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公路隧道施工变形监测精度要求探讨

作者:夏才初,那通兴,彭国才,陈忠清  发布:2017/6/1  浏览:
单位:同济大学地下建筑与工程系,绍兴文理学院土木工程学院,中交第一公路工程局有限公司

摘 要:隧道周边收敛和拱顶下沉监测是判断围岩支护效果、二次衬砌施作时间、隧道动态信息化设计与施工以及保证隧道施工安全的重要措施。现有JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》对隧道周边收敛和拱顶下沉监测的精度要求为0. 1 mm,明显高于铁路隧道施工和基坑工程变形监测0. 5 ~ 1. 0 mm 的精度要求,且公路隧道的实际监测精度很难达到规范规定的精度要求。总结现有公路隧道、铁路隧道和其他规范的具体监测内容和要求,结合现有隧道施工监测仪器的精度技术指标,参照隧道设计规范规定的预留变形量、隧道施工阶段变形监测统计结果和基坑工程监测规范的精度要求等,建议将公路隧道周边收敛和拱顶下沉监测的精度要求修改为0. 5 ~ 1. 0 mm。0. 5 ~ 1. 0 mm 的监测精度要求可以保证公路隧道的施工安全,促进高精度全站仪等非接触量测方法和仪器在公路隧道施工变形监测中的应用和推广,提高公路隧道施工变形的监测效率,避免因达不到JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》规定的监测精度要求而引发的监测数据造假现象。

0 引言

由于岩土体物理力学性质的多样性、岩土介质与地下结构相互作用的复杂性、人类认识水平的局限性和地下工程的隐蔽性、重要性以及灾害事故的突发性,使得隧道工程在施工和运营期间的稳定和安全都非常依赖于监测工作。作为工程设计和施工不可分割的重要组成部分,隧道施工变形监测技术通过对量测数据的处理和分析来判断隧道围岩和支护结构的稳定和安全状态,同时为隧道工程的信息化设计与施工提供依据[1 - 2]。

我国从20 世纪80 年代引进新奥法,经过30 余年的发展,我国在量测方法、仪器设备、数据分析处理方法和量测成果积累与应用上均取得了巨大的进步。现行关于新奥法设计施工的GB 50086—2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》[3]明确规定监控量测项目应根据地下工程的围岩类别、跨度和工程重要性确定,并给出了监控量测的项目及要求,但未明确指出变形监测的精度要求。JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》和TZ 204—2008《铁路隧道施工规范》明确规定监控量测计划应根据隧道的围岩条件、支护类型和参数、施工方法以及所确定的量测项目进行编制,同时对量测内容、方法和精度要求等做出了明确规定[4 - 5]。

随着地下工程学科研究的不断深入,隧道监控量测技术取得了丰硕的研究成果,与此同时,各行业规范中的监控量测要求也随之得到了修改和完善,并在各自行业的工程建设中发挥着重要作用。然而,现有公路隧道和铁路隧道规范对隧道周边收敛和拱顶下沉的监测精度要求存在较大的差异。本文基于隧道施工期间的变形实测统计数据,结合隧道变形监测的目的和现有监测仪器的精度技术指标,参考基坑工程的变形监测要求,对公路隧道施工变形监测的精度要求进行探讨,以期制定合适的公路隧道施工变形监测精度要求,在保证公路隧道施工安全的同时,又能够提高公路隧道施工变形的监测效率,并促进新方法和新仪器的应用与推广。

1 现有规范对变形监测的精度要求

1. 1 隧道工程规范对隧道施工变形监测的精度要求

现有公路隧道规范和铁路隧道规范都将隧道周边收敛和拱顶下沉纳为必测项目,并对监测仪器和监测精度等做出了明确的规定。但不同的规范对隧道周边收敛和拱顶下沉的具体监测精度和监测仪器要求不同( 见表1) [4 - 7]。

表1 隧道工程规范对隧道周边收敛、拱顶下沉和地表下沉监测仪器及监测精度要求

1. 2 其他规范对隧道施工变形监测的精度要求

GB 50026—2007《工程测量规范》[8]指出: 地下隧道在施工阶段的变形监测应包括衬砌结构收敛变形和隧道拱顶下沉,变形监测的精度应根据工程需要和设计要求确定,重要的隧道结构变形监测可采用三等精度,一般的隧道结构变形监测可采用四等精度( 见表2) 。由表2 可知: 三、四等精度垂直位移变形观测点高程中误差为1. 0 ~ 2. 0 mm,相邻变形观测点高差中误差为0. 5 ~1. 0 mm,因此,隧道施工阶段的拱顶下沉监测精度可要求为0. 5 ~1. 0 mm; 三、四等精度水平位移变形观测点的点位中误差要求为6. 0 ~ 12. 0 mm,但6. 0 ~ 12. 0mm 的精度要求无法保证隧道的安全,且现有常用收敛监测仪器的精度已达到1. 0 mm 甚至更高,因此,隧道收敛变形的监测精度可以要求达到0. 5 ~1. 0 mm。

