改進(jìn)的隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TMS)在隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
中石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司西南分公司 作者：辜利江,王海蘭,馬俊 0 前言在地下工程測(cè)試中， 位移量測(cè)( 包括收斂量測(cè)) 是最有意義和最常用的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目， 其穩(wěn)定可靠，簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)。測(cè)試成果可直接指導(dǎo)施工，驗(yàn)證設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。TMS ( Tunnel Monitoring System 隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng))隨著工程技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。目前，國(guó)際上許多國(guó)家都對(duì)隧道工程的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試非常重視，出臺(tái)了許多的規(guī)定和規(guī)范［1］。 隧道施工本身具有一定的復(fù)雜性，其自身的特點(diǎn)對(duì)隧道的監(jiān)測(cè)儀器也有一定的要求，概括起來(lái)，有以下幾個(gè)特點(diǎn): 設(shè)備精度要求高、自動(dòng)化程度要求高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和操作性強(qiáng)。 在國(guó)際上，歐洲是最早建造長(zhǎng)大隧道的，其高速公路建設(shè)起步也比較早。因此，歐洲對(duì)隧道位移監(jiān)測(cè)的研究也比較早，重視程度也比較高，但其對(duì)隧道位移監(jiān)測(cè)的研究也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于對(duì)隧道施工工藝水平的研究。隧道位移監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，不同于一般的地面結(jié)構(gòu)工程的位移監(jiān)測(cè)。目前國(guó)際上比較新的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有［2］:
( 1) 紅外測(cè)距技術(shù): 這種位移測(cè)量方法的誤差一般能控制在2mm 左右，主要應(yīng)用于大型隧道的監(jiān)測(cè)中;
( 2) 激光技術(shù);
( 3) 數(shù)碼成像技術(shù)。
通過(guò)這些技術(shù)，在隧道內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)觀測(cè)，然后進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，從而得出測(cè)點(diǎn)的位移信息。但這些方法也有其自身的缺點(diǎn)，即:
( 1) 測(cè)量精度有待提高;
( 2) 多測(cè)點(diǎn)的反算會(huì)引起誤差傳遞， 誤差積累，從而影響測(cè)量精度;
( 3) 由于隧道內(nèi)的施工環(huán)境，這些儀器的實(shí)際操作性受到一定的限制，特別是在狹長(zhǎng)的隧道中。
1 改進(jìn)型TMS 的工作原理
改進(jìn)的TMS ( Improved Tunnel MonitoringSystem) 是由成都理工大學(xué)王蘭生教授發(fā)明的，其構(gòu)造示意圖見圖1。
改進(jìn)的TMS 是將幾根傳遞桿全部安裝在一個(gè)鉆孔里，除最里面的一根用鋼筋外，其他幾根都用鋼管作為傳遞位移的介質(zhì)。各接點(diǎn)都與巖體牢固粘結(jié)，將巖石的深部變形引到外面加以測(cè)量。通過(guò)不同時(shí)間的位移監(jiān)測(cè)，可以了解圍巖中不同深度的徑向位移變化情況。
