【隧道施工方案】复杂地质条件下大跨度双连拱隧道监控量测技术的运用.pdf

复杂地质条件下大跨度双连拱隧道监控量测技术的运用郑 凯,刘保国(北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)摘要:围岩变形特性综合反映了开挖引起围岩形态的变化,是判断地下工程稳定状态最直观的依据,因此新奥法的实施贯穿了变形监测和监测资料的反馈分析。结合一定的工程背景,探讨了在复杂地质条件下修建大跨度双连拱隧道中监控量测技术的运用,并总结出一定的经验,供类似工程借鉴。关键词:复杂地质;双连拱隧道;监控量测;反馈分析中图分类号:U456.3文献标识码:BApplication ofMonitoring andMeasurement Technology in Construction ofLarge2spanned double2arched Tunnels under Complex Geological ConditionsZHENG Kai,L I U Bao2guo(Civil Engineering and A rchitecture School,B eijing Jiaotong University,Beijing100044,China)Abstract:The property of the deformations of the surrounding rock mass comprehensively reflects the changes of therock mass caused by excavation and is the most direct evidence to judge the stability of the underground works.There2fore,monitoring and measurement,aswell as feedback and analysisof themonitoring results,are always conducted dur2ing the complete process of the NAT M construction.On basis of an engineering case,the article makes discussions onthe application of the monitoring and measurement technology in the construction of large2spanned double-arched tun2nels under complex geological conditions and summarizes some successful experience,which can provide reference forsimilarworks.Key words:complex geology;double2arched tunnel;monitoring and measurement;feedback and analysis1 引言公路是国民经济的命脉。近几年伴随经济的蓬勃发展,带来了高速公路迅猛发展,这必然导致大量的公路隧道修建,同时大量的双连拱隧道也不断出现。新奥法隧道施工由于其理论基础的科学性、正确性而被现在隧道施工广泛采用。监控量测正是新奥法施工中的重要组成部分,被不断运用到生产实践中去。新奥法是以岩体力学和铁摩辛柯力学为基础进行隧道设计和施工的新方法,它的指导思想是最大限度地发挥围岩的自承作用,要求修建隧道过程中尽可能保持围岩的原始状态,以喷射混凝土、锚杆为代表的初期支护和量测技术为支柱,把隧道围岩和各种支护结构作为一个共同作用的承载体系,即硬岩隧道采用柔性支护、软岩隧道采用强预支护,控制围岩变形发展。