近年来,城市基坑工程向着“深、大、近、难”的方向快速发展,邻近建筑和管线的变形安全对基坑开挖引起的地层变形控制提出了严格的要求。GB50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》[9]根据基坑的变形累计值和变形速率制定监测精度要求。上海市DG/TJ08—2001—2006《基坑工程施工监测规程》[10]根据基坑等级制定监测精度要求。2 种规范对水平位移和垂直位移的监测精度要求见表3 和表4。

表2 《工程测量规范》变形监测等级划分及精度要求

基坑工程监测规范对变形监测的精度要求取决于周边环境对基坑变形的敏感程度,公路隧道的周边环境要求远低于监测等级为特等和一等的基坑。虽然隧道围岩变形和基坑结构变形监测的内容和方法差距较大,但两者制定的目的都是为了保证结构自身及其周边环境的安全。因此,在公路隧道监测精度要求的制定上可以参考和借鉴基坑工程监测规范,结合表3 和表4 的监测精度要求,可以确定公路隧道在施工阶段的拱顶下沉监测精度要求为0. 3 ~ 0. 5 mm,周边收敛监测精度要求为1. 0 ~ 1. 5 mm。

表3 《建筑基坑工程监测技术规范》的监测精度要求

表4 上海市《基坑工程施工监测规程》的监测精度要求

2 现有隧道施工监测仪器的精度技术指标

各种类型的钢卷尺收敛计是隧道周边收敛监测的主要仪器,钢卷尺收敛计标称精度和分辨率分别达到0. 1 mm 和0. 01 mm,但影响钢卷尺收敛计测量精度的因素很多,其施测精度仅为0. 6 mm[11]。精密水准仪悬挂钢尺法是隧道拱顶下沉监测的主要仪器和方法,精密水准仪配合铟钢尺的每千米往返测量高差标准偏差可以达到0. 3 ~ 0. 5 mm。虽然传统收敛计和精密水准仪悬挂钢尺法的测量精度高,但其操作要求高、测量效率低和测量时施工干扰大,特别是当隧道净空高度大于6 m 时,还存在挂尺困难的问题。

随着全站仪测量技术的快速发展,新型全站仪的测量精度已经达到1 mm + 10 - 6 d ( d 为测量距离,km) ,例如徕卡TS30、徕卡TS15i、徕卡TCA2003、拓普康MS1AVII 和索佳NET05AXII 等。对监测点进行变形监测时,通过选用高精度的全站仪,采取增加测回数、选择合适的监测位置和对监测数据进行平差计算处理等措施,全站仪监测隧道周边收敛和拱顶下沉的精度可以达到± 1 mm[12],能够满足铁路隧道施工变形监测的精度要求。因此,高精度的全站仪被逐步应用于铁路隧道施工阶段的周边收敛和拱顶下沉监测中。

肖国峰等[13]研制了一种基于激光测距原理的固定安装式隧道周边收敛测量装置,其测量精度达到0. 7 mm; 但该装置需要一直固定在隧道壁面,容易因爆破振动和机械碰撞而影响监测精度,甚至被碰坏,且缺少精确调节功能,难以精确对准目标点。因此,其推广使用受到限制。还有一些其他测量隧道周边收敛和拱顶下沉的仪器和方法,例如巴塞特收敛系统、近景摄影测量技术和三维激光扫描技术等,都因监测精度较低、实际操作难度太大或者设备成本过高而未在实际工程中推广应用。

3 隧道施工变形监测精度要求讨论

在1971 年国际测量工作者联合会( FIG) 第13 届会议上,工程测量组提出: 如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许数值而确保建筑物的安全,则其观测的中误差应小于允许变形值的1 /10 ~ 1 /20; 如果观测的目的是为了研究其变形的过程,则其中误差应比允许变形值小得多[1]。

3. 1 按隧道设计规范对预留变形量的要求确定

采用复合衬砌支护的隧道,应预留适当的围岩变形量,国内隧道工程相关设计规范根据围岩级别和隧道断面尺寸给出了预留变形量的参考值( 见表5) 。

表5 国内设计规范对预留变形量的要求

对于Ⅱ级围岩的双线和Ⅲ级围岩的单线铁路隧道,设计的最小预留变形量均为10 mm。取最小预留变形量的1 /10 ~ 1 /20( 即0. 5 ~ 1. 0 mm) 作为公路隧道施工变形监测的精度要求,即可满足国际测量工作者联合会( FIG) 建议的观测中误差应小于允许变形值的1 /10 ~ 1 /20 的要求,这也是TZ 204—2008《铁路隧道工程施工技术指南》和TB 10121—2007《铁路隧道监控量测技术规程》对隧道施工变形监测的精度要求。

