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摘要：阐明了公路隧道监控量测的基本内容、方法及其重要性，应用数值模拟结合监控量测数据的方法判断围岩的最终位移量及稳定性，对隧道围岩稳定性分析评价和动态智能化施工具有很好的指导意义。
关键字：公路隧道 监控量测 稳定性
1前言
我国公路隧道工程方兴未艾，尤其在西部和南部地区，在建和拟建隧道工程项目众多。公路隧道为细长型结构物，洞身所经岩体往往变化很大，通过现场监控量测数据及时确定和修正支护设计方案，是新奥法动态施工的基本要求，也是确保隧道施工安全和节约成本的手段。
2隧道监控量测的重要性与必要性
我国目前公路隧道多采用新奥法进行设计与施工，现场监控量测是新奥法施工的重要性和必要性是由隧道新奥法施工的基本原理所决定的。新奥法摒弃传统矿山法中“强抗法”的设计思想，而取而代之以“先让再抗”的思想，即将岩体视为连续介质，在粘、弹、塑性理论指导下，根据在岩体中开挖隧道后从变形产生到岩体破坏有一个时间效应的性质，通过合适的隧道断面形式和开挖方法，尽可能保持原有岩体强度，通过监控量测的方法确定最佳支护方法和支护时间，适时地构筑与围岩紧贴的柔性支护结构来控制围岩的变形，最大限度地发挥围岩的自身承载力，使得隧道围岩起到隧道支护的主要作用。[1]在实际施工中，一般采用锚杆和喷混凝土作为隧道初期性支护，通过围岩监控量测结果来指导支护结构的设计与施工。监控量测、锚杆和喷射混凝土成为新奥法施工的三大支柱。
隧道监控量测的主要作用有：
（1）通过监控量测数据分析结果，掌握施工中围岩和支护的力学动态信息及稳定程度并及时反馈，以指导施工作业，保证施工安全。
（2）通过围岩和支护的位移、应力量测，及时修改支护系统设计。
（3）通过洞周位移量测数据确定二次衬砌施作时间。
3公路隧道监控量测的主要内容
3.1监控量测主要内容[2]
根据现行公路隧道公路隧道施工技术规范，目前监控量测的必测项目包括：洞内外观测、周边位移量测、拱顶下沉量测等，选测项目为：地表下沉量量测、围岩内部变形量测、锚杆轴力量测、围岩压力量测，支护及衬砌应力量测、钢架内力及所承受的荷载量测、围岩弹性波速度测试等。隧道周边位移量测是隧道现场监控量测的必测项目和重要内容，下面重点介绍一下隧道周边位移量测有关内容。
3.2公路隧道位移监测
隧道位移量测一般分周边位移和场位移两类。周边位移为隧道洞周表面的位移，场位移为隧道围岩的内部各点发生的位移。隧道周边位移量测简便易行，且精度较高，能够满足工程需要，因而在工程中普遍采用。场位移的量测一般只有在科学研究及大型重点项目中采用。
目前周边位移一般采用量测精度在0.01mm以上的收敛计进行量测。隧道工程量测的洞周收敛通常为两测点的相对位移值，拱顶下沉值可根据三角形测线布置形式通过几何关系计算出，也可用水准测量的方式直接测得拱顶下沉的绝对位移值。
根据《公路隧道施工技术规范》，周边位移监测根据隧道断面形式、开挖方式等的不同，断面测线布设略有不同。
一般而言，隧道洞周收敛位移值随着时间和掌子面的推进而逐渐增大。根据隧道的开挖形式不同，隧道洞周收敛位移的变化规律略有不同。采用全断面开挖时，一般开挖后监测初期几天位移变化率较大，以后逐渐减小。采用台阶法开挖时，则每个台阶开挖后量测断面的位移变化率都有一个增长过程，然后逐渐变小，最终趋于稳定。在硬岩地层中开挖隧道时，位移变化速率一般会很快趋于零；而在软岩中时，位移往往要持续很长时间才能趋于稳定，通常认为收敛速度小于0.1～0.2mm/d时围岩已基本稳定。因而，根据监测数据的规律，可以初步判断隧道围岩的稳定性与洞周围岩位移的变化规律，为隧道工程的下一步施工提供依据[3][4]。