如圖1 所示，改進(jìn)的TMS 從內(nèi)而外，首先是一根長(zhǎng)4m、直徑14mm 的鋼筋，在其頂端10cm 處焊接一個(gè)鋼圈，鋼圈主要作用是綁粘結(jié)藥包的時(shí)候能將藥包限制在一個(gè)小的范圍內(nèi); 然后是一根長(zhǎng)度為3m、內(nèi)徑為16mm 的鋼管， 鋼管頂端和距頂端10cm 處各焊接一個(gè)鋼圈，用于綁粘結(jié)藥包。為使整個(gè)儀器在進(jìn)入鉆孔時(shí)， 能保證該接觸點(diǎn)在深度3m 處，實(shí)際制作時(shí)， 在4m 鋼筋頂部套一根PVC塑料管，長(zhǎng)度90cm， 該P(yáng)VC 管能頂住3m 鋼管的頂部; 其它兩根2m 和1m 的鋼管制作與3m 相同，只是直徑不同。
從示意圖中可以看出，整個(gè)儀器的傳遞桿除了端點(diǎn)與圍巖是牢固接觸的以外，其他部分在徑向上都是可以自由移動(dòng)的。PVC 套管既可以保證錨固點(diǎn)的位置恰好是設(shè)計(jì)的深度，又能有效地減小傳遞桿與孔壁的接觸，減小摩擦阻力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。儀器的外接套筒是起將各傳遞桿保護(hù)起來(lái)，同時(shí)用軟木塞將各傳遞桿固定在相應(yīng)的位置的作用。套筒的尺寸如圖2 所示。各傳遞桿的相互位置關(guān)系如圖3 所示，各鋼管套筒間套接關(guān)系見圖4。
外接套筒頂部焊接一個(gè)供測(cè)讀數(shù)據(jù)用的測(cè)頭，測(cè)頭平面圖如圖5 所示。測(cè)孔的大小是根據(jù)電子百分表的測(cè)桿大小而制作的，大小剛好能保證百分表測(cè)桿垂直而不發(fā)生傾斜。保證讀數(shù)的準(zhǔn)確性。測(cè)試的時(shí)候用百分表通過(guò)測(cè)頭保護(hù)套上的小孔伸進(jìn)去，接觸到鋼管的頂端，通過(guò)測(cè)量鋼管頂端的伸縮來(lái)測(cè)讀圍巖的位移。
最外面用一個(gè)鋼質(zhì)蓋將整個(gè)測(cè)試裝置封閉起來(lái)，以保護(hù)測(cè)頭。
特別說(shuō)明的是: 試驗(yàn)采用的鋼筋、鋼管型號(hào)及套管尺寸等是根據(jù)隧道的實(shí)際情況而選用的，不同的隧道可以采用不同的尺寸。
2 改進(jìn)的TMS 的優(yōu)點(diǎn)
從改進(jìn)的TMS 的原理我們可以看出，相對(duì)于其他的多點(diǎn)位移計(jì)，改進(jìn)的TMS 一個(gè)重要的特點(diǎn)是各傳遞桿與巖體是點(diǎn)接觸，而不是通常采用的全孔灌漿接觸。全孔灌漿接觸對(duì)變形的影響非常顯著，特別是在軟弱巖體中。通常采用全長(zhǎng)灌漿時(shí)［3］，對(duì)所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)都要充分考慮砂漿對(duì)圍巖的加固作用，在軟巖中更是不可忽視。但是這種加固作用到底有多大的影響，目前只能依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行判斷。改進(jìn)的TMS 的點(diǎn)接觸，既能夠保證各接觸點(diǎn)的牢固，防止傳遞桿與巖體脫離，又可以最大程度地減小試驗(yàn)儀器本身對(duì)巖體位移結(jié)果的影響。
改進(jìn)的TMS 一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性好，操作簡(jiǎn)單。相對(duì)于其他同類型的位移監(jiān)測(cè)儀器，改進(jìn)的TMS 只需要打一個(gè)鉆孔，就可以測(cè)量不同深度處圍巖的位移情況。在施工條件比較惡劣的隧道環(huán)境中，可以節(jié)省時(shí)間和工作量，容易得到施工單位的配合。
改進(jìn)的TMS 測(cè)試裝置比較簡(jiǎn)單，一般人員稍經(jīng)指導(dǎo)就可以進(jìn)行操作。儀器的保護(hù)也非常容易，外面加一個(gè)小的保護(hù)蓋即可，面積非常小，不容易被破壞。根據(jù)雪峰山隧道現(xiàn)場(chǎng)操作的結(jié)果，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未被破壞過(guò)。而與改進(jìn)TMS 類似的儀器卻多次遭到施工過(guò)程的破壞。
改進(jìn)的TMS 還具有精度高的優(yōu)點(diǎn)。利用電子百分表，所讀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確到1 /100 毫米，即使在變形較小的IV、V 類圍巖中同樣適用［4］。獨(dú)特的外接蓋鉆孔，保證每次測(cè)讀位置都在傳遞桿的同一位置。
3 實(shí)際應(yīng)用
