【隧道施工方案】乌竹岭隧道监控量测技术研究及评价.pdf

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1、第30卷 第3期2007年9月东 华 理 工 学 院 学 报JOURNALOFEASTCH I NAI NSTITUTEOFTECHNOLOGYVol130No13Sep.2007收稿日期:2007203219作者简介:朱 鹏(1984),男,汉族,硕士生,主要从事环境地质学研究。乌竹岭隧道监控量测技术研究及评价朱 鹏1,苏生瑞2,王吉亮3(1.东华理工大学,江西 抚州 344000;2.长安大学,陕西 西安 710054;3.吉林大学,吉林 长春 130012)摘 要:隧道施工技术复杂,安全制约因素多,各种工程事故时有发生,解决这类问题的重要措施就是在施工期间开展严密的监控量测。通过监测来准

2、确地预报隧道工程及周围环境的变化,确保施工的安全进行。施工中的监控量测工作在隧道建设中发挥着重要的作用。在施工中,对围岩变形进行监测,依据监测数据对围岩稳定性做出判断,从而使客观地评价支护与围岩的状态和合理地设计成为可能。以乌竹岭隧道施工过程中监控量测工作的安排布置及具体操作为例,介绍了监控量测在新奥法施工隧道中的应用。关键词:监控量测;围岩稳定性分析;乌竹岭隧道中图分类号:P642.2 文献标识码:A 文章编号:1000-2251(2007)03-0272-07 在深部岩体中开挖洞室或巷道时,其两侧和工作面前的围岩会产生交替的破裂区和不破裂区,这种现象为分区破裂化现象(钱七虎,2003),影

3、响工程的正常施工。现场监控量测是实现隧道信息化施工的前提,以及保证新奥法安全施工,提高经济效益的重要条件,可以说,隧道的监控量测是当今隧道建设,尤其是工程地质条件复杂的地区,必不可少的一项工作(李国锋等,2005)。乌竹岭隧道具有地形多变、技术含量高、设计参数复杂等特点。隧道围岩以凝灰岩为主,断层、褶皱等构造发育,同时存在滑坡、涌水等不良地质现象,地质条件极为复杂。本文使用新奥法监控量测技术对乌竹岭隧道工程进行了量测,并对施工中的围岩稳定性进行简要分析,表明公路隧道现场监控量测成果,能够应用于指导公路隧道现场施工(代高飞等,2004;马健俊,2006;王岚等,2003)。1 监控量测方法概述1

4、.1 监控量测项目新奥法隧道施工监控量测项目包括必测项目和选测项目。在一些地质条件复杂特殊的洞段,为了及时判断出围岩稳定状况,保证隧道的安全施工,必须经常性地对地质和支护状况进行观察,对拱顶下沉、周边收敛、地表沉降进行量测,以判断围岩稳定状况。在隧道施工中,对于复合式衬砌,上述四项观察和量测项目被列为必测项目。一般的说,隧道的支护结构,伴随着围岩类别而变化。当遇到软弱地层、断层破碎带、溶洞、溶缝以及地层富水等地质条件发生重大变化的情况,应选择一些代表性断面,进一步观测围岩内部位移,量测支护结构实际内力状况,以便对已施工的洞段做出评价,这对未施工洞段具有指导意义。按照地质条件变化,根据施工需要确

5、定的量测项目,通常称为选测项目,如涌水、突泥量测、围岩内部位移、围岩压力、锚杆轴力、钢支撑内力及外力量测等(李晓红,1995)。乌竹岭隧道设定的具体项目、具体要求及所用仪器设备见表1。1.2 施工监控量测方法1.2.1 监控量测断面布设原则隧道是一个地下的狭长结构,任何一段洞室都必须是稳定、安全的,否则就会导致全局性瘫痪。对于这样的狭长结构,不可能对每个断面进行监控量测,只能选择一些代表性断面进行监控量测,其监控断面的布设应当遵循以下原则:(1)对于锚喷支护结构,每1050 m量测一个断面。对于洞口、浅埋地段,特别是软弱地层、地质条件差的地段,量测断面应当加密,间距应小于20m。上述原则可按下

