【隧道施工方案】超浅埋暗挖大跨度隧道监控量测技术.pdf

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1、 第15卷 第3期2007年6月安徽建筑工业学院学报(自然科学版)Journal of Anhui Institute of Architecture&IndustryVol.15 No.3Jun.2007收稿日期:2007204219作者简介:章劲松(1974-),男,讲师,在读工程硕士,主要研究方向为公路与桥梁工程。超浅埋暗挖大跨度隧道监控量测技术章劲松1,石 雷2(1.合肥工业大学土木建筑工程学院,合肥 230009;2.中铁四局集团第五工程有限公司,九江 332000)摘 要:采用新奥法施工衬砌的超浅埋暗挖大跨度隧道,现场监控量测是它一项必不可少的重要内容,通过对实际量测数据的数理和力

2、学分析,来选择和修正支护参数指导施工,它既是施工安全的保证措施又是优化结构、降低材料消耗的重要手段。关键词:超浅埋暗挖隧道衬砌施工;监控量测;数理和力学分析;支护参数中图分类号:U452;U455.48 文献标识码:A 文章编号:100624540(2007)032012205The technology of monitoring and measuring for the wide spantunnel with super2shallow embedment and concealed excavationZHANGJin2song1,SHI Lei2(1.School of Civil

3、 Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230051,China;2.China Railroad forth Group No.5 engineeringCo.Ltd,Jiujiang 332000,China)Abstract:The New Austrian Tunneling Method(NATM)is used to construct the liner in the widespan tunnel with super2shallow embedment and concealed excavation,but it

4、is very important forNA TM construction to monitor and measure.By mathematical&mechanical analysis of actual meas2uring data,it can select and correct support parameters to guide construction.It is not only the meas2ures of safety guaranteed,but also the important method of optimizing the structure

5、and reducing thematerial consumption.Key words:construction lining in super2shallow embedment and concealed excavation tunnel;monito2ring&measuring;mathematical&mechanical analysis;support parameters1 监控量测目的和意义隧道现场监控量测(主要指施工阶段),包括隧道控制量测和监控量测。控制量测主要是检查隧道中线和净空端面的位置与尺寸是否符合设计要求;监控量测主要是使用各种量测仪表和工具,对围岩变化情

6、况及支护结构的工作状态进行量测。主要包括1,2:(1)掌握施工过程中围岩和支护的动态信息并及时反馈,指导施工作业。(2)通过对围岩和支护的监测,对施工方案进行合理的优化。(3)通过对量测数据的分析处理,掌握地层稳定性变化规律,预见事故和险情,作为调整和修正支护设计和施工方法的依据,提供土层和支护衬砌最终稳定的信息。(4)提供判断围岩和支护系统基本稳定的依据,确定二次衬砌施作时间。(5)验证预先对施工影响的范围内的地表沉降进行的评估和施工方案的合理性,为今后类似工程施工作参考。对隧道施工过程中进行监控量测具有重大经济意义和实际应用价值。因为通过现场量测能够迅速准确地获取第一手有关围岩力学动态和支

7、护状态的实际量测数据资料,通过对这些资料的数理和力学分析,来判断围岩和支护结构体系的稳定性及工作状态,从而选择和修正支护参数指导施工,同时能及时掌握施工过程中出现的各种情况,对可能出现的事故进行防范,以防事故发生。2 监控量测方案2.1 监控量测项目以深圳市中信地下商场B区超浅埋暗挖大跨度平顶直墙隧道施工衬砌为例,整个结构为单层框式钢筋混凝土结构,复合式衬砌采用新奥法施工。该隧道主要穿越地层为:杂填土层、饱和中砂层、粘土层,且地下水丰富。监控量测项目具体见表1所列。表1 中信地下商场B区主要量测项目序号量测内容测点数量测点埋设时间量测精度量测仪器量测元件观察周期和频率1观察对开挖面的围岩、地下