通过监控量测手段,及时掌握围岩和支护结构的变形和应力动态,确保隧道结构设计和施工的信息化,具有极大的适用性和经济性。2 监测断面的布置与实施2.1 工程背景大田隧道是铜黄高速公路中一条双连拱隧道,地处大别山区,属于新安江水系,地址条件比较复杂。隧道全长100m,为双向四车道。单洞净宽9.75m,单洞尽高5.0m,中隔墙厚2.40 m,总开挖断面宽度比较大。隧道地处偏压段,进口端左侧为山体,右侧为悬崖。进口端20m内覆盖层比较薄,下伏薄弱层,围岩类别为 类,属于强风化变粉砂岩,节理发育,地表水向下渗漏比较严重。如何在这种复杂的地质条件下修建双连拱隧道,监控量测作为新奥法隧道施工中的一部分就显得尤为重要了。见图1。2.2 施工方法及步骤在如此复杂的地质条件下,如何保证开挖在安全有效的情况下进行,而且隧道在开挖过程中受力不明确,综合考虑其各方面的因素,采取了管棚超前,分洞分块分台阶开挖的方式进行,并且在开挖第、块的收稿日期:2005-09-30;修回日期:2005-12-07作者简介:郑凯(1981-),男,安徽蚌埠人,在读研究生,专业方向:岩土地下工程。第26卷 第2期2006年4月 隧道建设Tunnel Construction 26(2):5356,60Apr.2006图1大田隧道地形图Fig.1Topographic sketch ofDatian tunnel过程前,要分别对中隔墙右、左侧进行回填,以免初期支护架在中隔墙左、右侧的钢拱架受力过大,给中隔墙带来很大的弯矩和剪力,造成中隔墙的弯剪破坏。施工中充分重视监控量测的作用,以监控量测动态指导施工的原则,边开挖边量测,用监控量测的数据有效地指导下一步的施工。开挖顺序如图2。图2隧道开挖顺序图Fig.2Sketch of excavation sequence开挖前,由于隧道进口端上覆坡体较薄,且为残余坡积土,自身稳定较差,施工中采取刷坡处理的方式清除上覆坡体,并形成两级台阶,同时也采取了加固坡体的措施。2.3 监控量测的实施 根据隧道的情况,现场采取以下方法对隧道进行全方面地观测,确保隧道在安全的环境下进行。测试内容主要包括:掌子面观察、水平收敛、拱顶下沉、地表沉降、锚杆内力、钢拱架内力、围岩压力、衬砌内应力,多点位移,中隔墙基底压应力。(1)掌子面观察隧道每开挖一步都要对掌子面进行详细地观察,主要看围岩的岩性变化,掌子面淋水情况,地质构造的变化,节理裂隙的发育情况等,并根据观察情况做出适当的地质超前预报,为下一个工作循环做准备。(2)地表沉降浅埋隧道或隧道的浅埋地段,多为土质或软弱围岩,一般将会产生较大的地表沉降,为了评价围岩的稳定性和支护效果,地表量测显得尤为重要。本工程因进出口属于浅埋地段,故在进出口端设置地表沉降断面。在设置地表沉降测桩时,应考虑到隧道开挖的影响范围,可按下式确定影响范围:D=B+2(H+h)tan(45-/2)式中:D为开挖断面的影响范围宽度;B为开挖断面宽度;H为隧道开挖高度;h为上覆覆盖层厚度;为岩体内摩擦角。地表沉降断面沿隧道横断面布置,在隧道进出口上方,各设置两个断面,每个断面布置810个动点,不动点安装在距隧道150m远以外的山体上,以保证不动点不受隧道施工的干扰。分上下两个断面的目的主要是更好的控制坡体的沉降,以便知道在隧道的开挖过程中是整个坡体在滑移,还是在开挖影响范围内的坡体沉降。(3)水平收敛、拱顶下沉的布设隧道进出口段由于地质情况比较差,类围岩,采取了每隔10m安装一个断面,使水平收敛、拱顶下沉在同一里程,安装时间应该是隧道开挖后马上进行,并及时进行量测,不然数据就会失真,测量也就失去了意义。测试元件安装示意图见图3。