6、列关系描述:设定洞跨为B,埋深为h,当2Bh,量测断面间距为2050 m;当Bh2B,量测截面间距为1020 m;当hB,量测间距为510 m。(2)地表下沉测点位置应与洞内水平收敛和拱 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/部下沉量测点布置在同一横断面上。表1 乌竹岭隧道监控量测项目Tab.1Item s ofmonitoring survey in W uzhuling tunnel编号量测项目仪器设备要求及目的1围岩和初衬间接触压力压力盒、频率计判断围岩

7、荷载大小,初期支护承担围岩压力情况2二衬和初衬间接触压力压力盒、频率计判断复合式衬砌中围岩荷载大小,判断初期支护与二次衬砌各自分担围岩压力情况3钢拱架应力钢筋应力计、频率计量测钢拱架应力,推断作用在钢拱架上的压力大小。判断钢拱架尺寸、间距及设置钢拱架的必要性4衬砌内力钢筋应力计、频率计量测二次衬砌内应力、喷混凝土内轴向应力。了解支护衬砌内的受力状态5锚杆轴力量测钢筋应力计、频率计根据锚杆所承受的拉力,判断锚杆布置是否合理;了解围岩内部应力的分布情况(3)施工进深200 m之前,每20 m应设置一个量测断面,200 m之后,每30 m量测一个断面,测点距离开挖面应小于2 m。(4)埋深小于40

8、m的(新)类围岩,应进行地面沉降观测。1.2.2 测线和测点布设原则监控断面上测线布设与开挖方式密切相关。对于全断面开挖的洞段,量测断面布设一条水平测线,特殊地质条件下,施做超前支护后,采用全断面开挖,测线布设3条或6条。对于短台阶开挖法应布设两条水平测线,特殊地质条件下,布设4条或6条测线。多台阶法每一台阶布设一条水平测线,特殊地质条件下,每台阶布设3条测线如图1所示(李晓红,1995)。图1 测量项目量测仪器布设Fig.1The emplacement of the m easure apparatus in the item sa.全断面开挖,1条水平测线;b.短台阶开挖,2条水平测线;

9、c.超前支护后全断面开挖,3条水平测线;d.特殊地质短台阶开挖,6条水平测线;e.3个测点;f.5个测点;g.7个测点1.3 监控量测方法1.3.1 围岩与初衬、初衬与二衬间接触压力压力盒布设在围岩与初衬之间,即测得围岩压力;压力盒布设在初衬与二衬之间,即测得两层支护间压力(图2)。(1)测点布设。应把测点布设在具有代表性的断面的关键部位上,如拱顶、拱腰、拱脚、边墙仰拱等,并对各测点逐一进行编号。预埋压力盒时,要使压力盒的受压面向围岩。在隧道壁面,当所测围岩施加给喷混凝土层的径向压力时,先用水泥砂浆或石膏把压力盒固定在岩面上,再谨慎施做喷混凝土层,不要使喷混凝土层与压力盒之间有间隙,保证围岩与

10、压力盒受压面紧贴,记下压力盒型号,并将压力盒编号用透明胶布将写在纸上的编号紧密粘贴在导线上。监测所用导线应集结成束,妥善保护,避免施工时遭受破坏。(2)量测。采用频率计采集压力盒频率,根据压力盒的频率-轴力标定曲线,将量测数据直接换算成相应的接触压力。372第3期朱鹏等:乌竹岭隧道监控量测技术研究及评价 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图2 围岩与初衬、初衬与二衬接触内力测点布设Fig.2The emplacement of the measure po

11、ints ofthe tangent internal force between surroundingrock and initial support and between initialsupport and secondary support1.3.2 钢拱架应力(1)测点布设。钢格栅的钢筋计分别沿钢架的内外边缘成对布设。安装前,在钢拱架待测部位并联焊接钢弦式钢筋计,在焊接过程中注意对钢筋计淋水降温,然后将钢格栅或钢拱架人工搬至洞内安装或立好,记下钢筋计型号,并将钢筋计编号用透明胶布将写在纸上的编号紧密粘贴在导线上。量测导线应集结成束,妥善保护,避免施工时遭受破坏。(2)量测。根据钢

