鄭西客運專線秦東隧道1號斜井正洞施工監(jiān)控量測技術應用

劉 杰

(陜西鐵路工程職業(yè)技術學院,陜西渭南 714000)

1 工程概況

新建鐵路鄭州至西安客運專線是國務院批準《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“四縱四橫”客運專線之一的徐州至蘭州客運專線的組成部分,線路全長484.5 km。秦東隧道是鄭西鐵路客運專線三大重點隧道之一,位于陜西省潼關縣境內(nèi),隧道進口位于陜豫兩省交界處的楊家村坡地下,距連霍高速公路約100 m,出口位于潼洛溝內(nèi),起訖里程DK333+312～DK340+996,全長7 684 m,是鄭西客運專線進入陜西第一座長大隧道,設計為雙線大斷面黃土隧道,最大開挖斷面面積163.81 m2。

隧道所經(jīng)區(qū)域主要為黃土臺塬區(qū),塬頂平坦,開闊,整體上南高北低,塬頂?shù)孛娓叱淘?50～580 m。塬區(qū)周邊沖溝發(fā)育,切割深度100～200 m。大型沖溝有遠望溝,溝底寬度約3～5 m,溝心與線路夾角135°,溝呈“V”形,兩側(cè)坡面較陡,坡面小型淺層高角度滑坡、錯落發(fā)育,多有坍塌發(fā)生。

秦東隧道圍巖以砂質(zhì)黃土和粉質(zhì)黏土為主,其中Ⅳ級圍巖段長7 300 m。為滿足秦東隧道施工需要,設計3座斜井作為輔助坑道,其中1號斜井作為臨時通道,長992 m。1號斜井管段正洞起訖里程DK334+300～DK336+141,全長1 841 m。

2 監(jiān)控量測方案

在黃土隧道施工中,由于黃土具有本體強度低、自穩(wěn)能力差、受水影響強烈、圍巖變形顯著等特點,因而監(jiān)控量測對于該類隧道的施工安全尤為重要。根據(jù)秦東隧道1號斜井采用弧形導坑三臺階法分部開挖的施工特點,結(jié)合操作人員的技術水平、習慣等在現(xiàn)場主要采用了常規(guī)量測法和無尺量測法,其施工監(jiān)控量測流程見圖1。

圖1 施工監(jiān)控量測流程

2.1 施工監(jiān)測目的

現(xiàn)場監(jiān)控量測是“新奧法”設計施工的重要組成部分,施工須根據(jù)監(jiān)控量測情況實行動態(tài)控制。

(1)通過監(jiān)控量測了解各施工階段地層與支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化,判斷圍巖的穩(wěn)定性，支護、襯砌的可靠性。

(2)用現(xiàn)場實測的結(jié)果彌補理論分析過程中存在的不足,并把監(jiān)測結(jié)果反饋設計,指導施工,為修改施工方法,調(diào)整圍巖級別、修正支護設計參數(shù)提供依據(jù)。

(3)通過監(jiān)控量測對施工中可能出現(xiàn)的事故和險情進行預報,以便及時采取措施,防患于未然,確保支護體系的穩(wěn)定及施工人員的安全。

(4)通過監(jiān)控量測,判斷初期支護穩(wěn)定性,確定二次襯砌合理的施做時間。

(5)通過監(jiān)控量測了解該工程條件下所表現(xiàn)、反映出來的一些地下工程規(guī)律和特點,為今后類似工程或該施工方法本身的發(fā)展提供借鑒、依據(jù)和指導作用。

2.2 監(jiān)控量測實施原則

監(jiān)控與改進設計、指導施工相結(jié)合,以監(jiān)控工程安全為主。監(jiān)測將側(cè)重地質(zhì)條件差、結(jié)構(gòu)受力復雜及工程薄弱環(huán)節(jié)等重點部位,并將各監(jiān)測項目的測點(線)布設在該部位,設置成重點監(jiān)測斷面。

將重點監(jiān)測斷面與一般監(jiān)測斷面、臨時監(jiān)測斷面相結(jié)合,以重點監(jiān)測斷面為主。使用穩(wěn)定、可靠、新型、先進的觀測儀器設備。