雪峰山隧道位于邵陽(yáng)市、懷化市兩市交界的雪峰山脈，隧道進(jìn)口距洞口縣江口鎮(zhèn)約3km，位于洪江市塘灣鄉(xiāng)蘭家村，出口位于洪江市鐵山鄉(xiāng)小溪村。隧道上行、下行線分離，按兩座獨(dú)立隧道設(shè)計(jì)，凈寬10. 84m， 凈高6. 91m， 為雙洞雙車道隧道，全長(zhǎng)6950m，按隧道分類屬特長(zhǎng)隧道。該隧道為上海—瑞麗高速公路湖南段的控制性工程，隧道的開通縮短公路里程約30km，大大節(jié)約運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。隧道的最大埋深約850m［5］。隧道地質(zhì)條件非常復(fù)雜，采用信息化施工，隧道圍巖的變形監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)工作中的一個(gè)重點(diǎn)。
3. 1 改進(jìn)TMS 各部件尺寸的選擇
( 1) 最長(zhǎng)測(cè)桿的選擇
考慮到隧道開挖以后巖體的位移是有一定的影響范圍的［6］，在一定范圍以外的巖體變形非常小，可以近似的認(rèn)為是不受開挖影響的。雪峰山隧道開挖斷面比較大，其圍巖主要為砂巖和砂質(zhì)板巖，圍巖類別從II 類到V 類。根據(jù)勘察和設(shè)計(jì)單位提供的資料，判斷隧道開挖后的變形影響范圍在4m 以內(nèi)，所以最長(zhǎng)的測(cè)桿選擇為4m。
( 2) 各內(nèi)套鋼管尺寸的選擇
各測(cè)點(diǎn)的變形傳遞桿是相對(duì)獨(dú)立的，選擇的時(shí)候，要保證鉆孔能順利安裝最粗的套管。目前的鉆具都有一定的型號(hào)，鉆孔尺寸也就比較固定。要增強(qiáng)儀器的適用性，就要求試驗(yàn)儀器的尺寸最好能與工程上通常使用的鉆具相對(duì)應(yīng)。雪峰山隧道采用的是56mm 鉆頭， 所以在儀器加工時(shí)， 采用了內(nèi)徑16mm、25mm、36mm 三種型號(hào)的鋼管， 各套管之間都能直接內(nèi)套。
( 3) 測(cè)試套筒的選擇
測(cè)試套筒是百分表讀數(shù)的重要構(gòu)件，也是直接關(guān)系到量測(cè)結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素。測(cè)試套筒的尺寸選擇要求既能完全將位移傳遞桿套好，又要基本與鉆孔尺寸相當(dāng)。在雪峰山隧道位移監(jiān)測(cè)中，采用的是加工好的外徑50mm 的套筒。套筒上的測(cè)孔大小要與電子百分表的大小剛好一致。測(cè)孔可以現(xiàn)場(chǎng)加工，孔的位置剛好是各位移傳遞桿的位置。測(cè)孔不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)造成電子百分表在測(cè)孔內(nèi)偏移，從而影響量測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
3. 2 改進(jìn)的TMS 監(jiān)測(cè)成果
改進(jìn)的TMS 監(jiān)測(cè)效果驗(yàn)證在雪峰山隧道東口YK95 + 942. 5 處選擇了一個(gè)典型的斷面進(jìn)行，該點(diǎn)靠近F8 斷層，屬于F8 斷層的影響區(qū)內(nèi)［5］。該段左右線均實(shí)行臺(tái)階法開挖，其中左洞上臺(tái)階采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖法。
參考勘察資料，這一路段的主要地層為灰綠色硅化砂質(zhì)板巖和褐黃色含砂泥質(zhì)板巖，斷層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎。每天推進(jìn)的速度為左線1. 4m，右線0. 93m。該段地表曾發(fā)生坍塌破壞。在該處，某科研院也同時(shí)布置了測(cè)點(diǎn)，并采用全孔灌漿收斂?jī)x進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。其監(jiān)測(cè)結(jié)果便于對(duì)改進(jìn)的TMS 監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比和分析驗(yàn)證，所以選擇此點(diǎn)具有代表性。
斷 面內(nèi)除F8 斷層破碎帶外，斷面右側(cè)節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面寬2 ～ 3cm， 裂隙較粗糙， 可見擦痕，呈鋸齒狀，裂隙內(nèi)充填物為泥質(zhì)、硅質(zhì)等，節(jié)理出露于裂隙旁側(cè)， 與裂隙斜交， 裂隙產(chǎn)狀47°∠68°。圍巖位移及位移變化速率監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6和圖7，爆破對(duì)圍巖位移的影響見圖8。