12、筋计的频率-轴力标定曲线,可根据量测数据直接换算出相应的轴力值,然后,根据钢筋计混凝土结构有关计算方法,可算出钢筋计所在的拱架断面的弯矩,并在隧道横断面上按一定比例把轴力、弯矩值点画在各钢筋计分布位置,并将各点连接形成隧道钢拱架轴力及弯矩分布图。1.3.3 衬砌内力衬砌内外层钢筋中测点布设,钢筋计安装、注意事项、量测方法同钢拱架应力量测方法。1.3.4 锚杆轴力试验锚杆轴力测点布设(图3)和钢筋计安装方法、注意事项与钢拱架应力量测方法相同。量测锚杆轴力时,采用频率计采集钢筋计的频率-轴力标定曲线,将量测数据换算成相应的锚杆轴力。1.3.4 监测频率及监测进度安排根据 公路隧道施工技术规范(JT

13、J042294)规定,锚杆或锚杆内力及拉拔力、围岩压力及两层支护间压力、钢拱架内力、支护、衬砌内力等监测项目的监测频度与监测次数详见表2。图3 锚杆轴力监测点布设Fig.3The emp lacem ent of the monitoringpoints of the bolt axial force实际测量频率,根据前两次测量情况而定。当观测值相对稳定时,可适当降低观测频率;当达到报警指标或观测值值变化速率加快或出现危险事故征兆时,应增加观测次数。表2 各监测项目的监测频度与监测次数Tab.2The monitoring frequency and degree of the item s洞

14、内埋设项 目115 d16 d1个月13个月大于3个月量测次数埋设项目L 2B2BL 5B监测频度12次/d 1次/2d 12次/周13次/月32次 注:为L开挖面距离量测断面的距离,B为隧道开挖宽度;有些监测项目的监测频度与监测次数需待开挖宽度确定后再详细确定。2 乌竹岭隧道监控量测概况2.1 乌竹岭隧道工程概况乌竹岭隧道左洞长618 m(其中明洞11 m,暗洞607 m),右洞长635 m(其中明洞11 m,暗洞624m),其右洞由于出洞口与怀鲁枢纽互通匝道出口距离太近,不利于车辆驾驶员对转向标志的确认,为此,在右洞两个行车道的右边增设了辅助转向车道,即乌竹岭隧道右洞为单向行车三车道隧道。

15、隧道明洞结构为现浇钢筋混凝土衬砌结构;暗洞衬砌结构按新奥法原理,采用复合式支护结构形式。初期支护以锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系,二次衬砌采用模注混凝土结构,初期支护与二次衬砌结构之间设放水排水夹层。隧道所在区区域构造主要为断裂构造,走向以NNE向和NE向为主,对隧道施工影响较大的主要有F8和F2两条大断裂带。隧道区地下水主要有第四系松散岩类472东 华 理 工 学 院 学 报 2007年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/孔隙潜水和基岩裂隙水两

16、大类。水量贫乏,水文地质条件简单。浙江省工程为探勘察院.2004.诸永高速公路金华段(东阳)第1合同两阶段施工图设计工程地质勘察报告R.2.2 乌竹岭隧道监控量测断面布设乌竹岭隧道左右洞原拟布置5个断面,主要布置在隧道进出洞口、断层破碎带内及其不同围岩交接带。2005年10月29日,乌竹岭隧道右洞由出口向进口方向开挖至K58+714处发生塌方、冒顶事故,在此基础上根据地质条件和施工情况,乌竹岭隧道共布置了8个断面,其中,右洞有K58+365,K58+371,K58+400,K58+403,K58+732,K58+738,共计6个;左洞有K58+384、K58+389,共计2个。2.3 监测数据

17、分析由于此隧道监测断面较多,这里选择两组具有代表性的断面详加分析。2.3.1YK58+365断面YK58+365断面位于乌竹岭隧道右洞,属明洞洞段,隧道埋深7m,围岩为灰色凝灰岩,岩体较风化、破碎,裂隙中充填物为粘土,呈土石混合状态,属II类围岩。支护参数为:根据作用在支护结构上的荷载按弹性地基上的拱形平面杆系结构计算结构内力,并据此进行截面设计和配筋设计。浙江省工程为探勘察院.2004.诸永高速公路金华段(东阳)第1合同两个阶段施工图设计R.该断面分别安装一个钢筋计量测初衬衬砌围岩内力变化情况和一个压力盒量测围岩与初衬间的接触压力变化情况。围岩与初衬间接触压力。该断面的接触压力较小,其中右拱