8、水、支护变形、开裂、建筑物的开裂、下沉、变形等1次/d2地表沉降126开挖面距量测断面10倍孔径时中误差0.5 mmNA2水准仪,铟钢尺开挖面距测断面大于5倍洞径:1次/周开挖面距测断面小于5倍洞径:1次/2 d开挖面距测断面小于2倍洞径:12次/d初步稳定后2最终稳定状态:12次/周3地下管线位移根据实际情况而定 同上 同上 同上4水平位移根据实际情况而定 同上0.5 mm钢弦频率仪多点位移计5拱顶下沉88施筑至设点断面中误差1 mmDSZ2水准仪,塔尺115 d:12次/d;1530 d:1次/2 d;13个月:12次/周;3个月后:13次/月6洞内周边收敛184施筑至设点断面0.1 mm

9、收敛仪7土层压力88根据实际情况选定量测断面后施筑至该选定断面0.5%F.SZXY22频率仪压力盒115 d:1次/d;1530 d:1次/2 d8钢架应力168 同上0.5%F.S手持应变仪应变计13个月:12次/周;3个月后:13次/月 表1中所设定的观测频率为正常情况下的固定频率,当出现异常情况,将根据现场实际情况增加观测频率。测点数量及布置参考规范要求和设计图纸,根据现场实际情况和量测的条件布置。2.2 监控量测的方法及测点布置2.2.1 基准点布设隧道测点断面布置图,如图1所示。根据设计文件、规范、有关资料和现场具体情况,在施工前进行观测基准点的布设。利用先期已经布设的GPS点和导线

10、点在1#、2#竖井工地附近各布设一个基准点,形成比较系统的水平、垂直位移量测网,基准点布置在远离隧道施工沉降区不小于30 m施工影响范围外的稳定面上,且保证相邻点位的通视。位移量测一般采用闭合路线或附和路线进行,便于往返校差,也利于基准点稳定性的检测。一般在基准点无破坏、移动的状况下,每35个月作一次基准点稳定性检测,以保证量测数据的精度要求。31 第3期 章劲松,等:超浅埋暗挖大跨度隧道监控量测技术图1 隧道测点断面布置图2.2.2 沉降观测利用基准点按设计要求和规范以及现场情况在隧道影响范围内布设测点,沿隧道8个洞室中线每5 m,垂直中线布置沉降观测断面,每个观测断面布置8个测点,测点间距

11、根据洞室间距而定,沿中线每10 m设一个观测大断面,即在原观测断面两端各加两个测点,间距为5 m;洞内净空收敛和拱顶下沉测点应与其在同一断面。沉降测点用钢钉嵌入地层或在地面标示红油漆点。布设点统一分类编号,并作初始观测值的测定,做好记录并作备份。沉降量测开始后对每一工程按既定频率用同一编号的量测仪器进行量测。针对布设点的数量、密度及精度要求,采用NA2精密水准仪(配铟钢尺)对隧道进行现场量测。沉降观测的初始数据获取:按同一水准路线同时观测两次,两次数据进行计算较差,其差值不超过 1.0 mm,则取其平均值为初始值。做好每次观测时的气象情况、施工速度和现场工况,供量测数据分析时参考。地表沉降的点

12、位大部分是在车流量较大的车道上,这就限定了沉降观测的时段,一般只能在晚上车流量减小时方可进行。2.2.3 隧道洞内水平收敛量测隧道上下台阶洞内水平收敛观测点的布置与各洞室地表测点在同一断面,测点加工时应保证测点与量测仪器连接圆滑密贴,埋设时保证测点锚栓与围岩或支护稳固连接,变形一致,并统一编号,做好明显警示标志,防止人为损坏,测点尽量靠近开挖面布置,离开挖面不得大于2 m,在每环初衬完成24 h以内,在下一循环开挖前,记录初次读数,以两次数据的平均值作为初始读数。采用jss30型数显收敛计进行量测,量测精度为0.1 mm。2.2.4 拱顶下沉量测拱顶下沉观测点与上台阶净空收敛观测点在同一断面内

