3）传统的接触量测方法具有成本低、简便可靠、能适应恶劣环境等优点，但是对黄土隧道初期支护进行量测时，洞内施工干扰因素多，特别是受洞内的风水管、出碴车辆、大型机械设备的阻挡以及运输车辆和施工人员的流动等因素的影响，采用传统的接触式监控量测方法进行净空量测时，常常和其它施工工序相互产生干扰，量测一个断面要花费很长的时间进行各个施工工序之间的协调，严重影响了新奥法的“早支护、勤量测、快封闭”的方针［3］。

非接触量测主要采用全站仪进行。

非接触量测的测点采用一种膜片式回复反射器作为测点靶标，以取代价格昂贵的圆棱镜反射器，反射膜片大小可以任意裁剪，价格低廉。

由于全站仪具有对边测量、三维坐标测量、自由设站等功能，在隧道量测中，应用对边测量功能可以解决环形核心土的问题及下台阶错位开挖的问题，能在24 h内进行初读数，灵活有效地进行隧道的变形量测，在最短的时间内为施工决策者提供可靠的量测数据，可以为初期支护的预留沉降量提供准确的数据，指导施工。

且用全站仪进行隧道净空变化量测可以固定设站或自由设站，对施工干扰小，其量测示意如图4所示。

将全站仪架设在核心土前面约15 m，避开施工干扰的地方，只要能看见所要观测的量测点的位置即可进行测量；调用全站仪的对边测量功能即可测量出2个量测
点之间的基线长度，效率高。

由于全站仪的测量数据精度一般为1 mm，所以，
测量3次取平均值作为最后的量测值，结果保留至0.1 mm，减小了人为的瞄准误差，提高了量测精度。

将全站仪架设在无施工干扰或者施工干扰小的地方，采用相同的方法对下台阶的水平收敛点、拱顶的下沉量测点及其他断面的量测点进行观测。

拱顶下沉和水平收敛仅使用1台全站仪，无须其它辅助设备，无须高空作业，测
量速度快，拱顶下沉和水平收敛可同时观测，节约人力物力。

对边测量是指间接地测定远处两测点间的水平距离和高差。

如图5所示，P1、P2
为远处两测点，为了测定其间的水平距离D和高差h，可在与P1、P2通视的任
意点P上安置全站仪，观测至P1、P2两点的斜距S1、S2和竖直角α1、α2以及PP1与PP2间的水平夹角β，然后根据式（1）~（3）即可计算出所求的水平距离、高差及斜距：
如果P1、P2两点为水平收敛基线的端点，则P1到P2之间的斜长L就是基线水
平收敛观测值或斜测线观测值，如果P1为基准点P2为拱顶点，则P1、P2之间
的高差h就是拱顶下沉观测值。

D、h、L的值通过调用“对边测量”程序进行计算，并显示在屏幕上，显示值即
为观测结果。

图6、图7是穆村1#大断面黄土隧道DK205+ 725上台阶水平收敛和拱顶下沉的位移-时间曲线图。

从断面开挖到仰拱封闭时间为37 d，拱顶累计下沉为83.5 mm，水平收敛累计值为31.1 mm。

从曲线图上可以看出，13日进行下台阶开挖时，拱顶下沉点沉降速度明显加快，
水平收敛点基本不受下台阶开挖的影响；28日进行该段里程的仰拱开挖，开挖后，拱顶下沉点沉降速度明显加快，水平收敛点基本不受仰拱开挖的影响。

经过统计分析表明，大断面黄土隧道拱顶累计下沉量一般为60～100 mm，最大
值达到了123 mm，且在下台阶和仰拱施工时会明显影响到拱顶的稳定性，每次
开挖扰动后，拱顶量测点约有20～30 mm的下沉，封闭后在3～5 d就基本稳定。

水平收敛点收敛值一般为20～40 mm，封闭后5～10 d水平收敛点就基本稳定，且水平收敛点基本不受下台阶及仰拱开挖扰动的影响。

从以上分析可知，黄土隧道初期支护没有全环封闭前，围岩变形就不会收敛，所以黄土隧道的施工速度直接影响到围岩变形的大小。

（1）非接触量测具有方便、快速、灵活、适应性强等优点，在进行非接触量测时，
最好是能固定人员、固定仪器、固定观测位置，以提高量测精度；
（2）下台阶开挖和仰拱开挖，对拱顶沉降点影响较大，下沉速度明显加速，水平收敛点却基本不受影响；
（3）黄土隧道初期支护没有全环封闭前，围岩变形就不会收敛，所以黄土隧道的施工速度直接影响到围岩变形的大小，只有初期支护全环封闭后才会趋于稳定；（4）大断面黄土隧道变形速率和累计变形较大，施工中应加强围岩的监控量测，并及时反馈量测信息，以便达到指导施工的目的。

【相关文献】
［1］TB10121—2007铁路隧道监控量测规程［S］.
［2］TB10204—2002铁路隧道施工规范［S］.
［3］刘旭全.监控量测技术在郑西客运专线大断面黄土隧道中的应用［J］.铁道工程学报.2007，12（增刊）：348-352.。