18、部测点的压力较大,最大接触压力0109 MPa,其余四个测点的接触压力均小于0.10MPa,其中左拱部压力接近于零,说明该处应力已经释放完毕,其他部位应力还有待释放,应继续定期监测。从接触压力的时间曲线分析,本断面的接触压力比较稳定(图4)。图4YK58+365围岩与初衬间接触压力时间变化曲线图Fig.4Ti m e2contact pressure plot between surrounding rock and initial support at YK58+365 cross2sections 初衬内部应力。该断面的初衬内部应力均为压力,其中左拱部测点的应力最大;该点埋设后应力呈急剧增

19、加的状态,后喷射混凝土内部应力在17MPa上下波动,最大值为18.3MPa。从该点内部应力的时间空间变化曲线分析,左拱部的喷射混凝土内部应力不会继续增大,该断面其余四个测点的喷射混凝土内部应力较小,其时间空间曲线呈水平方向发展(图5)。综合以上各量测项目的分析,该断面结构受力不大,围岩基本稳定,表明支护措施是合理的。2.3.2YK58+732断面和YK58+738断面YK58+732断面和YK58+738断面是对于乌竹岭右洞K58+714处发生的大规模塌方冒顶事故所制定的临时方案而临时增加的两个断面,这两个断面所在区域为F8断层带,岩体破碎,属II类围岩。经决定在这两断面分别在已支起的钢拱架上

20、安装一组钢筋计量测围岩内部应力变化情况。如下图所示为围岩内部应力均呈现不同程度的波动,说明此处围岩内部应力还没有释放完毕,岩体的整体稳定性较差,不宜于施工开挖,还应继572第3期朱鹏等:乌竹岭隧道监控量测技术研究及评价 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/续监测,其中738断面右拱部测点从2005年5月1日至2005年5月10日波动起伏较大,期间加大监测力度,并及时向指挥部汇报实际情况,经分析是由于该段时间本地区的强降雨天气引起的雨水下渗以及左洞相应位置频繁

21、放炮所致,随后建议施工单位在洞口边坡修建一条引水渠,并将围岩内部的积水导出,暂时停止左洞的放炮作业,监测数据于11日后又恢复正常(图6,7)。通过对这两个断面量测数据的分析表明,此处围岩内部应力正在释放当中,岩体稳定性较差,应继续监测,不宜于紧急施工。图5YK58+365初衬内部应力时间变化曲线图Fig.5Ti m e2internal stress pl o t of initial suppo rt at YK58+365 cross2secti ons图6YK58+732初衬衬砌内力时间变化曲线图Fig.6Ti m e2internal stress pl o t of initial

22、suppo rt at YK58+732 cross2secti ons3 结论和建议通过对乌竹岭隧道工程地质条件以及监测方案设计的论证,同时对监测数据的分析,可以得出以下的结论和建议:(1)从围岩压力看,布设的监测断面还未达到稳定状态,其中最大值出现在隧道左洞K58+389,为0.167 7 MPa,目前数据曲线还在继续增大。说明该处应力还正在释放(表3)。(2)已经监测的钢支撑内力变化较为复杂。布设的监测断面部分还处于波动阶段,说明钢支撑上的内力仍处于调整阶段。截止目前,监测到的最大内力出现在隧道右洞K58+403初衬的右拱部,为-21.3141 kN,目前还在继续减小(绝对值继续增大)(

23、表4)。672东 华 理 工 学 院 学 报 2007年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图7YK58+738初衬衬砌内力时间变化曲线图Fig.7Ti m e2internal stress pl o t of initial suppo rt at YK58+738 cross2secti ons表3 各监测断面接触压力最大值Tab.3The m axi mum of the contact stress ofevery monito ring sec