13、,埋设时保证测点锚栓与围岩或支护稳定连接。测点尽量靠近开挖面布置,距开挖面不大于2 m,在每次初衬完成后24 h以内,在下一开挖循环开始前,初次记录读数,以两次平均值作为初始读数。利用工作基点使用水准测量方法观测,观测精度为1 mm。工作基准点设在竖井内,保证基点稳定可靠。2.2.5 隧道底部隆起量测观测点埋设在隧道底板,每个量测断面埋设3个点,利用拱顶下沉同一个基准点,采用水准测量方法观测。2.2.6 应力应变量测应力应变量测包括围岩及初次衬砌与二次衬砌界面间压力测试和支护结构内力测试。围岩及界面间压力盒的埋设选择有代表性的断面,每个断面22个压力盒,埋设时应保证压力盒与围岩密贴,埋设后将压

14、力盒的电缆线引出统一编号,并测得初始读数。支护内力测试采用钢筋应力计,在同一个格栅钢架上选择截面受拉,受压最大及拐点部位埋设。应力计的安设将所测受力主筋相应部位截去与钢筋应力计等长的部分,采用帮条双面焊将钢筋应力计与主筋焊成一整体。将钢筋应力计的电缆线统一编号,并测初始读数。2.2.7 地下管线位移量测对在隧道覆土层内,横跨隧道的铸铁煤气管41安徽建筑工业学院学报(自然科学版)第15卷和混凝土污水管,考虑到其不可操作性,只在管线通过隧道的正上方地表每3 m设置一个地表观测点,管线安全将通过地表沉陷的观测进行分析、判断。用精密水准仪配合铟钢尺对设置点位进行量测。2.3 量测数据处理量测数据采用以

15、下3种方法进行处理2:(1)列表法。根据量测的预期目的和内容,设计数据的规格和形式,利于数据的填写和比较,重要数据和计算结果表示突出,该方法用于平时的数据积累和单报表的填写。(2)图形表示法。在选定的坐标系中,根据量测数据画出几何图形来表示量测结果。该方法用于各阶段量测数据分析,直观、形象地反映量测项目的变化趋势,为分析报告的主要内容。(3)解析法。通过对量测数据的计算,求出各变量之间关系的经验公式(回归公式),推算出最终位移值。该方法用于阶段性的量测数据分析、预测,为分析预测、预报的主要内容。现场量测数据经过及时进行整理,绘制位移或应力的时态变化图,适时进行回归分析,以预测该测点可能出现的最

16、大位移或应力值,掌握位移及应力变化规律,评价施工、结构及可能影响的构筑物的安全度,通常采用的回归函数有=Aln(1+t)+B;=t/(A+Bt);=Ae-B/t;=A(e-Bt-e-Bt0);=Aln(B+t)/(B+t0)其中,为变形值(或应力值);A、B分别为回归系数;t、t0分别为测点的观测时间(d)。3 观测成果与分析3.1 地表沉降地表沉降典型横断面图,如图2所示,从中可以看出地表沉降较大,主要是在开挖阶段,右支护施作前的沉降和支护施作后及临时中隔墙拆除所够构成,根据现场及监测结构显示,在开挖过程中掌子面地表附近受影响的58 m范围内均产生沉降,其中掌子面正上方地表沉降速率最大,接近

17、5 mm/d,随掌子面向前掘进而逐渐稳定,在相临洞室开挖及下台阶开挖时,上台阶支护施作后的洞室地表仍然受到扰动而产生沉降,沉降速率接近3 mm/d。在整个隧道支护结束后,拆除临时支撑进行二次衬砌之前的过程中,地表将会产生一定程度的沉降,沉降从隧道中心向两边迅速衰减,最大沉降接近2 mm/d。具体见地表沉降速率历时曲线图,如图3所示。图2 地表沉降典型横断面图图3 地表沉降速率历时曲线图根据施工过程以及结构受力分析看,地表沉降主要原因归结为如下几点2,3:(1)围岩松散,前期地铁及上步路通道工程施工多次对围岩扰动,且拱部覆土大部分为人工素填土。(2)结构为平顶直墙,结构跨中受力较差。(3)开挖穿

