来源：中南院老邱说监测
作者：邱山鸣（授权发布）
这是2014年水能资源利用关键技术湖南省重点实验室承担的一个横向科技项目，老邱是项目负责人，对于做过水电工程特别是大型水电工程监测的技术人员来讲，隧道锚洞没什么难度，因为它的规模比起地下厂房工程小得多。
但对于老邱来讲是个全新的工程领域，且有其特点，规模小但项目全，还上了地质雷达、爆破振动监测等手段，近年老邱也总结项目实施过程经验，申报了2项专利，其中《一种测斜孔渗压计装置及安装方法》2017年授权发明专利（之前实用新型自动避重放弃），另外一项《 用于监测裂缝三向变形的组件及监测方法》发明专利已实审中。
现场工作照片
编前语
作者
水能资源利用关键技术湖南省重点实验室 赫晓光
中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 邱山鸣
成都理工大学 欧志军
本文对某长江大桥隧道锚工程监控量测与超前地质预报设计方案和实施过程进行了详细介绍，该工程项目进行了内部和外部变形监测、支护结构应力和渗压监测等监控量测项目。
同时进行了探地雷达以及爆破振动和围岩松弛圈物探检测等技术手段综合进行超前地质预报，实施结果表明，监控量测和超前地质预报方案设计合理，真正起到了监控施工、指导施工和超前预报的作用，可供同类工程参考。
关键词：隧道锚工程 监控量测
一、工程概述
某长江大桥主桥为跨度1050m的单跨简支钢箱梁悬索桥，在两岸各设置480m左右引桥，全长2010m。
桥位区属构造剥蚀河流侵蚀地貌，第四系土层厚度不均，斜坡零星基岩出露，岸坡多基岩出露，中风化岩体较完整，裂隙不发育，地质构造简单，附近无断层通过，地震活动微弱，地下水贫乏，岸坡整体稳定性良好，不良地质现象总体较不发育。图1-1为某长江大桥立面图。图左为北岸，图右为南岸。
图1-1 某长江大桥立面图
为有效保护自然环境、避免大规模开挖、节约投资，锚碇型式为北岸重力式锚、南岸隧道锚。南岸隧道锚锚塞体嵌入中风化岩层内，前锚室及支墩位于地面以上。
隧洞开挖深度约63.8m（左洞）/53.8m（右洞），其中前锚室长度25m（左洞）/15m（右洞），锚塞体长度35m，后锚室长度3.8m。
隧道锚锚塞体前端外轮廓尺寸为12m×13m，后端外轮廓尺寸为18m×20m，采用圆端型实心断面，前锚室前端外轮廓尺寸为9m×8.5m，后端与锚塞体对齐。南岸锚碇立体示意图见图1.2所示。
图1-2 南岸锚碇立体示意图
南岸隧道锚锚塞体嵌入中风化岩层内，中风化泥岩的单轴饱和抗压强度最大值10.5MPa，最小值4.4MPa，平均值7.1MPa，属于软岩；中风化砂岩的单轴饱和抗压强度最大值31.5MPa，最小值18.2MPa，平均值26.4MPa，属于较软岩。
隧道锚围岩强度较低，岩体质量较差，隧道锚开挖施工安全性、围岩的承载能力及长期稳定性是工程建设关注的主要问题。
二、监测目的
某长江大桥南岸隧道锚围岩地质条件较差，且洞室开挖断面较大（最大达20mx 22m），斜洞坡度大（40°），洞室间距小（最小8m）。
虽然工程设计阶段开展了大量勘察、试验和分析论证，但是由于围岩地质条件的复杂性、岩体性态的不确定性、以及施工因素的影响，给洞室施工安全造成很大困难。
为此，在施工期开展系统的安全监测和地质预报，对于指导安全施工、及时优化设计具有重要意义。其目的是：
（1）通过围岩稳定监控量测，了解各施工阶段围岩变形与支护结构荷载的动态变化，判断围岩的稳定性和支护结构的可靠性；为工程安全提供保障措施，为工程决策提供依据；
（2）满足信息化施工的需要，指导安全施工，为评价围岩处理措施与隧道锚施工质量提供依据；
（3）通过监控量测反馈分析，弥补理论分析过程中存在的不足，进一步优化设计，指导施工；同时，为同类型锚碇隧道的设计、施工和安全监测积累资料。
（4）采用地质超前预报，及时预测前方地质体结构与缺陷，结合施工监控量测信息分析，提出合理的施工方案，保障施工安全和工程质量，加快施工进度。
三、监控量测方案
3.1 设计原则
监控量测设计根据隧道锚围岩地质条件、洞室规模结构特征、围岩变形破坏类型与稳定性、工程措施、以及工程位置的重要性等因素综合考虑，各监测部位安全监测设计具体原则如下：
