铁路隧道地表沉降监测及数据分析
2015-06-15
0引言
隧道监控量测贯穿于整个隧道施工过程中，是一项非常重要的工作。监测的目的主要包括：保证施工安全；预测施工引起的地表变形；验证支护结构设计，指导施工；总结工程经验，提高设计、施工技术水平。
隧道地表沉降是隧道工程应进行的日常监控量测的必测项目。本文以新歌乐山隧道地表沉降为例，阐述了监测项目现场操作具体过程、数据获取及处理方法。
1新歌乐山隧道工程概况
新歌乐山隧道属新建兰渝铁路引入重庆枢纽工程，位于既有渝怀线歌乐山隧道左侧约25～50m，设计时速120km/h。隧道进口里程K1106+280，出口里程K1108+547，全长2267m。隧道进出口为浅埋段，洞顶覆盖层仅4～8m，出口洞顶及周边有大量民房，且下穿公路，出口段约300m采用非爆破法开挖。不良地质有岩溶、煤窑采空区、富水软弱围岩，特殊岩土为盐溶角砾岩及石膏。施工难度极大，安全风险高，为极高风险隧道。
2. 地表沉降
隧道洞口浅埋层覆盖薄，堆积松散、自身稳定性差。在施工过程中易受自重、雨水和施工爆破的影响，极易发生坍塌，沉降等大变形事故，威胁隧道的整体稳定。隧道开挖后，洞口浅埋段地层中的应力扰动区延伸至地表，围岩力学形态的变化在很大程度上反映于地表沉降，且地表沉降可以反映隧道开挖过程中围岩变形的全过程。因此，必须对地表沉降情况进行严格的监测和控制，保证施工安全。
3. 监控量测方案设计
监控量测贯穿在整个施工过程中，必须在隧道施工做好方案设计，在施工开始后根据现场情况做出细微调整。新歌乐山隧道的设计是由中铁第二设计院完成，严格按照工程测量规范（GB/5026-2007）、铁路隧道工程施工技术指南（TZ204-2008）和铁路隧道监控量测技术规程（TB10121-2007） 等国家标准前提下制定了详细方案。
3.1测点布设
理论上地表下沉受支护影响在隧道中线上沉降最厉害，往两旁沉降量递减，因此沉降曲线曲率在中间最大，两旁远离隧道中线逐渐递减。若考虑不同的沉降曲线模型，两旁的测点间距也应该是中间密两旁稀疏。但考虑新歌乐山隧道工程围岩好，隧道工艺不难等情况中线两旁的监测点都等间距布设。
针对浅埋段较短和围岩情况比较好的前提下，在进口端里程桩号K1106+285m，出口端里程桩号K1108+540m布设两个监测断面，每个监测断面上布设一个水准基点和11个监测点。面向里程增大的方向，从左往右编号1至11，其中6号点位于隧道中线上。监测断面高度距离隧道地表面高度约15m、拱高5m，按45°影响范围规定，监测断面长40m，每个监测点间距为4m。基点在远离隧道沉降影响范围外，基点与监测点埋设钢筋水泥桩。
3.2仪器选择检校
地表沉降变化细微，观测精度要求高，其量测精度一般为±1mm。因此，采用二等水准精度要求。仪器选用南方DL-201电子水准仪，水准仪根据国家规范进行年检，合格后方可用于生产。在作业期间应进行最重要的水准管轴平行于视准轴检验，即i角检验。
用富斯特乃尔法对该电子水准仪进行i角检验校，如图4所示。第一次测得高差为h1=0.02312m，第二次测得高差为h2=0.02270m，得到i=12″。根据《国家一二等水准测量规范》（GB/T 12897-2006）规定，用于二等水准测量的i角指标限差不得大于15.0″，超过20″测量成果作废的规定。该电子水准仪满足精度要求。
3.3监测周期
监测周期主要取决于开挖面距监测断面的距离与沉降速度的大小。新歌乐山隧道总共布设两条地表下沉监测断面，出口端地表下沉（K1108+540）监测断面于2010年4月25日开始监测至2010年5月9日结束，监测频率1次/天；进口端地表下沉（K1106+285）监测断面于2010年4月26日开始监测，至2010年5月9日结束；监测频率1次/天。