图3水平收敛和拱顶下沉断面示意图Fig.3Cross2section of horizontal convergence and crown settle2ment(4)锚杆内力选择比较典型断面安装锚杆,在 类围岩中每个断面布置8根锚杆,锚杆长度为4m,在 类、类围岩中锚杆长度分别为3m和2.5m,布置6根。(5)钢筋计、压力盒、应力计 安装钢筋计、压力盒、应力计断面应选择和锚杆内力同一个断面,以便更好的测试围岩的动态,围岩的应力分布,钢拱架的内力,混凝土的内引力。钢筋计焊接在钢拱架上,应力计绑扎在网片上或钢拱架上。同时压力盒要与围岩密贴,否则就失去作用。安装具体位置为拱顶、两侧拱腰、两侧边墙。锚杆内力及选测断面布置方式见图4。45隧道建设 2006年4月 第26卷图4 选测断面及锚杆内力断面图Fig.4Selected measurement cross2section and internal force ofrock bolt(6)中隔墙基底应力在中隔墙施工过程中,在其底部沿其横断面布置23个大量程的压力盒,来测试初期支护传给中隔墙的压力。(7)多点位移在隧道进出口的坡体上安装45个多点位移计,测试坡体的动态及深层次的位移。3 数据的采集、分析、反馈3.1 数据的采集隧道开挖后应马上布置测试断面,及时量测,确保数据的及时性、有效性、准确性。水平收敛采用收敛计量测,拱顶下沉、地表沉降采用精密水准仪、铟钢尺、钢卷尺量测,选测断面(钢筋计、应力计、压力盒)、测力锚杆采用钢弦式传感器,使用频率计进行量测。量测频率见表1。表1监控量测项目量测频率表Table 1Monitoring items and theirmonitoring frequency项目名称频率115天1530天3060天60天以后水平收敛及拱顶下沉12次/天1次/天1次/(27天)23次/月锚杆内力12次/天1次/天1次/2天23次/月选测断面12次/天1次/天1次/2天23次/月工作面观察 每一个工作循环观察一次地表沉降S1B12次/天S2B1次/(23天)S为距掌子面距离,B为隧道断面宽度3.2 原始数据的误差分析和处理由于量测人员、测量设备、测试元件等各种客观的外界条件等原因,现场获得的第一手数据不可避免地存在种种误差或错误,因此在监控量测资料整理分析的过程中,首先必须对原始资料进行误差分析和处理,以满足作图及回归分析的需要。(1)粗差的判别设进行了n次量测,所得到的第i次测值为Si,连续三次量测的测值分别为Si-1、Si、Si+1,第i次观测的跳动特征定义为:di=|2Si-(Si-1+Si+1)|跳动特征的算术平均值为:-d=(n-1i=2di)/(n-2)跳动特征的均方差为:=n-1i=2(di-d)2/(n-2)相对差值为:qi=|di-d|/如果qi3就可以认为它是粗大误差,可以舍去,然后用插值法得到它的替代值。(2)数据的补差由于某种原因漏测的数据,或由于剔除粗差而缺少某次测值时,需要对量测数据进行补差处理。补差一般采用多项式差值法、样条函数插值法。本文采用拉各朗日一次插值法。方法如下:设距待测插值点最近的两个测点为:(X1,Y1),(X2,Y2),则横坐标的插补点的坐标为(X,Y)的Y坐标为:Y=X-X2X1-X2Y1+X-X1X1-X2Y23.3 数据的分析(1)对取得的水平收敛和拱顶下沉数值,采用一次负指数函数回归分析的方法推测其最终收敛值u+、收敛速度v(t)及测试前已产生的收敛值u0。回归方程如下:u(t)=a-Ae-kt其中u(t)为t时刻累计沉降量,a、A、k为回归系数。当t0时,u(t)=0即:u(t)|t0=u0+a-Ae-kt=0可得测试前已产生的收敛值u0=A-a。当t+时,u+=u0+a,即:u+=A,所以推测的最终的累计收敛量为回归系数A。