第4章 黄土隧道施工性态现场监测与数据分析为了掌握湿陷性黄土隧道在施工过程中围岩变形与支护结构的受力特征，保证凤市区间黄土隧道施工安全并指导现场施工，以及根据设计施工和相关规范要求737475，选择若干典型隧道断面埋设元件进行了现场监测。监测的项目有：地表沉降、隧道顶拱下沉、水平收敛、钢支撑内力、围岩压力。4.1 监测方案4.1.1 监测断面隧道监测项目的选择，应以工程条件确定之后所进行的工程性态预测为基础，同时还应根据监测目的的不同选择监测的项目。凤市区间隧道由于中南部和南部靠市图书馆站段的隧道内设计有存车线和渡线道岔区，所以断面结构型式除有单线隧道外，还有小间距隧道和双线隧道，共有单拱、双连拱、小间距隧道3种类型和7种断面型式，具体位置见图2-1，为此在施工监测中主要选择的监测断面见表4-1。表4-1凤市区间隧道量测断面布置监测类型测试项目名称仪器断面里程断面类型位移监测地表沉降水准仪DK6+160 DK6+380DK6+600DK6+660单线A型 + 单线B型单线A 型 + 单线B型单线A 型 + 双线B型单线A型 + 双线A型拱顶沉降水准仪水平收敛收敛计内力量测钢支撑钢弦式传感器YDK5+740YDK6+660DK6+750单线A 型 + 单线C型单线A型 + 双线A型双连拱围岩压力压力盒4.1.2 监测方法（1）地表沉降监测地表沉降监测采用水准仪在选取断面地表处进行监测，通过高程差得出地表在施工过程中的沉降量。在每个测试断面上布置7个测点，两测点间的间距约为10m，具体如图4-1所示。图4-1 地表沉降测点布置示意图（2）隧道洞室收敛监测图4-2 监测项目布点图拱顶沉降监测采用水准仪在选取断面处进行量测，周边收敛采用收敛计在选取断面处进行量测，通过高程差得出拱顶在施工过程中的沉降量，通过高程差得出拱顶在施工过程中的收敛值，测点布置具体如图4-2所示。（3）围岩压力监测围岩压力监测是在围岩与初期支护结构之间埋设钢弦式压力盒以量它们之间的接触压力。在开挖到测试断面时，预先将压力盒焊接到衬砌的几个测量位置上，随后喷射混凝土将压力盒稳固的固定在初期支护上，注意要将压力盒顶面平整、紧密的和围岩接触，随后在隧道施工过程中通过不断的对压力盒进行量测得到围岩压力数据，掌握衬砌的变形规律。 监测数据用钢弦式传感器进行采集，该量测元件工作原理是由钢弦的应力变化转变为钢弦震动频率的变化，通过频率仪来测定钢弦震动频率，从而测出钢弦应力的变化。钢弦应力与钢弦震动频率之间有如下关系7677： （4-1）式中：钢弦振动频率 钢弦长度 钢弦所受的张拉应力 钢弦的密度以压力盒为例，当压力盒做成后，钢弦长度、密度已知，钢弦频率只取决于钢弦上的张拉应力，而钢弦上产生的张拉应力又取决于外来应力，从而使钢弦频率与薄膜所受应力的关系如下7677： （4-2）式中：压力盒受压后钢弦的频率 压力盒未受压时钢弦的频率 标定系数，与传感器构造有关，各传感器各不相同； 压力盒底部薄膜所受的压力图4-3量测测点编号示意图钢弦式传感器构造简单，测试结果比较稳定，受外界温度影响小，易于防潮，便于远距离多点同时长期观测，在隧道及地下工程现场测试和监测中得到广泛应用。钢筋内力测试由钢筋应变计进行，测点具体布置示意图见图4-3。在格栅拱架上下缘分别焊接上钢筋计，这样在安装后就能直接测出格栅拱架的应力，分析格栅拱架的受力，掌握拱架的变形。4.1.3 监控项目控制标准为了将监控数据及时整理、分析，进而准确的反应现场施工的实际情况，更加有效地指导地铁隧道现场设计和施工，对特殊地质及结构情况采取适当的施工控制措施，根据对典型断面的量测内容，量测技术规范和相关工程案例，制定了拱顶下沉、地表沉降钢支撑内力等项目的监控标准78798081，见表4-2。