所選擇的監(jiān)測項目應具有代表性和可信性,獲得的觀測資料能夠滿足反饋施工設施、綜合評價工程的工作狀態(tài)、預報和控制工程安全等要求。

2.3 監(jiān)控量測項目

根據(jù)本項目的工程規(guī)模、地質(zhì)條件、隧道埋深、開挖方法、設計要求等,擬訂監(jiān)控量測必測項目和選測項目,具體內(nèi)容見表1～表3。

表1 監(jiān)控量測必測項目

表2 監(jiān)控量測選測項目

表3 必測項目量測斷面間距和每斷面測點數(shù)量

2.4 監(jiān)控量測方法及要求

(1)洞內(nèi)、外觀測

洞內(nèi)觀察分為開挖工作面觀察和已施工地段觀察兩部分。

開挖工作面觀察應在每次開挖后進行,觀察中發(fā)現(xiàn)圍巖條件惡化時,應立即采取相應處理措施；觀察后應及時繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖、填寫開挖工作面地質(zhì)狀態(tài)記錄表和施工階段圍巖級別判定卡。

對已施工地段的觀察每天至少應進行1次,主要觀察噴射混凝土是否發(fā)生裂隙和剝離現(xiàn)象,錨桿的受力變形情況,鋼架是否受壓變形等。

洞外觀察包括地表開裂、地表沉陷、邊坡及仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲透情況等。

(2)水平凈空收斂量測

采用JSS30A或其他類型收斂計監(jiān)測。初期支護施做后,用煤礦螺旋鉆鑿φ40 mm、深700 mm的孔(其中伸入土體300 mm,外露不小于50 mm),用1∶1砂漿填滿再插入φ22 mm螺紋鋼端頭焊接掛鉤,盡量使同一基線兩測點的固定方向在同一直線上,待砂漿凝固后即可進行量測工作。

水平凈空收斂量測初讀數(shù)宜在3～6 h內(nèi)完成,測點應牢固可靠,并注意保護。

(3)拱頂下沉量測

拱頂下沉測點應盡量和水平凈空收斂點在同一斷面,每個斷面在拱頂布設1個測點。測點用煤礦螺旋鉆打眼,埋設固定桿,并在外露桿頭設掛鉤。

拱頂下沉量測初讀數(shù)宜在3～6 h內(nèi)完成,測點應牢固可靠,支護結(jié)構(gòu)施工時要注意保護觀測點,一旦發(fā)現(xiàn)測點被埋或損毀,要盡快重新布設以保證量測數(shù)據(jù)不中斷,量測基點應與洞內(nèi)外水準基點建立聯(lián)系。

(4)地表下沉量測

隧道淺埋地段地表下沉量測應與洞內(nèi)凈空變化和拱頂下沉在同一橫斷面內(nèi)。當?shù)乇碛薪ㄖ飼r,應在建筑物周圍增設地表下沉觀測點。

橫斷面方向應在隧道中線兩側(cè)每隔2～5 m布設地表下沉測點,每個斷面設7～11個點,監(jiān)測范圍應在隧道開挖影響范圍以內(nèi)。測點采用φ22 mm螺紋鋼,深入圍巖60～80 cm,外露5 cm,表面磨平并在表面打眼作標記。

地表下沉量測應在開挖工作面前方,隧道埋深及隧道開挖高度之和處開始,直到二次襯砌結(jié)構(gòu)封閉、下沉基本停止時為止。

地表下沉量測頻率應與拱頂下沉和凈空變化的量測頻率相同。地表下沉安全判定值以建筑物不出現(xiàn)裂縫為臨界值,根據(jù)鄭西客運專線[2006]169號文件通知暫以30 mm為限。

2.5 監(jiān)控量測斷面布置

秦東隧道1號斜井正洞施工監(jiān)控量測斷面布置及點位埋設方法,依據(jù)不同的施工監(jiān)控量測項目分別采取下列測點布置方式。

(1)水平收斂與拱頂下沉量測：Ⅳ級圍巖埋深較淺、含水量較大地段或第一次進入Ⅳ級圍巖地段,每10 m為一量測斷面；Ⅳ級圍巖一般地段,每20 m為一量測斷面,參見圖2。

圖2 弧形導坑三臺階法必測項目測點布置示意(單位：m)

