中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
圍巖監(jiān)控量測是實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵，目前鐵道部所發(fā)行的與圍巖監(jiān)控量測有關(guān)的文件有：
《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》
《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》
《鐵路隧道鉆爆法施工工序及作業(yè)指南》
《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范》
因為這些規(guī)范均存在不完善的缺陷，所以實際應(yīng)用中應(yīng)綜合使用。下面按照施工程序分別解讀。
監(jiān)測項目分為必測項目和選測項目，滿足施工需要的是必測項目，包括：
（1）洞內(nèi)、外觀察
洞內(nèi)觀察圍巖吊塊規(guī)模、頻率，節(jié)理、裂隙發(fā)展變化以及噴射混凝土開裂情況，其中特別注意縱向裂縫和斜交裂縫，除了眼觀之外，應(yīng)配合儀器測量，裂縫只有發(fā)展?fàn)顟B(tài)的才是不安全的；
（2）拱頂下沉
拱頂下沉量由兩部分組成：一是拱部支護整體下沉，而是拱部局部變形下沉，要區(qū)分兩種數(shù)據(jù)，須結(jié)合拱腳的量測結(jié)果；
（3）凈空變化
對凈空變化的量測，傳統(tǒng)只測水平位移，這主要受到接觸式量測儀器的限制，不能全面、真實地反映實際圍巖變化，全站儀測量具備測量水平以及豎向位移的條件，結(jié)合拱頂下稱，可區(qū)分局部變形和整體下沉兩種情況；
（4）地表沉降
地表下沉監(jiān)測項目在淺埋地段以及由于隧道施工造成地下水位變化而可能引發(fā)的地面建筑物沉降地段開展，在山嶺，若地面沒有建筑物，則以洞內(nèi)監(jiān)測為主。
《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》之4.2.2及《鐵路隧道鉆爆法施工工序及作業(yè)指南》之10.2.1明確可采用接觸式和非接觸式量測，非接觸式量測儀器為全站儀，由于目前隧道開挖均采取大斷面，所以，接觸式量測受到很大限制，故采用非接觸式。
《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》之4.3.2規(guī)定必測項目監(jiān)控量測斷面間距
表4.3.2 規(guī)定必測項目監(jiān)控量測斷面間距
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圍巖級別 |
斷面間距（m） |
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Ⅴ～Ⅵ |
5～10 |
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Ⅳ |
10～30 |
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Ⅲ |
30～50 |
Ⅱ級圍巖視具體情況確定間距。
實踐證明，對于Ⅳ～Ⅵ級圍巖，其90%以上的變形發(fā)生在1B （B為隧道開挖寬度），對于單線隧道，開挖寬度約為7m，對于雙線隧道開挖寬度約為14m，所以，按照5～10m的間距布置斷面，就有可能在某1B 范圍無測點，所以，實際實施應(yīng)按照隧道進尺來確定，危險地段，每一循環(huán)必須布置測點；一般情況按照進尺的2～3倍布置測點。
《鐵路隧道鉆爆法施工工序及作業(yè)指南》之10.3.4對初測的規(guī)定：
（1）各測點應(yīng)距開挖面2m的范圍內(nèi)盡快完成；
（2）開挖后12h內(nèi)取得初讀數(shù)；
（3）必須在下一循環(huán)開挖前完成。
《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》之4.4.1規(guī)定
必測項目的監(jiān)控量測頻率應(yīng)根據(jù) 測點距開挖面的距離 及 位移速度分別按表4.4.4-1和表4.4.4-2確定。由位移速度決定的監(jiān)控量測頻率和由距開挖面的距離決定的監(jiān)控量測頻率之中，原則上采用較高的頻率值。出現(xiàn)異常情況或不良地質(zhì)時，應(yīng)增大監(jiān)控量測頻率。
表4.4.4-1 按距開挖面距離確定的監(jiān)控量測頻率
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監(jiān)控量測斷面距開挖面的距離（m） |
監(jiān)控量測頻率 |
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（0～1）B |
2次/d |
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（1～2）B |
1次/d |
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（2～5）B |
1～3次/d |