表4-2 监控项目控制标准检测项目/地段单线A、B、D隧道及双连拱小隧道衬砌断面单线C、双线A、B隧道及双连拱大隧道衬砌断面拱顶下沉（mm）5070地表沉降（mm）3050水平收敛位移（mm）2030钢支撑内应力（MPa）按规范的规定设计值来控制围岩与喷层间接触压力（KPa）根据施工后实际地质情况确定安全值4.2 位移监测结果分析图4-4至图4-14为隧道DK6+380断面施工过程中位移及速率（包括地表沉降、拱顶沉降、水平收敛）变化时程曲线，图4-15至图4-25给出了DK6+600断面位移及速率变化时程曲线，图4-26至图4-36为DK6+660断面位移及速率变化时程曲线，图4-37至图4-43给出了DK6+750断面位移及速率变化时程曲线图，以下为各断面位移监测结果分析。4.2.1 DK6+380断面（1）地表沉降分析图4-4 地表累积沉降变化时程曲线图4-5 地表沉降速率变化时程曲线DK6+380断面测试得到的各特征点沉降值随时间变化的时程曲线如图4-4所示，地表沉降速率变化时程曲线如图4-5所示，地表沉降横向分布曲线如图4-6所示。 图4-6 地表沉降横向分布曲线根据以上测试结果分析可知：1）DK6+380断面存在左右线两个隧道，都采用台阶预留核心土方法施工，监测数据随时间有明显的台阶状变化，处于两侧的1号点和7号点数据曲线有两个明显的台阶状变化，变化时间与各自靠近的隧道开挖进程时间相吻合（上下台阶开挖时沉降大）。2）2、3、5、6号四个点的监测数据存在四个明显的台阶状变化，其中两个变化剧烈，两个稍有变化，且变化剧烈时对应着正下方隧道上下台阶的开挖，稍有变化时对应着另一个隧道的上下台阶的开挖。3）各监测点的沉降随时间不断变大，累计沉降最大的点为左线隧道拱顶处（3号点），沉降值达到-29.39mm，累计沉降最小的点为1号点（测点最左端），沉降值为-12.88mm。4）各监测点的沉降速率随时间变化规律大致为，先变大，在随着开挖进程波动，最后变小，最大速率值为-3.84mm/d 位于左线隧道拱顶处（3号点），此时左线隧道上台阶开挖到DK6+380断面；5）地表沉降横向分布为隧道正上方（3号点和5号点）沉降相对较大，左右线隧道中间（4号监测点）沉降略小，从隧道正上方（3号点和5号点）向外沉降依次变小，整体来看地表沉降横向分布呈倒双峰驼状，但7号点一侧的右线隧道上方监测点的沉降大于左线隧道上方监测点的沉降，其原因可能是右线隧道属后开挖隧道，其上方地层土体受到两次开挖的扰动影响大于先开挖的左线隧道上方土体79。（2）拱顶沉降分析图4-7 YDK6+380拱顶下沉累积变化时程曲线图4-8 YDK6+380拱顶下沉速率变化时程曲线图4-9 ZDK6+380拱顶下沉累积变化时程曲线图4-10 ZDK6+380拱顶下沉速率变化时程曲线YDK6+380断面测试得到的拱顶下沉累积沉降变化的时程曲线如图4-7所示，拱顶下沉沉降速率变化的时程曲线如图4-8所示，ZDK6+380断面拱顶下沉累积沉降变化的时程曲线如图4-9所示，拱顶下沉沉降速率变化的时程曲线如图4-10所示。根据以上测试结果分析可知：1） 左、右线隧道拱顶沉降随时间不断增大，沉降稳定后，左线隧道拱顶沉降值为-19.94mm，右线隧道拱顶沉降值为-16.37mm，右线隧道拱顶沉降小于左线隧道拱顶沉降，监测表明右线隧道施工支护要好于左线隧道。2）隧道采用台阶预留核心土方法施工，左、右线隧道拱顶沉降曲线都存在两个明显的台阶，分别对应各自隧道的上下台阶开挖。