(2)應力應變觀測：應力應變測點布置2個斷面(DK335+420、DK335+490),應力、應變元件布置參見圖3、圖4。

圖3 圍巖壓力元件布置

圖4 弧形導坑法鋼架應變測點布置示意

(3)地表下沉測量：在開挖工作面前方,隧道埋深及隧道開挖高度之和處開始埋設,地表沉降觀測斷面布設與洞內(nèi)量測斷面對應布設,參見圖5。

圖5 地表及地中位移測點布置示意(單位：m)

3 量測數(shù)據(jù)的處理

3.1 數(shù)據(jù)處理要求

(1)每次量測后應及時進行數(shù)據(jù)處理,并繪制量測時態(tài)曲線和與開挖面的關系圖。

(2)對初期的時態(tài)曲線應進行回歸分析,預測可能出現(xiàn)的最大值和變化速度。

(3)數(shù)據(jù)異常時,應及時上報工程部及監(jiān)理,以便進行動態(tài)設計、動態(tài)施工。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

量測數(shù)據(jù)的整理采用計算機管理,用Excel軟件及其他專用軟件對各種量測數(shù)據(jù)進行分析。

4 1號斜井進入正洞施工中監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的應用

4.1 利用量測信息,及時調(diào)整施工方案

1號斜井進入正洞后,按照弧形導坑三臺階法施工,設計初支預留沉降量為10 cm。當施工到23 m(里程DK335+450～DK335+473)時,量測發(fā)現(xiàn)拱頂在8～10 h之內(nèi)下沉了7～10 cm,最大累計下沉量達323 mm,此時初支表面出現(xiàn)裂紋,鎖腳錨管被拉開,經(jīng)研究立即停止了開挖施工并加強量測工作,及時對已開挖段采用扇形支撐臨時支護、增設鎖腳錨管予以加強。

(1)原因分析

經(jīng)過詳細地調(diào)查分析,最終確認下列主要原因：①大拱腳深度不夠；②型鋼腳板角度由設計的斜角變?yōu)槠浇牵虎郯惭b上部型鋼時腳板下未墊密實；④鋼架加工時預留沉降量小；⑤圍巖含水量過大；⑥噴射混凝土前鋼筋網(wǎng)片內(nèi)土塊未清理干凈；⑦型鋼未及時成環(huán)。

(2)調(diào)整支護參數(shù)及措施

根據(jù)上述主要原因及時調(diào)整支護參數(shù),在加強量測監(jiān)控的基礎上制定了嚴密措施：①將大拱腳由活動前的80 cm增加到120 cm；將大墻腳由活動前的50 cm增加到80 cm；②將型鋼腳板由活動前的傾斜角優(yōu)化為水平角；提高型鋼加工精度,現(xiàn)場安裝時應用螺栓將上下腳板連接牢固；③現(xiàn)場根據(jù)型鋼高度,準確開挖墊塊位置,嚴禁超挖。型鋼安裝后如果未墊密實,應加鋼板墊使型鋼腳板落在實處；含水量大于22%時在腳板下墊[25型鋼；④根據(jù)量測資料隨時調(diào)整型鋼預留沉降量,保證二襯斷面；⑤隨時測量圍巖含水量,含水量大于22%時在大拱腳處初支與圍巖接觸面處增設透水盲管,防止圍巖滲水浸泡型鋼腳板,使腳板下土體軟化；⑥噴混凝土前將鋼筋網(wǎng)片后的土塊清理干凈,并經(jīng)質(zhì)檢人員檢查合格后才可噴射混凝土；⑦仰拱開挖后及時安裝仰拱型鋼,使鋼架盡早成環(huán)；⑧保證開挖安全距離：仰拱距掌子面不超過30 m,仰拱距二襯不超過30 m。

(3)小結(jié)

圖6 弧形導坑三臺階法凈空位移時態(tài)曲線

1號斜井進入正洞上臺階施工后,由于圍巖含水量比設計偏大,在初期支護表面沒有任何變形痕跡的情況下由監(jiān)控量測數(shù)據(jù)得出該段局部地段拱頂沉降達到了323 mm,情況萬分危急。施工單位根據(jù)量測結(jié)果果斷采取了緊急預案,暫停掌子面開挖,采用扇形支撐加固初期支護、增設鎖腳錨管等措施,控制了圍巖變形。如現(xiàn)場量測DK335+640里程處的凈空位移時態(tài)曲線,參見圖6。開挖施工期間未出現(xiàn)質(zhì)量安全事故,并且提高了施工進度,保證了二襯厚度,確保了工程質(zhì)量,取得了良好的效果,避免了一次重大事故,節(jié)約的成本無法估量,并為以后的大斷面黃土隧道的施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