該測(cè)點(diǎn)在掌子面開挖后立即安裝監(jiān)測(cè)儀器，及時(shí)測(cè)量。從圖中可以看出:
( 1) 在圖6、圖7 中，洞壁圍巖的位移量、位移變化速率隨時(shí)間變化情況與1m 深度處圍巖的位移及位移變化速率均比較接近， 兩條曲線基本重合。而2m 深度處的位移及位移變化速率與它們相比則有明顯減小，而3m 深度處減小得更加明顯。說(shuō)明圍巖的變形是隨深度的加大而逐漸減小的，由此可知，雪峰山隧道在該段的開挖影響大于3m;
( 2) 圖6、7 中曲線均有一個(gè)突變的地方，這是因?yàn)樵摱问欠峙_(tái)階開挖的，在2004 年9 月6 日時(shí)，下部臺(tái)階開挖放炮的震動(dòng)對(duì)圍巖的位移產(chǎn)生了影響。在該天，圍巖的位移讀數(shù)都發(fā)生了突變，具體見表1 和圖8。
東口右洞YK95 + 942. 5 左壁改進(jìn)的TMS監(jiān)測(cè)的位移數(shù)據(jù)突變情況
從圖8 中可以看出，爆破對(duì)圍巖位移的影響是隨深度的增加而減小的。爆破的影響深度在該處大于3m;
( 3) 從圖6 還可以看出，不同深度的圍巖變形穩(wěn)定的時(shí)間是不同的，深度越大，趨于穩(wěn)定的時(shí)間越短，在2004 年9 月6 號(hào)爆破影響以前，圍巖變形整體上已經(jīng)穩(wěn)定了。不同深度的穩(wěn)定時(shí)間如表2所示;
改進(jìn)的TMS 測(cè)得的不同深度處圍巖變形穩(wěn)定時(shí)間
( 4) 從圖7 還可以看出，掌子面開挖后，從7月23 日到9 月6 日期間的前13d 圍巖的位移變化速率總體上是逐漸增加的，說(shuō)明在該種地質(zhì)條件下，隧道開挖后13d 左右是圍巖調(diào)整期，之后位移變化速率逐漸減小。對(duì)圍巖的支護(hù)應(yīng)該參考該監(jiān)測(cè)的資料;
( 5) 用改進(jìn)的TMS 監(jiān)測(cè)的結(jié)果與某科研院采用的全孔灌漿的收斂?jī)x的監(jiān)測(cè)結(jié)果比較得知，改進(jìn)的TMS 監(jiān)測(cè)的總位移量要遠(yuǎn)大于全孔灌漿的收斂?jī)x監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，分別為12. 587mm 和7. 7mm，說(shuō)明改進(jìn)的TMS 的監(jiān)測(cè)結(jié)果是比較安全的，可用于評(píng)價(jià)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
4 結(jié)語(yǔ)
改進(jìn)的TMS 各傳遞桿與巖體采用點(diǎn)接觸，而不是通常采用的全孔灌漿接觸，解決了全孔灌注對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，特別是在軟巖中，這種影響往往是不可忽略的。同時(shí)該儀器還有操作性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、成本低廉的特性，在雪峰山隧道監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中效果良好， 值得在其他隧道的監(jiān)測(cè)中推廣使用。
參考文獻(xiàn)
［1 ］ 吉鋒，石豫川． 西南某水電站左壩肩邊坡變形破壞特征及其機(jī)制分析［J］． 工程勘察，2011，39 ( 4) : 24 ～ 27．
［2 ］ 李曉紅． 隧道新奧法及其量測(cè)技術(shù)［M］． 北京: 科學(xué)出版社，2002．
［3 ］ 賴天文． 用全站儀進(jìn)行隧道變形監(jiān)測(cè)的兩種方法［J］． 甘肅科技，2001，( 6) : 7 ～ 7．
［4 ］ 唐雪梅，李夕兵等． 順層古滑坡體變形特征及綜合治理［J］． 工程勘察，2010，38 ( 9) : 13 ～ 18．
［5 ］ 湖南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院． 邵懷高速公路湖南雪峰山隧道勘察報(bào)告［R］． 2002．
［6 ］ 徐林生． 公路隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)及應(yīng)用［J］． 公路隧道，2000，( 2) : 1 ～ 6．