收敛速度为v(t)=u(t),可得v(t)=kAe-kt根据岩石的流变特性,岩体破环前的变形曲线可分为以下三个阶段:当d2udt20时,破坏区,亦称三次蠕变区,围岩处于失稳状态,应立即停工,马上采取加固措施,阻止围岩继续变形,加强支护参数;当实测的周边位移达到回归分析推测的周边位移的80%90%,实测的收敛速度达到0.10.2(mm/d)时,即可认定围岩基本处于稳定状态,可以进行下一道工序。(2)针对钢弦式传感器,实际测量频率为f,初始频率为f0,标定系数为k,把实测频率应该转化为相应的荷载。锚杆内力、钢筋计计算公式为:F=k(f2-f20)(KN)压力盒的计算公式为:F=k(f2-f20)(MPa)应力计的计算公式为:F=k(f2-f20)E(MPa)(E为混凝土弹性模量)对转化过来的荷载进行抛物线回归分析,观察其随时间变化趋势。如果其回归曲线变化趋势比较平缓,可以认为围岩受力稳定,相反可认为围岩处于不稳定阶段。(3)地表下沉在隧道未开挖前就要进行量测,并确保量测数据的准确性,因此地表下沉曲线是开挖全过程曲线,而洞内量测仅能反映全位移曲线的一部分,开挖前及开挖瞬间位移量测洞内测量是无法获得的,从这个方面来说,地表沉降具有特殊的意义。测试地表沉降的沉降速率,累计沉降量,以此反应上覆坡体的整体稳定性。沉降速率:Ht=(Ht-Ht+H)-(Ht-1-Ht-1+H)累计沉降量为1Ht其中Ht为t时刻沉降速率(mm/d),Ht为t时刻的后视读数,Ht为t时刻的前视读数,Ht-1为t-1时刻的后视读数,Ht-1为t-1时刻的前视读数,H为不动点的高程。密切关注沉降速率的大小,因为地表沉降速率是反映上覆坡体的稳定行的一个重要指标。3.3 监控量测对施工的动态指导以及现场施工中出现的问题 由于隧道所处的地质条件的复杂性,围岩整体比较薄弱,再加上开挖断面比较大,这给施工带来了一定的难度。中导洞开挖时由于开挖断面较小,监控量测的各项数据都比较正常,并顺利贯通。但隧道主洞开挖过程中,进口端地表沉降明显较大,尤其在开挖左侧主洞的上台阶时,累计沉降量46.25mm,最大的日沉降量为7.19mm,同时地表出现沿隧道横断面的几条裂缝,并有明显贯通的趋势,洞内水平收敛、拱顶下沉也比较明显,最大水平收敛速度为4.23(mm/d),初期支护明显开裂,混凝土开始剥落,钢拱架内应力、围岩压力、衬砌内应力都有明显增大的趋势,靠外侧锚杆内力明显增大,中隔墙的基底应力也明显增大,达到0.556(MPa),并有开裂、侧移现象,种种迹象表明围岩受力处于一个不稳定的状态,围岩的松动圈较大,松弛度较大,变形较为明显,坡体将处于失稳状态。针对上述情况施工方采取了紧急停止开挖,采取加固坡体,使用10m管棚超前,超前注浆等方式,严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字诀进行,并取得了良好的效果。4 结论(1)对于高速公路选线的时候,应尽量避免在偏压、软弱围岩、断层、上覆覆盖层比较薄等复杂地质条件下修建大跨度的双连拱隧道,以免给后期的施工带来隐患,造成先天不足。(2)复杂地质条件下修建大跨度的双连拱隧道,监控量测应将地质勘测资料、量测数据分析、地质超前预报等各方面的信息有效地结合起来,综合评价围岩的稳定性,同时应提高地质超前预报的准确性。(3)采取监控量测动态指导施工的原则,根据监测数据有效地指导下一步工作。(4)根据量测的数据进行回归分析,可以推测最终的收敛值、及相应的收敛速度,并结合实际量测的总收敛值,收敛速度与围岩最终允许变形值进行比较,判断支护的工作状态及围岩的稳定性,最终选择是否可以跟进二衬。(5)监控量测的数据受到多种因素的综合影响,数据的可靠性、准确性主要取决于测试元件的安装、量测设备的精度,测量技术人员的水平以及误差修正的技术等。参考文献:1 綦志富,孙波.大跨度双跨连拱隧道的新奥法施工J.铁道工程学报,2002,(1).2 秦之富.偏压连拱隧道施工与监控量测J.公路隧道,2003,(3).3 蒋树屏,赵阳.