4公路隧道围岩稳定性评价
根据现场监控量测数据可绘制时态曲线和空间关系曲线，推算最终位移和掌握位移变化规律，判断围岩稳定性，确定二次衬砌施作时间。通过数值模拟可更好的了解隧道开挖对围岩稳定性的影响，本文将采用国际上较为常用的美国Itasca顾问有限公司开发的FLAC3D程序对庙垭隧道开挖工程进行数值模拟，为隧道的安全监测及稳定性评价提供科学依据。
4.1庙垭隧道工程简介[5]
庙垭隧道位于巴东县境内，进口端為分岔隧道，出口端为上下行分离式隧道，左线隧道长2529m，右线隧道长2510m，两线间距控制在40m左右。
隧道区大地构造部位处于新华夏系第三隆起带扬子准地台恩施台褶束单元，主要构造行迹有支井河背斜、中坝倒转向斜和F16、F17、F18断层。隧道围岩大部分为灰岩，岩石坚硬、强度高，水文地质条件中等；除断层破碎带和岩溶发育带围岩稳定性较差外，大部分地段为Ⅳ类围岩，围岩稳定，适宜成洞。
4.2典型断面的选取与数值模型的建立
由于隧道70％以上都为Ⅳ类围岩，取右洞处于Ⅳ类围岩中的YK123+009典型断面量测数据进行计算分析。YK123+009断面围岩岩性为微风化灰岩，断面埋深约130m，采用全断面开挖方式。
沿隧道设计中线向左右各延伸40米，竖直方向上下各延伸40米建立计算模型。模型左右侧水平方向和底部固定，上部根据埋深不同施加相应的面力代替顶部的围岩压力。计算模型网格共划分1420个单元。计算过程采用Mohr—Coulomb弹塑性材料模型。
4.3位移场特征
根据计算结果，隧道开挖后，由于开挖卸荷作用洞周围岩总体上表现为向洞内收敛，最大位移值出现在底板中处为3.28mm，拱顶下沉量和最大水平收敛值稍小，分别为3.12mm和3.14mm。根据现场位移量测情况，本断面在监测时间内,量测最终水平收敛值为3.15mm，拱顶下沉值为3.12mm；监测后期围岩水平收敛值和拱顶下沉量变化速度小于0.1mm/d，认为围岩变形已基本稳定。数值模拟计算值与实际量测值相当，都说明该断面围岩变形已基本结束，围岩处于稳定状态。
4.4应力场特征
隧道开挖后，在位移场变化的同时，洞周围岩应力重新分布，形成了二次应力场。
根据计算结果，洞周围岩主应力方向发生明显偏转，总体表现为最大主应力方向与洞周临空面平行，最小主应力方向与洞周临空面垂直。洞周基本无拉应力区出现，对围岩稳定性较好。
洞周围岩最大主应力变化范围为-1.4KPa～-4.1MPa（拉应力为正，压应力为负），在隧道两底脚处出现最大值为-4.1MPa。最小主应力变化范围为-0.98MPa～-10MPa，最小主应力值在隧道两底脚处出现，为10.7MPa。
4.5塑性区特征
隧道洞周塑性区主要集中在边墙和底板位置，拱顶出现少量塑性区，塑性区深度一般在1m以内。
4.6隧道围岩稳定性分析结果
隧道开挖后，在两底脚出现应力集中现象；塑性区主要集中在边墙和底板处且影响深度较小在1m以内；总体来说，围岩性能较好，在无支护条件下能够达到自稳。
5隧道最终位移量预测
在隧道开挖过程中，若发现量测的累积位移量超过了某一临界值，或者根据已测位移量预测最终位移量将超过这一临界值，而位移速率无明显下降时，说明围岩不稳定，应加强支护，由此可见确定隧道洞周最终位移量对判断隧道围岩的稳定性的重要性。由于洞周围岩的最终位移量受多种因素的影响，该临界值的确定并不是一件容易的事，目前国内外尚无统一的标准。国家公路隧道施工技术规范给定了洞周位移的大致范围如下表1[2]。
表1 隧道周边允许相对位移值（%）
鉴于隧道最终位移量的重要性，有必要对此进行深入研究。作者以庙垭隧道为例，用数值分析的对隧道最终位移量的确定进行分析。隧道开挖数值模拟同样采用FLAC3D程序。