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＞5B |
1次/7d |
表4.4.4-2 按位移速度確定的監(jiān)控量測頻率
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位移速度（mm/d） |
監(jiān)控量測頻率 |
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≥5 |
2次/d |
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1～5 |
1次/d |
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0.5～1 |
1次/2～3d |
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0.2～0.5 |
1次/3d |
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＜0.2 |
1次/7d |
注：B為隧道開挖寬度
空間效應(yīng)理論以及實踐證明，隧道圍巖應(yīng)力釋放絕大部分在3B范圍內(nèi)完成，多次“關(guān)門”塌方證明，1B范圍內(nèi)，由于掌子面的支撐作用，即使支護質(zhì)量很差，也可表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，最危險范圍、也是“關(guān)門”塌方的部位為2～3B，所以，應(yīng)將2～3B作為監(jiān)控量測的重中之重；當(dāng)位移速度≥5mm/d時，尚有三種情況：
①測量誤差；
②馬口開挖或爆破等原因造成的突變；
③圍巖不穩(wěn)定。
上述前兩種情況，表現(xiàn)為位移加速度時+時-，這是安全的，實際操作要點是：當(dāng)發(fā)現(xiàn)位移速度≥5mm/d時，應(yīng)在1～2h測第二組數(shù)據(jù)，并同時觀察圍巖、支護外觀，連續(xù)測3次以上，如果連續(xù)測3次后，表現(xiàn)為加速度≥0mm/d2,則應(yīng)固定測站，按照1次/0.5～2h的頻率連續(xù)監(jiān)測。
《關(guān)于進一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知》鐵建設(shè)【2010】120號之五、監(jiān)控量測規(guī)定：
12、隧道監(jiān)控量測應(yīng)按現(xiàn)行《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》（TB10121-2007）的規(guī)定建立等級管理、信息反饋和報告制度。
13、隧道監(jiān)控量測應(yīng)作為關(guān)鍵工序納入現(xiàn)場施工組織。監(jiān)控量測必須設(shè)置專職人員并經(jīng)培訓(xùn)后上崗。對周邊建筑物可能產(chǎn)生嚴重影響的城市鐵路隧道，應(yīng)實施第三方監(jiān)測。
14、隧道拱頂下沉和凈空變化的量測斷面間距：Ⅳ級圍巖不得大于10m、Ⅴ級圍巖不得大于5m。
15、隧道淺埋、下穿建筑物地段，地表必須設(shè)置監(jiān)測網(wǎng)點并實施監(jiān)測。
16、當(dāng)拱頂下沉、水平收斂速率達5mm/d或位移累計達100mm時，應(yīng)暫停掘進，并及時分析原因，采取處理措施。
17、當(dāng)采用接觸量測時，測點掛鉤應(yīng)做成閉合三角形，保證牢固不變形。
其中“16、當(dāng)拱頂下沉、水平收斂速率達5mm/d”即是根據(jù)表4.4.4-2中所規(guī)定的最大位移速度5mm/d而定。這個規(guī)定容易造成一種理解：只要以5mm/d的標(biāo)準(zhǔn)控制位移速度，就不會出現(xiàn)＞5mm/d速度的情況，實際上目前的量測手段作不到連續(xù)監(jiān)測，就有可能在不知情的情況下位移速度已＞5mm/d；二是支護變形有突變的現(xiàn)象，這也有可能出現(xiàn)＞5mm/d情況；施工措施也不是一蹴而就的，即使從發(fā)現(xiàn)位移速度＜5mm/d時即開始處理，處理過程中位移速度也可能＞5mm/d。所以，以5mm/d作為位移速度的控制極限是欠妥的。
其中“17、當(dāng)采用接觸量測時，測點掛鉤應(yīng)做成閉合三角形，保證牢固不變形。”也不是該文件單獨提出，而是引用《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》之條文說明：
“5. 3. 3拱頂下沉量測同位移變化量測一樣，都是隧道監(jiān)控量測的必測項目，最能直接反映圍巖和初期支護的工作狀態(tài)。目前拱頂下沉量測大多數(shù)采用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼掛尺等。拱頂下沉監(jiān)控量測測點的埋設(shè)，一般在隧道拱頂軸線處設(shè)1個帶鉤的測樁(為了保證量測精度，常常在左右各增加一個測點，即埋設(shè)三個測點)，吊掛銦鋼掛尺，用精密水準(zhǔn)儀量測隧道拱頂絕對下沉量?？捎?phi;6 mm鋼筋彎成三角形鉤，用砂漿固定在圍巖或混凝土表層。測點的大小要適中。過小，測量時不易找到;過大，爆破易被破壞。支護結(jié)構(gòu)施工時要注意保護測點，一旦發(fā)現(xiàn)測點被埋掉，要盡快重新設(shè)置，以保證數(shù)據(jù)不中斷。拱頂下沉量測示意圖如說明圖5. 3. 3 。”