24、tion隧 道监测断面最大土压力/MPa最大土压力位置变化趋势右洞初衬K58+3650.0901右拱部稳定右洞初衬K58+4030.1055左拱部波动左洞初衬K58+3840.0507洞顶波动左洞初衬K58+3890.1677洞顶缓慢增大表4 各监测断面初衬、二衬围岩应力最大值Tab.4The maxi m um of the surrounding rock ininitial support and secondary support ofevery monito ring section隧 道监测断面最大土压力/MPa最大土压力位置变化趋势右洞初衬K58+403-21.314 1右拱部缓

25、慢减小右洞初衬K58+738-4.746 1右拱部波动右洞初衬K58+7320.428 1洞顶波动右洞初衬K58+36524.599 5左壁稳定左洞初衬K58+384-4.633 7洞顶缓慢减小左洞初衬K58+389-6.642 5洞顶缓慢减小(3)锚杆所承受的轴力基本趋于稳定。最大值出现在隧道右洞K58+400,为-1.125 4 kN,目前数据曲线已经基本稳定。隧道右洞K58+371监测断面左边墙处锚杆轴力较大,但近期已基本稳定(表5)。表5 各监测断面锚杆轴力最大值Tab.5The maxi m um of the bolt axial forceof every monitoring

26、secti on隧 道监测断面最大土压力/MPa最大土压力位置变化趋势右洞初衬K58+3710.728 8洞顶1号稳定右洞初衬K58+400-1.125 4洞顶2号稳定(4)由于本地区降雨丰富,在隧道洞口施工中要做好地表排水工作,并且洞口的一些工程要尽量按计划工期完成,以免由于延时太长,造成洞口滑坡发生。(5)监测数据分析的结果显示各量测断面的量测值均未超过设计值。(6)乌竹岭隧道的施工方法和支护参数是基本适宜的,能够保证围岩和支护结构的稳定。但在局部围岩强度低、渗水严重的地段,应及时采取加强措施,并对围岩进行预加固,防止出现大的变形,以确保施工安全。(7)通过乌竹岭隧道的现场监控量测和围岩稳

27、定分析,表明应用公路隧道现场监控量测成果,能够准确判断围岩的变位情况和支护结构的受力状况,为确定正确的施工方案提供科学依据。参 考 文 献代高飞,应松,夏才初,等.2004.高速公路隧道新奥法施工监控量测J.重庆大学学报,27(2):1322135.交通部重庆公路科学研究所.1995.公路隧道施工技术规范(JTJ042-1994)S.北京:人民交通出版社.李国锋,丁文其,李志厚,等.2005.特殊地质公路隧道动态设计施工技术M.北京:人民交通出版社.李晓红.1995.北京:中国铁道出版社.隧道新奥法及其量测技术M.北京:中国铁道出版社.马健俊.2006.隧道施工监控量测分析与应用 J.河南理工

28、大学学报,25(5):3902393.钱七虎.2003.深部岩体工程响应的特征科学现象及“深部”的界定J.东华理工学院学报,27(1):125.王岚,张勇,安军.2003.雷公山隧道施工监控量测J.中南公路工程,28(4):1092114.772第3期朱鹏等:乌竹岭隧道监控量测技术研究及评价 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/The Research and Evaluate of theMonitori ngSurvey for theWuzhuling

29、 TunnelZHU Peng1,SU Sheng2rui2,WANG Ji2liang3(1.East China Institute of Technology,Fuzhou,JX 344000,China;2.Changan University,Xian,SHX 710054,China;3.Jiling University,Changchun,JL 130012,China)Abstract:Many various engineering accidents happened in tunnel engineering because of complexity in const

30、ruc2tion technology and many restraint factors.The main measurement of solving this is to surroundingmonitormeas2urement rigorous during the construction.By this,variation of tunnel engineering and surrounding environmentcan be predicted accurately,it can insure the safety of construction.Themonitor

31、ing survey plays an important rolein the tunnel construction.it can survey the defor mation of the rock and make an evaluation for the stability of therock by the survey data.It is possible to evaluate the state of the supporting and adjacent rock objectively and de2vise reasonably.The paper expound

32、s the concrete manipulation in theWuzhuling tunnel and introduces the appli2cation of the monitoring survey in the NAT M.KeyW ords:monitoring mensurement;analysis of the host rocks stability;Wuzhuling tunnel872东 华 理 工 学 院 学 报 2007年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/