5.1结果分析
根据计算结果，拱顶下沉量、水平收敛值和底面隆起值都随埋深增大而增大；埋深小于200m时，水平收敛值、拱顶下沉量和底板隆起量大小相当，随着埋深底增加，出现水平收敛值大于拱顶下沉值、拱顶下沉值大于底板隆起值底趋势。在埋深100m到475m的范围内，拱顶下沉量与垮径（11.6m）比值的变化范围为0.20％～14.53％；水平收敛值与垮径比值的变化范围为0.21％～1.74％；仰拱隆起与垮径比值的变化范围为0.22％～1.26％。
5.2应用
监测断面YK122+952截至某日量测为各自位移总量为2.86mm和3.43mm，根据其埋深174m带入公式（1.1）和（1.2）计算其最终水平收敛值和拱顶下沉值为4.41mm和4.36mm，说明此时隧道围岩位移值在正常范围内且围岩变形还没有结束，结合量测记录该断面量测数据已趋于稳定，说明该断面围岩较为稳定，无需更改支护设计，可适时进行二次衬砌施工。
6结论
现场监控量测是公路隧道施工初期支护稳定性评判及初期支护设计修改与否的重要依据，也是二次衬砌施作时间确定的主要依据，通过监控量测数据和数值计算分析相互对照分析，及时判断公路隧道围岩的稳定性和围岩的变形状态，预测隧道最终位移量，对实现隧道动态施工管理具有很强的实用性及可行性，对隧道现场智能信息化施工具有重要意义。
参考文献
[1]张栋梁对公路隧道施工监测的几点探讨 现代隧道技术[M]. 2007,2
[2]中华人名共和国交通运输部 公路隧道施工技术规范（JTG F60—2009） 2009.
[3]杨林德等 岩土工程问题的反演理论与工程实践[M] 北京：科学出版社 1995.
[4]李晓红．隧道新奥法及其量测技术[M]．北京：科学出版社，2002
[5]王向刚，公路隧道位移反演及其稳定性分析[硕士论文D].济南：山东大学，2005
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键字：公路隧道 监控量测 稳定性
1前言
我国公路隧道工程方兴未艾，尤其在西部和南部地区，在建和拟建隧道工程项目众多。公路隧道为细长型结构物，洞身所经岩体往往变化很大，通过现场监控量测数据及时确定和修正支护设计方案，是新奥法动态施工的基本要求，也是确保隧道施工安全和节约成本的手段。
2隧道监控量测的重要性与必要性
我国目前公路隧道多采用新奥法进行设计与施工，现场监控量测是新奥法施工的重要性和必要性是由隧道新奥法施工的基本原理所决定的。新奥法摒弃传统矿山法中“强抗法”的设计思想，而取而代之以“先让再抗”的思想，即将岩体视为连续介质，在粘、弹、塑性理论指导下，根据在岩体中开挖隧道后从变形产生到岩体破坏有一个时间效应的性质，通过合适的隧道断面形式和开挖方法，尽可能保持原有岩体强度，通过监控量测的方法确定最佳支护方法和支护时间，适时地构筑与围岩紧贴的柔性支护结构来控制围岩的变形，最大限度地发挥围岩的自身承载力，使得隧道围岩起到隧道支护的主要作用。[1]在实际施工中，一般采用锚杆和喷混凝土作为隧道初期性支护，通过围岩监控量测结果来指导支护结构的设计与施工。监控量测、锚杆和喷射混凝土成为新奥法施工的三大支柱。
隧道监控量测的主要作用有：
（1）通过监控量测数据分析结果，掌握施工中围岩和支护的力学动态信息及稳定程度并及时反馈，以指导施工作业，保证施工安全。
（2）通过围岩和支护的位移、应力量测，及时修改支护系统设计。
（3）通过洞周位移量测数据确定二次衬砌施作时间。
3公路隧道监控量测的主要内容
3.1监控量测主要内容[2]