《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》之4.5監(jiān)控量測控制基準(zhǔn)以及《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》之附錄F 隧道初期支護極限相對位移和穩(wěn)定性判別方法 均體現(xiàn)的是以圍巖位移位移據(jù)作為穩(wěn)定性判別的唯一依據(jù)。其中：
F.0.1 隧道穩(wěn)定性可根據(jù)隧道施工實測位移U、隧道極限位移U0進行判別。當(dāng)U≤U0時，隧道穩(wěn)定；當(dāng)U＞U0時，隧道不穩(wěn)定。
F.0.2 單線隧道初期支護極限相對位移，可按表F.0.2確定。
雙線F.0.3 雙線隧道初期支護極限相對位移，可按表F.0.3確定。
以上規(guī)定與《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》之4.5.2-1和4.5.2-2規(guī)定一致。
《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》之
4.5.3 位移控制基準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)測點距開挖面的距離，由初期支護極限相對位移按表4.5.3要求確定。
表4.5.3 位移控制基準(zhǔn)
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類別 |
距開挖面1B （U1B） |
距開挖面2B （U2B） |
距開挖面較遠 |
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允許值 |
65%U0 |
90% U0 |
100% U0 |
4.5.4 根據(jù)位移控制基準(zhǔn)，可按表4.5.4分為三個管理等級。
表4.5.4 位移管理等級
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管理等級 |
距開挖面1B |
距開挖面2B |
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Ⅲ |
U＜U1B/3 |
U＜U2B/3 |
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Ⅱ |
U1B/3≤U≤2U1B/3 |
U2B/3≤U≤2U2B/3 |
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Ⅰ |
U＞2U1B/3 |
U＞2U2B/3 |
注：U為實測位移值。
上述規(guī)定以位移作為控制基準(zhǔn)，這個規(guī)定容易造成這樣的理解：只要按規(guī)定控制位移總值，就可以保證隧道安全，實際上在現(xiàn)場，包括建設(shè)單位的高級領(lǐng)導(dǎo)、監(jiān)理單位等都是這么執(zhí)行的，這是沒有深刻理解“新奧法”原理以及圍巖變形特性的結(jié)果、沒有認真研究規(guī)范的結(jié)果，且看《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》之附錄F 隧道初期支護極限相對位移和穩(wěn)定性判別方法 之F.0.4 隧道穩(wěn)定性還可結(jié)合現(xiàn)場觀測和位移發(fā)展變化規(guī)律,依據(jù)下述項目作出判別：
1隧道開挖工作面狀態(tài)及支護狀態(tài)觀測結(jié)果；
2位移速度；
3位移速度的變化率。
這個規(guī)定是符合客觀規(guī)律的，而《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》關(guān)于位移的控制標(biāo)準(zhǔn)在條文說明：
“4.5.2 中有三車道公路隧道模型試驗表明，當(dāng)隧道埋深在250 m左右時，隧洞周邊允許位移相對值為:對于Ⅲ級圍巖，拱頂為0. 27%，水平為0. 13%;對于Ⅳ級圍巖，拱頂為0. 46%，水平為0. 12%;對于V級圍巖，拱頂為0. 60%，水平為0. 10%。”以及
“4. 5. 3研究表明，在距工作面 1B和2B處的位移值分別占規(guī)定的允許位移量的65%和90%左右，距開挖面較遠時圍巖和初期支護變形基本穩(wěn)定。按表4.5.3所確定的控制基準(zhǔn)使隧道開挖的每個階段都有相應(yīng)的位移控制基準(zhǔn)與之相適應(yīng)。”
可以看出，《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》的位移基準(zhǔn)值是通過實驗室模擬實驗以及理論研究得出的，所謂理論就是《彈性力學(xué)》，其中一個基本假設(shè)是材料的彈塑性，實驗室的材料也是彈塑性的，這與現(xiàn)場有著巨大差別，鐵科院西南院王建宇老院長以及中國礦業(yè)大學(xué)的董芳庭教授通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，圍巖變形主要是碎脹變形，彈性變形只占一小部分，現(xiàn)場時間也證明，變形達100cm也未出現(xiàn)垮塌，所以，按照位移標(biāo)準(zhǔn)作為支護安全的判別標(biāo)準(zhǔn)是十分錯誤的，這就人為制造了一個安全隱患。