对于Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下的2 车道和3 车道公路隧道, JTG D70—2004《公路隧道设计规范》规定的设计最小预留变形量为20 mm。因此,0. 5 ~ 1. 0 mm 的变形监测精度要求可以保证公路隧道围岩和支护结构在施工阶段的稳定和安全。

3. 2 按隧道施工阶段变形统计分析结果确定

岳广学等[16]统计70 余座浅埋暗挖法修建的隧道在施工阶段变形监测的实测数据,结果表明多数隧道的最大拱顶下沉量为10 ~ 50 mm,结果概率大于75%,样本均值为33. 84 mm,方差为25. 16,且隧道拱顶下沉量与地表沉降量的比值为0. 5 ~ 1. 5。

吴秋军等[17]从国内已建成或正在施工的21 条高速铁路隧道和64 条高速公路隧道的2 213 个样本中得到了1 449 个拱顶下沉的有效样本数据,数据表明中等跨度隧道( 8. 5 ~ 12. 0 m) Ⅲ级围岩的相对拱顶下沉大于0. 1% 的保证率大于80%,Ⅳ级围岩的相对拱顶下沉大于0. 1% 的保证率大于85%,Ⅴ级围岩的相对拱顶下沉大于0. 1% 的保证率大于90%。即, 10 m中等跨度隧道在Ⅲ ~Ⅴ级围岩中拱顶下沉大于10 mm的保证率大于80%。

岳广学等和吴秋军等对隧道变形实测数据的统计结果与设计规范中对复合衬砌隧道预留变形量大小的要求吻合。因此,0. 5 ~ 1. 0 mm 的变形监测精度要求可以保证公路隧道围岩和支护结构在施工阶段的稳定和安全。

此外,隧道开挖引起的拱顶下沉量与地表沉降量的比值为0. 5 ~ 1. 5,地表沉降和拱顶下沉的数量级相同。JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》对地表沉降的监测精度要求为0. 5 mm,拱顶下沉的监测精度要求( 0. 1 mm) 远高于地表沉降的监测精度要求。同时,地表沉降的观测条件要优于拱顶下沉的观测条件,其监测精度会高于拱顶下沉的监测精度。因此,0. 1mm 的拱顶下沉监测精度要求可能偏高,公路隧道采用与地表沉降相同的监测精度要求,即0. 5 ~ 1. 0 mm的监测精度要求更合适。

3. 3 参考基坑工程监测规范的精度要求确定

GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》根据基坑的变形累计值和变化速率确定监测精度要求。变形累计值D < 20 mm 的水平位移监测点坐标中误差≤0. 3 mm; 20≤D < 40 mm 的水平位移监测点坐标中误差≤1. 0 mm。

上海市DG/TJ08—2001—2006《基坑工程施工监测规程》根据基坑等级确定监测精度要求。对一等监测等级基坑的水平位移监测点坐标中误差要求为1. 0 mm,垂直位移监测点测站高差中误差为0. 15 mm; 对二等监测等级基坑的水平位移监测点坐标测量中误差要求为3. 0 mm,垂直位移监测点测站高差中误差为0. 5 mm。

城市基坑工程的周边环境对地层变形的要求比普通的公路隧道更为严格,因此,参考上述2 项规范,0. 5 ~ 1. 0 mm 可以满足公路隧道施工阶段的变形监测精度要求。同时,0. 5 ~ 1. 0 mm 也满足GB 50026—2007《工程测量规范》中有关隧道结构变形监测的精度要求,即重要隧道结构的变形监测可采用三等精度,一般的结构变形监测可采用四等精度。

4 结论与建议

根据现有公路隧道、铁路隧道和其他规范的具体监测内容和精度要求,结合现有监测仪器的精度技术指标,探讨公路隧道施工变形监测精度要求,建议将公路隧道施工阶段的周边收敛和拱顶下沉监测精度要求由0. 1 mm 修改为0. 5 ~ 1. 0 mm。0. 5 ~ 1. 0 mm 的监测精度要求对公路隧道施工阶段的变形具有足够的分辨能力,可以保证公路隧道的施工安全,促进高精度全站仪、激光收敛测量装置等非接触量测方法和仪器在公路隧道施工变形监测中的应用和推广,提高公路隧道施工变形的监测效率,也可避免因实际测量精度达不到规范规定的精度要求而引发的监测数据造假现象。

公路隧道的监测精度要求宜结合工程实际情况具体制定。在通常条件下,Ⅰ、Ⅱ级硬岩中的2 车道、3车道隧道可取较小值0. 5 mm,Ⅲ、Ⅳ级围岩中的2 车道、3 车道隧道可取较大值1. 0 mm,大变形软岩隧道施工变形监测的精度可以在1. 0 mm 的精度要求下适当放宽。对于周边环境特别复杂、变形控制要求特别严格的公路隧道,隧道周边收敛和拱顶下沉的监测精度要求可以专门规定,例如仍为0. 1 mm。

摘自:隧道建设

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