复杂地质条件下公路隧道围岩监控量测与非确定性反分析研究J.岩石力学与工程学报,2004,23(20).4 王祥秋.高速公路隧道施工安全信息化监控量测技术J.中国安全科学学报,2004,14(28).(下转60页)65隧道建设 2006年4月 第26卷 注浆压力的控制:时刻观察注浆压力的变化,当压力达到设计值并延时10min后,关闭进浆阀,开启泄浆阀减压,结束注浆。注浆泵流量的控制:注浆泵初始流量通过调整注浆泵的运行速度来控制。凝胶时间的控制:通过变换水泥浆浓度,可以调整双液浆的凝胶时间,为保证胶凝时间的准确,须经常对浆液浓度、流量进行测试,同时在泄浆口测定混合后双液浆的凝胶时间,避免异常情况发生。5.6 效果检查分析对注浆效果的分析评价采取了以下三种方法。分析法:注浆结束后,汇总各孔注浆量,通过对地层填充率的反算分析,地层空隙中浆液的填充率达92%。钻检查孔法:检查孔出水量为0.1 L/(minm),小于设计值:0.2L/(minm)。压水试验法:对检查孔进行注水试验,在P=1MPa时,地层吸水量1.2L/(minm),小于设计值25L/(minm)。井筒外注浆后,抽干井筒内涌水时,并无水继续涌出,井内注浆开挖时,亦无涌水涌砂现象,注浆达到了预期的效果。5.7 注浆质量保证措施 注浆过程中对附近地表进行监控量测,随时调整注浆参数,防止沉井开裂及地表隆沉影响井架使用安全。确保钻孔深度和角度,做好钻孔记录,为保证注浆效果奠定基础。严格按照技术交底作业,按照注浆工艺流程施工,做好注浆记录确保孔口管与管壁之间封闭密实,防止孔口处跑浆;注浆开始时宜采用小流量以免堵塞浆液渗透通道,注浆结束标准必须达到设计要求注浆压力或注浆量,方可停止。注浆结束后,应综合分析钻孔注浆记录,并在出水量较大或注浆薄弱处打检查孔,检查注浆效果,如不能满足要求,则要补注。当进浆量很大,压力长时间不升高时,则应调整浆液浓度及配合比,或采取间歇注浆,但停注时间不能超过浆液凝胶时间。当发生跑浆时,则应缩短浆液的凝胶时间,进行小泵量、低压力注浆。6 开挖施工6.1 井筒内开挖井筒内由人工开挖,经吊桶提升至地面。开挖时先挖中间,再挖周边,开挖面成锅底形,使少量水汇积于锅底,以方便施工。在第二次封底及井底注浆完成后,向下打4根5m长的探水管进行探水,渗水量较小,向下开挖3.5m。6.2 井底开挖在涌水涌砂前,井底东南侧已完成立拱喷混凝土(进入基岩),西北侧也已开挖完成未支护。在进行井底开挖时,将西北侧分为三部分,每部分立一节钢架,同时将前三榀格栅架间距由原来的0.5m变为0.25m。每部分开挖后,立即挂钢筋网并进行初喷,初喷完成后立即架设钢架并复喷至设计厚度,进入基岩后,按设计0.75m/榀架设。6.3 开挖注意事项开挖前在井底准备了若干砂袋和排水设施,一旦发生涌水、涌砂,及时用砂袋封挡,并及时抽排水。开挖严格分层分块,井底开挖严禁放炮,应用风镐或静态膨胀预裂爆破,并及时素喷5 cm厚C20混凝土,再安装好拱架,迅速喷浆至设计厚度。7 结束语实践证明:在其他施工条件不允许的情况下,采用注浆技术处理涌水、涌砂淹井事故是有效可行的。不仅投入设备小、少,还能节约造价,缩短处理工期,达到事半功倍的效果,为今后类似工程提供借鉴。参考文献:1 崔云龙.简明建井工程手册M.北京:煤炭工业出版社,2003.2 杜嘉鸿.地下建筑注浆工程简明手册M.北京:科学出版社,1992.3 程骁,张凤祥.土建注浆施工与效果检测M.上海:同济大学出版社,1998.(上接56页)5陈勇鹏.监控量测与信息化施工 J.铁道建筑技术,2004,(5).6 周思孟.复杂岩体若干岩石力学问题M.北京:中国水利水电出版社,1998.7 王虎有.隧道监控量测技术及其应用 J.江苏交通科技,2004,(4).8 朱汉华.公路隧道设计与施工新法M.北京:人民交通出版社,2002.06隧道建设 2006年4月 第26卷