根据现行公路隧道公路隧道施工技术规范，目前监控量测的必测项目包括：洞内外观测、周边位移量测、拱顶下沉量测等，选测项目为：地表下沉量量测、围岩内部变形量测、锚杆轴力量测、围岩压力量测，支护及衬砌应力量测、钢架内力及所承受的荷载量测、围岩弹性波速度测试等。隧道周边位移量测是隧道现场监控量测的必测项目和重要内容，下面重点介绍一下隧道周边位移量测有关内容。
3.2公路隧道位移监测
隧道位移量测一般分周边位移和场位移两类。周边位移为隧道洞周表面的位移，场位移为隧道围岩的内部各点发生的位移。隧道周边位移量测简便易行，且精度较高，能够满足工程需要，因而在工程中普遍采用。场位移的量测一般只有在科学研究及大型重点项目中采用。
目前周边位移一般采用量测精度在0.01mm以上的收敛计进行量测。隧道工程量测的洞周收敛通常为两测点的相对位移值，拱顶下沉值可根据三角形测线布置形式通过几何关系计算出，也可用水准测量的方式直接测得拱顶下沉的绝对位移值。
根据《公路隧道施工技术规范》，周边位移监测根据隧道断面形式、开挖方式等的不同，断面测线布设略有不同。
一般而言，隧道洞周收敛位移值随着时间和掌子面的推进而逐渐增大。根据隧道的开挖形式不同，隧道洞周收敛位移的变化规律略有不同。采用全断面开挖时，一般开挖后监测初期几天位移变化率较大，以后逐渐减小。采用台阶法开挖时，则每个台阶开挖后量测断面的位移变化率都有一个增长过程，然后逐渐变小，最终趋于稳定。在硬岩地层中开挖隧道时，位移变化速率一般会很快趋于零；而在软岩中时，位移往往要持续很长时间才能趋于稳定，通常认为收敛速度小于0.1～0.2mm/d时围岩已基本稳定。因而，根据监测数据的规律，可以初步判断隧道围岩的稳定性与洞周围岩位移的变化规律，为隧道工程的下一步施工提供依据[3][4]。
4公路隧道围岩稳定性评价
根据现场监控量测数据可绘制时态曲线和空间关系曲线，推算最终位移和掌握位移变化规律，判断围岩稳定性，确定二次衬砌施作时间。通过数值模拟可更好的了解隧道开挖对围岩稳定性的影响，本文将采用国际上较为常用的美国Itasca顾问有限公司开发的FLAC3D程序对庙垭隧道开挖工程进行数值模拟，为隧道的安全监测及稳定性评价提供科学依据。
4.1庙垭隧道工程简介[5]
庙垭隧道位于巴东县境内，进口端為分岔隧道，出口端为上下行分离式隧道，左线隧道长2529m，右线隧道长2510m，两线间距控制在40m左右。
隧道区大地构造部位处于新华夏系第三隆起带扬子准地台恩施台褶束单元，主要构造行迹有支井河背斜、中坝倒转向斜和F16、F17、F18断层。隧道围岩大部分为灰岩，岩石坚硬、强度高，水文地质条件中等；除断层破碎带和岩溶发育带围岩稳定性较差外，大部分地段为Ⅳ类围岩，围岩稳定，适宜成洞。
4.2典型断面的选取与数值模型的建立
由于隧道70％以上都为Ⅳ类围岩，取右洞处于Ⅳ类围岩中的YK123+009典型断面量测数据进行计算分析。YK123+009断面围岩岩性为微风化灰岩，断面埋深约130m，采用全断面开挖方式。
沿隧道设计中线向左右各延伸40米，竖直方向上下各延伸40米建立计算模型。模型左右侧水平方向和底部固定，上部根据埋深不同施加相应的面力代替顶部的围岩压力。计算模型网格共划分1420个单元。计算过程采用Mohr—Coulomb弹塑性材料模型。
4.3位移场特征
根据计算结果，隧道开挖后，由于开挖卸荷作用洞周围岩总体上表现为向洞内收敛，最大位移值出现在底板中处为3.28mm，拱顶下沉量和最大水平收敛值稍小，分别为3.12mm和3.14mm。根据现场位移量测情况，本断面在监测时间内,量测最终水平收敛值为3.15mm，拱顶下沉值为3.12mm；监测后期围岩水平收敛值和拱顶下沉量变化速度小于0.1mm/d，认为围岩变形已基本稳定。数值模拟计算值与实际量测值相当，都说明该断面围岩变形已基本结束，围岩处于稳定状态。