18、越富水砂层,掌子面失水。(4)开挖步骤较多,围岩多次扰动。(5)管棚钻进过程中带水作业,拱部水土流失。(6)洞内临时支撑拆除所支护结构受力变形。(7)支护结构拱脚部位承载力不够强。(8)衬砌施工受条件影响不能及时封闭。3.2 隧道洞内水平收敛从隧道施工过程中对各洞室进行水平收敛量测来看,隧道水平收敛主要体现在隧道的支护强度上,在开挖支护结束后,喷射混凝土未达到设计强度之前,洞内水平收敛速率最大,如图4所示。待支护结构充分体现本身的强度后,水平收敛基本稳定。图4 隧道水平收敛历时曲线图3.3 拱顶下沉拱顶下沉主要体现在支护结构稳定前和支护结构稳定后的结构自稳两个方面,在隧道开挖支护未稳定前结构的

19、支护强度未能完全发挥,拱顶有所沉降,沉降速率由23 mm/d逐渐见小。支51 第3期 章劲松,等:超浅埋暗挖大跨度隧道监控量测技术护结构稳定后,结构底部承载力不够,会产生结构整体下沉而引起的拱顶沉降,在本工程支护过程中,加强对隧道底部及锁脚注浆加固,所以从拱顶典型断面沉降历时曲线和拱顶沉降速率历时曲线可以看出,拱顶在后期的沉降很小,如图5、图6所示。图5 拱顶典型断面沉降历时曲线图图6 拱顶沉降速率历时曲线图3.4 隧道底部隆起从监测的情况看,隧道底部隆起基本与拱顶下沉同步,但与同期拱顶下沉速率相比偏小。3.5 围岩与初次衬砌之间的接触应力围岩的土压力状态是隧道结构受力与安全的关键因素,可以动

20、态地了解在开挖与支护中围岩应力场的分布状态,有利于调整初次衬砌的参数,达到有效安全施工的目的。断面围岩接触应力大致分布,如图7所示。图7是应力盒埋设结束后的18 d围岩与初次衬砌之间的接触应力的结果,从中可以看出,围岩与初次衬砌接触应力最大的位置分布在隧底、拱顶拐角、拱底拐角位置,其应力在0.070.65 MPa。因此,在隧道施工中要加强这3个位置的监测力度,确保施工安全。图7 隧道围岩接触应力分布图3.6 钢拱架受力隧道钢拱架主要采用 28的主筋加工的格栅钢架,针对主筋的工作状态及受力情况,对部分格栅进行不同部位的主筋受力量测,格栅钢架的轴力分布如图8所示(图中“+”为受拉,“-”为受压),

21、从中可以看出,轴力较大值分布于隧道的侧墙、拱顶拐角、隧道底最大为119.237 MPa,说明在这些部位围岩的松弛较严重,致使格栅钢架有些部位受力大,所以在支护过程中要加强受力大的部位的注浆。图8 格栅钢架的轴力分布图4 结束语针对土体开挖围岩多次受扰动,产生地表沉降过大,原设计思想主要措施为超前大管棚支护、超前小导管注浆加固、掌子面及时封闭、临时型钢支撑、短台阶法施工,目的是稳定围岩、防止局部坍塌。从实施情况来看,上述措施难以达到预期的效果,特别软弱富水地层,将地表沉降控制在允许范围内是不现实的。可视具体情况选用如下措施4,5:水平旋喷桩;边墙超前小导管注浆;掌子面网喷混凝土封闭进行超前注浆;

22、井点降水;增设锁脚锚管注浆;增加临时型钢挂网喷射混凝土增强支护强度;改短台阶施工为微台阶施工;改格栅为型钢拱架及时起到支护效果。参考文献1 关宝树.隧道工程施工要点集M.北京:人民交通出版社,2003.2黄成光.公路隧道施工 M.北京:人民交通出版社,2002.3 王先义.城市复杂环境条件下特大跨浅(超浅)埋隧道施工 中 的 现 场 监 控 量 测 J.建 井 技 术,2002(6):22-25.4 朱新华,石 雷,马义庆.中深孔注浆技术在饱和富水砂层浅埋暗挖地道中的应用J.铁道标准设计,2005(4):56-58.5 黄 娟,王 伟,彭立敏.大跨浅埋隧道采用台阶法施工 的 安 全 性 评 估 J.西 部 探 矿 工 程,2004(12):105-107.6GB50007-2002,建筑地基基础设计规范S.61安徽建筑工业学院学报(自然科学版)第15卷