3.4施测方法
通过基点与监测点进行水准联测，得到测量时刻监测点相对于基点的高差，通过两相检测周期高差对比即可以得到沉降变化。
以监测点n点为例，第一次观测周期测点n与基点的高差hn1，第二次观测周期测点n与基点的高程差为hn2。两次高差相减，得测点n在第一、二观测期间地表沉降△hn12=hn1-hn2 。第三观测周期测点n相对于基点的高差hn3，与第二观测周期相减，得到测点n第二、三周期的地表沉降量△hn23=hn2-hn3。以同样的方法可以得到所有监测点在不同观测周期的地表沉降量，相邻周期沉降量对比即可得到地表沉降变化趋势，通过分析判断做出相应预警或建议修改施工方案。
4. 新歌乐山隧道地面沉降数据分析
该隧道施工技术成熟，都为Ⅴ级围岩，状况理想，监测结果主要采取Excel图表法进行分析预测。具体数据处理过程：野外原始数据录入相应表格；用编辑好的公式自动计算各图表需求数据（变化速度、累计量等）；选择数据按照不同方式自动生成图表（变化速度图、累计量图等）。
4.1地表下沉监测处理结果
地表沉降监测是为得到每个点累计沉降量，每个点每日沉降速度，根据变化趋势预测之后的变化情况。期间沉降量都在允许正常变化范围内，对安全施工没影响。所有数据负值表示沉降，正值表示反弹，受数据量大与保密规定，仅举例说明出口端K1108+540断面1号点情况，全断面各点数据对比图表。
4.2监控量测结果总结分析
根据监测各断面的地表沉降，得到各断面累计观测值和变形速率都较小，在位移Ⅲ级管理标准内，隧道轮廓结构稳定安全，可以预测各监测断面将逐步趋于稳定。
（1）两条断面隧道中线6号点沉降量并不是最大，也没呈现出从中间往两旁递减的趋势。出现这种情况原因可能是隧道浅埋段比较短，监测断面地表覆盖层厚且围岩稳定，出现整体沉降现象。
（2）监测期间沉降速度并没呈现如常规隧道地表沉降监测规律，前期较小，而后慢慢增大，开挖面通过地表下沉监测断面后沉降速率再慢慢减小的现象。现实情况是监测第一天最大，而后基本平稳，后期有沉降反弹，趋于停止情况出现。出现这种情况原因可能是地表沉降工作并没有按设计在隧道施工开始前就进行，监测开始时开挖面已经接近监测断面里程，加上围岩情况良好、覆盖层厚导致沉降速度未出现增大，而是慢慢减小状况。
（3）通观监测数据得出：地表沉降监测数据形式正常；按照数据生成图表显示地表沉降正趋于稳定，当前施工方法继续施工安全可行；生成图表显示两条监测断面地表沉降正趋于停止，两条监测断面监测点沉降速率在2010年5月9日均在0.2～0.5mm/天内，按照相关规范，满足净空位移和拱顶下沉的测量频率（按位移速度）要求，可以将监测周期改为1次/3天。
5.结论
近年大量隧道工程在建或拟建，做好监控量测，积累经验为今后同类型隧道设计施工提供类比依据。新歌乐山隧道监控量测中总结出以下经验。
（1）监控量测现场操作在遵循施工设计的基础上尽量多结合现场具体情况，选择合理的监测方案；监测过程中应尽量与施工单位沟通协调，了解他们作业安排，特别是爆破安排，调整具体监测时间，提高工作效率。
（2）地表沉降监测时，在固定位置架设水准仪，前后视距差L固定不变。电子水准仪i角不变，即i角误差不变，相邻周期间高差相减则消除，可以很好的解决前后视距差超限的问题。
（3）同一项监测工作尽量在固定时间监测，避免前后两周期温差过大，温度改正常数对监测结果的影响。
（4）监控量测是隧道安全施工特别有效地保障性工作，一定做到及时、准确、真实客观，根据得到的数据调整监测周期、方案。每次监测结束后应及时进行数据处理分析，绘制各种时态曲线，找出变化规律，预测隧道变形情况。