3）左、右线隧道拱顶沉降变化速率在各自隧道上、下台阶开挖时明显变大，之后总体呈不断变小的趋势，左线隧道拱顶沉降速率最大为-6.17mm/d，右线隧道拱顶沉降速率最大为-4.11mm/d。（3）周边收敛值分析图4-11 YDK6+380收敛变化时程曲线图4-12 YDK6+380收敛速率变化时程曲线图4-13 ZDK6+380收敛变化时程曲线图4-14 ZDK6+380收敛速率变化时程曲线YDK6+380断面测试得到的各特征点收敛变化时程曲线如图4-11所示，收敛速率变化时程曲线如图4-12所示，ZDK6+380断面测试得到的各特征点收敛变化时程曲线如图4-13所示，收敛速率变化时程曲线如图4-14所示。根据以上测试结果分析可知：1）左、右线隧道收敛变化量随时间呈不断增大趋势，左线隧道收敛累积变化量为-6.95mm，右线隧道收敛累积变化量为-5.36mm。2） 左、右线隧道收敛变化速率随时间呈不断变小趋势，说明左、右线隧道总体上不断向内收敛，右线隧道断面开挖当天收敛变化速率为-1.08mm/d，左线隧道断面开挖当天收敛变化速率为1.24mm/d，说明右线隧道下台阶开挖时收敛监测点向内收敛，左线隧道下台阶开挖时收敛监测点向外扩张。4.2.2 DK6+600断面（1）地表沉降分析图4-15地表累积沉降变化时程曲线图4-16地表沉降速率变化时程曲线DK6+600断面测试得到的各特征点沉降值随时间变化的时程曲线如图4-15所示，地表沉降速率变化时程曲线如图4-16所示，地表沉降横向分布曲线如图4-17所示。图4-17地表沉降横向分布曲线根据以上测试结果分析可知：1）随着施工的进行，地表累积沉降量逐渐增大，断面开挖前后一周内由于施对地表扰度较大，地表沉降速率变化较大，断面开挖一周后，地表沉降速率逐渐减小，地表沉降趋于稳定。2）地表沉降随时间的增加不断变大，DK6+600断面四个监测点最终沉降值最大的点为右线隧道拱顶（5号点），沉降值达到-30.2mm。3）隧道开挖断面到达YDK6+600（11月5日），右线隧道拱顶处（5号点）沉降速率最大，为-3.9mm/d；地表最终沉降横向分布，隧道断面中心（5号点）的沉降值最大，隧道断面中心左侧测点（4号点）次之，最小为隧道断面右端测点（7号点），其规律表明隧道上方地表4号点一侧的沉降大于6号点一侧，最大沉降大致处于隧道断面中心（5号点）的位置。（2）拱顶沉降分析YDK6+600断面测试得到的拱顶下沉累积沉降变化的时程曲线如图4-18所示，拱顶下沉沉降速率变化的时程曲线如图4-19所示，ZDK6+600断面拱顶下沉累积沉降变化的时程曲线如图4-20所示，拱顶下沉沉降速率变化的时程曲线如图4-21所示。图4-20 ZDK6+600拱顶下沉累积变化时程曲线图4-21 ZDK6+600拱顶下沉速率变化时程曲线图4-18 DK6+600拱顶下沉累积变化时程曲线图4-19 DK6+600拱顶下沉速率变化时程曲线根据以上结果分析可知：1） 右、左洞隧道拱顶累积沉降总体上随时间呈不断增大的趋势，稳定后，右洞隧道拱顶累积沉降值为-23.7mm，左洞隧道拱顶累积沉降值为-17.4mm；左右两洞拱顶累积沉降值较小，这是由于此断面采用CRD施工工法，支护较强。2） 左右洞隧道拱顶沉降速率在沉降稳定前随时间不断减小，右洞隧道拱顶沉降速率有一个起伏，这是由于右洞在拆除中隔墙较左洞早，对隧道周边土体扰动相对较大。（3）周边收敛值分析图4-22 YDK6+600收敛变化时程曲线图4-23 YDK6+600收敛速率变化时程曲线YDK6+600断面测试得到的收敛变化时程曲线如图4-22所示，收敛速率变化时程曲线如图4-23