4.2 利用監(jiān)控量測結(jié)果,優(yōu)化工法的合理步距

1號斜井正洞富含水地段,屬于Ⅳ級圍巖,設計采用弧形導坑三臺階法施工。施工前,為有效控制圍巖變形,確定各步間的合理步長,建立三維有限元模型進行了數(shù)值計算：當步長為20 m時,開挖支護完成后隧道圍巖體水平位移最大值為12 cm,豎向位移最大值為15.4 cm；當步長為30 m時,隧道圍巖體水平位移最大值為17.2 cm,豎向位移最大值為18.4 cm。因此該段擬定仰拱距離開挖面30 m、二襯距離仰拱30 m的步長間距施工。參見圖7。

圖7 弧形導坑三臺階開挖施工示意(單位：m)

(1)本段圍巖變形情況分析

①含水量統(tǒng)計(表4)

表4 不同里程段含水量統(tǒng)計

②開挖、仰拱、二襯各步距與圍巖變形量的關系(表5)

表5 圍巖級別、隧道埋深、各工序步距與變形量的關系

(2)根據(jù)累計變形量確定各工序最佳步距

利用監(jiān)控量測結(jié)果,結(jié)合前述數(shù)值計算結(jié)論,再進一步細化各工法的合理步距。通過對量測數(shù)據(jù)的分析,1號斜井正洞富水段粉質(zhì)黏土,含水量平均為26.6%,埋深在213～222 m,仰拱距離開挖面20 m、二襯距離仰拱20 m時累計變形量小于趨近于150 mm,滿足設計預留變形量150 mm的要求。因此在Ⅳ級圍巖富水段采用仰拱距離開挖20 m、二襯距離仰拱20 m的步長間距施工。

(3)施工方案動態(tài)控制

1號斜井富含水地段,為了抑制圍巖的過大變形,除采取及時二次襯砌封閉成環(huán)外,還建議對初期支護進行局部加強,經(jīng)過設計院現(xiàn)場勘察后確定DK355+366～DK355+396采用Ⅳ級圍巖加強段初期支護參數(shù),DK355+396～DK355+516采用Ⅴ級圍巖初期支護參數(shù),DK355+516～DK355+543采用Ⅳ級圍巖加強段初期支護參數(shù),DK355+543～DK355+560采用Ⅴ級圍巖初期支護參數(shù)。確保了富含水地段的施工安全,也為后期隧道工后沉降不大于15 mm創(chuàng)造了條件。

(4)小結(jié)

Ⅳ級圍巖富水段,仰拱距離開挖面20 m、二襯距離仰拱20 m,累計變形量小于趨近于150 mm,滿足設計預留變形量150 mm的要求,是本段隧道施工的最佳步距選擇。Ⅳ級圍巖土的含水量≥25%時,還需要對Ⅳ級圍巖設計初期支護進行局部加強。

5 結(jié)語

量測是監(jiān)控的手段,監(jiān)控是量測的目的。在整個秦東隧道施工過程中堅持信息化施工,始終把監(jiān)控量測作為控制隧道施工最主要的手段,所有施工方案都以量測結(jié)果作為是否可行的判斷標準,確保了隧道施工快速、安全、優(yōu)質(zhì)和高效的實施。

大斷面鐵路客運專線黃土隧道施工,必須本著結(jié)構(gòu)和圍巖共同作用的原則,嚴格貫徹“早預報、管超前、非爆破、短開挖、少擾動、嚴治水、強支護、早封閉、勤量測、緊襯砌”的方針組織施工；應高度重視量測監(jiān)控在隧道信息化施工過程中的重要作用,施工中必須堅持把量測作為一道關鍵施工工序納入工序循環(huán),正確利用監(jiān)測信息及時反饋和指導施工決策,為隧道工程的設計、施工和經(jīng)營管理提供科學的數(shù)據(jù)依據(jù)。

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