（1）隧道锚施工期安全监测以围岩稳定性和支护结构的工作状态监测为重点；
（2）监测系统应能全面监控到工程各部位的工作性状，统一考虑各种因素所引起的相互作用；
（3）合理布置观测仪器，控制关键部位；对于关键部位应同时埋设两类或两类以上观测仪器，可通过成果的相互印证来提高成果的可靠性；
（4）尽量采取预埋监测的方式，在不具备预埋条件时，应紧跟掌子面及时埋设；
（5）采取仪器监测为主，人工巡视调查与仪器监测相结合，以弥补仪器覆盖面的不足。
3.2 监测项目与内容
监测项目主要结合围岩地质条件、支护结构设计、洞室规模结构、施工方法等方面选定。根据某长江大桥南岸隧道锚工程的实际情况，参考国内外同类工程的成功经验，拟定监测项目与内容如下：
（1）地表与洞周围岩表面位移监测，包括地表水平、垂直位移监测，洞周收敛位移监测，必要时进行裂缝变形监测。
（2）围岩内部变形监测，包括围岩多点位移监测，洞顶围岩水平位移监测。
（3）支护结构受力状态监测，包括锚杆应力监测，支护结构压力监测，钢拱架内力监测。
（4）渗流监测，包括渗透压力（孔隙水压力）监测，地下水位监测。
（5）围岩松动范围监测，包括岩体波速的变化监测。
（6）爆破振动影响监测，包括质点震动速度（或加速度）监测、动应变监测。
（7）人工巡视，包括各种迹象的观察、记录、成像等。
3.3 监测方法
（1）地表与洞周围岩表面位移监测
地表水平位移监测使用标称精度测角精度±0.5″、测边为±1.0mm±1ppm全站仪观测，根据基点和监测点布置情况采用两点、三点边角交会施测。地表垂直位移监测采用几何水准测量方法，按照《国家一二等水准测量规范》二等水准有关技术要求施测。
洞周围岩表面位移监测主要采用收敛计进行量测，或全站仪监测。
（2）围岩内部变形监测
围岩内部变形监测，主要采取两种方式，一是从洞内钻孔安装多点位移计监测不同深度的围岩变形；二是从地表打孔安装测斜管，采用钻孔测斜仪监测洞顶不同深度的岩体的水平位移。
（3）支护结构受力状态监测
锚杆受力状态，采用单点或多点式锚杆应力计监测（本工程采用单点式）。钢拱架受力采用表面应变计监测。衬砌或喷射混凝土压力，采用土压力盒或混凝土压力盒监测。
（4）渗流监测
隧道锚围岩渗流监测，主要采用埋设渗压计监测和地下水位长观孔监测。考虑到南岸隧道锚区域地下水贫乏，可利用测斜孔埋设渗压计监测降雨入渗情况。
（5）围岩松动范围监测
围岩松动范围监测，采用钻孔声波测试。通过测试岩体声波的变化，来分析确定洞周围岩由于爆破施工和卸荷作用产生的松动范围。
（6）爆破振动影响监测
采用测震仪和声波仪进行监测。通过现场爆破震动监测，一是分析隧道向前掘进，爆破施工对其已开挖段的支护结构产生的震动作用与危害；二是通过爆破震动速度测试以及爆破前后的围岩超声波或地震波速度测试，研究爆破震动速度与围岩松动区范围之间的经验关系；从而对爆破施工参数给予监督和指导，引导施工在保证施工进度的同时降低爆破作用的累积效应对支护结构的损害和对围岩的扰动。
（7）人工巡视
巡视检查分为日常巡视检查和特殊情况下的巡视检查。日常巡视检查，结合仪器监测频度，每次对工区安全监测范围进行例行检查。特殊情况下的巡视检查，是对可能出现险情的部位实施昼夜监视。
巡视检查应携带地质锤、地质罗盘、皮尺、放大镜、望远镜、照相机、摄像机等。巡视检查时，应检查内容包括：裂缝出现位置、规模、延伸方向，原有裂缝有无扩大、延伸，断层有无新的错动，地表有无隆起或下陷，垮塌的位置、几何形状、体积及发生的时间，支护结构有无破损，地表排水沟、截水沟是否通畅，是否有新的地下水露头，原有的渗水量和水质有无变化，安全监测设施有无损坏，等等。每次巡视检查均应作好详细的现场记录，必要时应附有略图、素描、照片或视频。
3.4 监测布置
围岩稳定监测布置按照点、线、面结合，在隧道锚围岩监测区形成三维监测网。隧道锚施工监控剖面按照：“横剖面一主五辅”共布置1个主监测横剖面、5个辅助监测横剖面（1个洞周围岩表面位移监测、5个收敛监测剖面）；2个纵剖面，具体布置见表3.4-1及图3.4-1～图3.4-4。拟定监测点（孔）数量如下：
（1）地表位移监测点（地表下沉）：9个；
（2）洞周围岩表面位移监测点（顶拱下沉）：19个（左、右洞各2个监测横剖面共12个监测点，加上与2个洞周围岩表面位移监测横剖面不重合的收敛监测横剖面的7个顶拱点）；