實質(zhì)上，表中規(guī)定的位移限值為《規(guī)范》規(guī)定的最大預(yù)留變形量的2/3。
由《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》之附錄F 隧道初期支護極限相對位移和穩(wěn)定性判別方法 之F.0.4和 F.0.7來確定。
F.0.4隧道穩(wěn)定性還可結(jié)合現(xiàn)場觀測和位移發(fā)展變化規(guī)律,依據(jù)下述項目作出判別：
1隧道開挖工作面狀態(tài)及支護狀態(tài)觀測結(jié)果；
2位移速度；
3位移速度的變化率。
F.0.7當(dāng)出現(xiàn)下列失穩(wěn)先兆時應(yīng)加強支護或盡快施作二次襯砌：
1局部石塊坍塌或?qū)訝钆?、噴混凝土層的大量開裂；
2累計位移量已達到極限位移的2/3，且仍未發(fā)現(xiàn)隧道周邊位移速度有明顯減緩的趨勢；
3每日的位移量大于極限位移的10%；
4洞室變形的異常加速，即在無施工干擾時的變形速率加大。
《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范》TB10108-2002之6.3.3規(guī)定“根據(jù)位移變化速度，當(dāng)拱腳水平相對凈空變化速度大于10～20mm/d時，表明圍巖處于急劇變形狀態(tài)”；日本“新奧法”指南規(guī)定位移極限速度為20mm/d；對于雙線鐵路隧道，支護穩(wěn)定判別標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)最大容許變形量確定為：
支護穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)
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圍巖級別 |
極限位移 （mm） |
位移控制基準(zhǔn) （mm） |
速度控制基準(zhǔn) （mm/d） |
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Ⅱ |
30 |
20 |
3 |
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Ⅲ |
60 |
40 |
6 |
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Ⅳ |
100 |
67 |
10 |
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Ⅴ |
150 |
100 |
15 |
隧道圍巖量測管理基準(zhǔn)
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管理等級 |
圍巖變形速率 v（mm/d） |
要求量測頻率 （次/天） |
一般對策 |
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一般管理 |
v≤1 |
1 |
1.正常作業(yè)。 |
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重視管理 |
1＜v≤3 |
2～3 |
1.繼續(xù)掘進，但宜縮短進尺； 2.適當(dāng)進行局部錨固加固； 3.加強圍巖量測及地表和初期支護變形觀測。 |
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重要管理 |
3＜v≤5 |
3～5 |
1.繼續(xù)掘進，但應(yīng)縮短進尺； 2.增加錨桿數(shù)量； 3.加強圍巖量測及地表和初期支護變形觀測。 |
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最重要管理 |
5＜v |
4～12 |
1.停止掘進，噴混凝土封閉所有外露圍巖面； 2.進行錨固加固或安裝格柵； 3.若加固后變形仍較大，則施作臨時仰拱； 4.加強圍巖量測，當(dāng)v＜1mm/d，可恢復(fù)施工。 |
注：
1、穩(wěn)定性判別要綜合位移速度以及加速率綜合確定，當(dāng)實測位移速度達到上述限值時，要考察加速率，如果連續(xù)監(jiān)測3次以上，加速率≥0，則立即采取措施；
2、一般情況下，在位移速度＜20mm/d的情況下，均可有時間采取施工措施控制圍巖、支護變形；
3、當(dāng)移速度≥20mm/d時，應(yīng)將施工人員撤離工作面，在安全的地方設(shè)置測站進行監(jiān)測，當(dāng)連續(xù)監(jiān)測3次以上加速率＜0mm/d2時，可以采取逐步推進加固的安全措施來加強支護；反之，當(dāng)連續(xù)監(jiān)測3次以上加速率≥0mm/d2時，則嚴禁將作業(yè)人員派往工作面。