4.4应力场特征
隧道开挖后，在位移场变化的同时，洞周围岩应力重新分布，形成了二次应力场。
根据计算结果，洞周围岩主应力方向发生明显偏转，总体表现为最大主应力方向与洞周临空面平行，最小主应力方向与洞周临空面垂直。洞周基本无拉应力区出现，对围岩稳定性较好。
洞周围岩最大主应力变化范围为-1.4KPa～-4.1MPa（拉应力为正，压应力为负），在隧道两底脚处出现最大值为-4.1MPa。最小主应力变化范围为-0.98MPa～-10MPa，最小主应力值在隧道两底脚处出现，为10.7MPa。
4.5塑性区特征
隧道洞周塑性区主要集中在边墙和底板位置，拱顶出现少量塑性区，塑性区深度一般在1m以内。
4.6隧道围岩稳定性分析结果
隧道开挖后，在两底脚出现应力集中现象；塑性区主要集中在边墙和底板处且影响深度较小在1m以内；总体来说，围岩性能较好，在无支护条件下能够达到自稳。
5隧道最终位移量预测
在隧道开挖过程中，若发现量测的累积位移量超过了某一临界值，或者根据已测位移量预测最终位移量将超过这一临界值，而位移速率无明显下降时，说明围岩不稳定，应加强支护，由此可见确定隧道洞周最终位移量对判断隧道围岩的稳定性的重要性。由于洞周围岩的最终位移量受多种因素的影响，该临界值的确定并不是一件容易的事，目前国内外尚无统一的标准。国家公路隧道施工技术规范给定了洞周位移的大致范围如下表1[2]。
表1 隧道周边允许相对位移值（%）
鉴于隧道最终位移量的重要性，有必要对此进行深入研究。作者以庙垭隧道为例，用数值分析的对隧道最终位移量的确定进行分析。隧道开挖数值模拟同样采用FLAC3D程序。
5.1结果分析
根据计算结果，拱顶下沉量、水平收敛值和底面隆起值都随埋深增大而增大；埋深小于200m时，水平收敛值、拱顶下沉量和底板隆起量大小相当，随着埋深底增加，出现水平收敛值大于拱顶下沉值、拱顶下沉值大于底板隆起值底趋势。在埋深100m到475m的范围内，拱顶下沉量与垮径（11.6m）比值的变化范围为0.20％～14.53％；水平收敛值与垮径比值的变化范围为0.21％～1.74％；仰拱隆起与垮径比值的变化范围为0.22％～1.26％。
5.2应用
监测断面YK122+952截至某日量测为各自位移总量为2.86mm和3.43mm，根据其埋深174m带入公式（1.1）和（1.2）计算其最终水平收敛值和拱顶下沉值为4.41mm和4.36mm，说明此时隧道围岩位移值在正常范围内且围岩变形还没有结束，结合量测记录该断面量测数据已趋于稳定，说明该断面围岩较为稳定，无需更改支护设计，可适时进行二次衬砌施工。
6结论
现场监控量测是公路隧道施工初期支护稳定性评判及初期支护设计修改与否的重要依据，也是二次衬砌施作时间确定的主要依据，通过监控量测数据和数值计算分析相互对照分析，及时判断公路隧道围岩的稳定性和围岩的变形状态，预测隧道最终位移量，对实现隧道动态施工管理具有很强的实用性及可行性，对隧道现场智能信息化施工具有重要意义。
参考文献
[1]张栋梁对公路隧道施工监测的几点探讨 现代隧道技术[M]. 2007,2
[2]中华人名共和国交通运输部 公路隧道施工技术规范（JTG F60—2009） 2009.
[3]杨林德等 岩土工程问题的反演理论与工程实践[M] 北京：科学出版社 1995.
[4]李晓红．隧道新奥法及其量测技术[M]．北京：科学出版社，2002
[5]王向刚，公路隧道位移反演及其稳定性分析[硕士论文D].济南：山东大学，2005
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。