（3）三点式多点位移计：4孔（左、右洞各1个监测横剖面）；
（4）测斜孔（地表设点、围岩体内位移）：4孔（左、右洞各1个监测纵剖面）；
（5）收敛测线（洞内周边位移）：55条（左洞6个监测剖面，右洞5个监测横剖面）；
（6）两点式锚杆应力计（锚杆轴力）：6套（左、右洞1个监测横剖面）；
（7）表面应变计（钢拱架内力）：6支（左、右洞1个监测横剖面）；
（8）土压力盒(围岩压力)：6个（左、右洞1个监测横剖面）；
（9）混凝土压力盒（两层支护间压力）：6个（左、右洞1个监测横剖面）；
（10）渗压计（渗水压力及水流量）：4支（左、右洞各1个监测纵剖面）；
（11）爆破振动监测：测点传感器为CDJ-Z型速度传感器。采用地震波法，根据现有地质资料,在影响区内布置测线。测试爆源点距各测点处的岩体质点垂直向振动速度,初拟每次监测不少于10个测点。
（12）围岩松动范围监测(声波孔)：采用一发双收声波探头进行单孔声波法。主要用于检测岩体开挖质量、洞室围岩松弛深度等。初拟每洞测试5孔。
表3.4-1各监测剖面位置列表
注：横剖面桩号以前锚面为基准面，负号表示向洞外方向，正号表示向洞里方向。
图3.4-1 监测点、线平面布置示意图
图3.4-2 横剖面1-1剖面监测布置示意图
图3.4-3 纵剖面3-3剖面监测布置示意图
图3.4-4 收敛测线、混凝土压力盒布置示意图
四、实施
4.1 监测断面仪器埋设的调整
隧道锚围岩类型主要为砂岩和砂质泥岩的互层（以砂岩为主），前锚室区域以强风化岩石为主，锚塞体及后锚室区域以中风化岩石为主，多为Ⅳ级围岩，岩体比较稳定，能够在一定程度上形成稳定的承载拱，因此结构围岩与支护共同承受荷载设计。
所以设计上也做了不同的支护方案：隧洞初期支护前半部分采用D25中空注浆锚杆、C30喷射混凝土、钢筋网以及工字钢支架等；初期支护后半部分采用普通钢筋锚杆、C30喷射混凝土、钢筋网以及格栅支架等与围岩共同组成支护体系。
设计方案中施工期的监测重点集中在了隧道锚的前半部分，4-4断面（距左洞开口线7m）及5-5断面（距左洞开口线15m，右洞开口线5m）均只有收敛监测，6-6断面（距左洞开口线20m，右洞开口线10m）才布置有内观监测仪器。
隧洞前半部分以强风化岩石为主，工程地质条件较差，对该部分洞室的开挖应当及时有效的进行监测，所以在监测实际实施当中，6-6断面的表面应力应变计提前在5-5断面就进行了埋设。
4.2 监测方法的调整
围岩收敛监测在隧道锚施工初始阶段采取在初支混凝土表面钻孔预埋收敛测桩（本工程采用一端有弯钩的膨胀螺栓），用收敛计进行收敛数据的采集的方法，该方法在隧洞锚初期开挖时可以使用，但是由于隧道锚为向下倾斜，随着开挖的深入，拱顶到拱脚的高差增大，开口线处拱顶与后锚室底部的高差达到了约52m（隧道锚中心线与水平夹角为40度）。
如图4.2-1所示，从而无法持续地采用收敛计进行收敛数据的采集。根据这一情况，采取了用高精度全站仪进行收敛及拱顶沉降观测的方法：在右洞5-5断面安装棱镜，左、右洞其它断面采取安装铁板，在铁板上安装反射片，洞口安装观测墩用以架设全站仪，如图4.2-2所示。
图4.2-1 隧道锚剖面
图4.2-2 反射片安装图
五、初步结论
某长江大桥隧道锚施工期监测采用内外观监测结合的方式，对隧道锚所处山体体表、内部以及围岩变形和支护结构的应力状况进行监测。
在隧道锚所处山体表面布置了3个地表位移监测断面，同时结合布置测斜孔量测山体内部水平位移情况，全面了解了山体表面变形趋势；
内观仪器采用了应力应变计、钢筋测力计、土压力计、渗压计、多点位移计等等，实时了解了钢拱架、锚杆以及初支混凝土等支护结构的受力情况、山体内降雨入渗情况以及围岩不同深度的变形情况。
各种仪器数据相互应证，及时了解隧道锚施工的安全状况，从而能够及时进行安全预警。
考虑到本工程前锚室范围围岩较差，锚塞体及后锚室岩石较好，工程的施工难点在前锚室的开挖，所以监测的重点也放在了前锚室，内观仪器基本上埋在了隧道锚的前半部分，做到了重点部位的重点监测，节省了工程投资。
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