簡述監控量測在偏壓淺埋隧道施工中的應用

萬國強

1 工程概況

玉蒙鐵路在施工中主要有兩座鐵路單線隧道為淺埋偏壓隧道,分別為錢家灣隧道、哨腳一號隧道,共計345 m為淺埋偏壓段,約占上述兩座隧道全長的50%,最小埋深為1.5 m,偏壓段地面最大傾角45°。隧道設計全部為Ⅴ級圍巖,圍巖破碎,多為灰質頁巖及強風化板巖。為保證隧道淺埋偏壓段的正常施工,指派專人嚴格按照有關規范,負責上述兩座隧道的監控量測。按照設計文件,Ⅴ級圍巖變形預留值為10 cm,但在施工過程中根據監控量測的數據及變形量,開挖調整預留變形值為20 cm～30 cm,確保了隧道的正常施工。

2 監控量測的項目及技術要求

2.1 隧道監控量測的項目

監控量測必測項目(TB 10204-2002/J 163-2002鐵路隧道施工規范):洞內、外觀察;凈空變化;拱頂下沉;地表下沉。

監控量測選測項目(TB 10204-2002/J 163-2002鐵路隧道施工規范):地表下沉;隧底隆起;圍巖內部位移;圍巖壓力;二次襯砌接觸壓力;鋼架受力;噴混凝土受力;錨桿桿體受力;二次襯砌內應力;爆破振動觀測;圍巖彈性波速度。

2.2 監控量測的技術要求

1)量測儀器、測試精度、斷面間距、測點數量。凈空變化測點和拱頂下沉點量測儀器、測試精度、量測斷面、間距測點數量見表1。

表1 量測儀器、測試精度、斷面間距、測點數量

2)凈空變化測點和拱頂下沉測點的布置要求。凈空變化測點和拱頂下沉測點應布置在同一斷面上,測點布置時應避開鋼架和脫空回填處,將測點布置在兩榀鋼架之間。凈空變化、拱頂下沉和地表下沉等必測項目必須布置在同一斷面上。

3)地表沉降點布置要求。地表沉降點橫向間距為2 m～5 m。在隧道中線附近測點應適當加密,隧道中線兩側量測范圍不應小于H0+b,地表有控制性建筑物時,量測范圍應適當加密。測點布置圖如圖1所示。

4)監控量測的頻率要求。應根據測點距開挖面的距離及位移速度按表2確定。

表2 量測頻率表

5)隧道位移基準要求見表3。

表3 位移控制基準

3 監控量測方法與作用

3.1 洞內、外觀察

洞內、外觀察可分為開挖工作面觀察和已施工地段觀察兩部分。其中,開挖工作面觀察應在每次開挖后進行,及時繪制開挖工作面地質素描圖、數碼成像、填寫工作面地質狀況記錄表,并與勘察資料進行對比;已施工地段,應記錄噴射混凝土、錨桿、鋼筋變形和二次襯砌等工作狀態。洞外觀察重點應在洞口段和洞身淺埋段,記錄地表開裂、地表變形、邊坡及仰坡穩定狀態、地表水滲漏情況等,同時還應對地面建筑物進行觀察。

3.2 凈空變化量測

根據圍巖條件確定量測間距埋設測點,并按規定量測頻率進行量測。主要原理:每次測出兩點間凈長,求出每次量測的增減量,即為此處凈空變化值。讀數讀三次,然后取其平均值,并記錄在規定的凈空記錄表。預埋測點由鋼筋加工而成,采用沖擊電錘或風鉆鉆孔,埋入鋼筋采用直徑不小于20 mm的螺紋鋼,前端外露鋼筋與埋入鋼筋焊接,直徑不小于6 mm,加工成180°彎鉤或三角形鉤。測點用錨固劑穩定,埋入圍巖深度不小于20 cm。

3.3 量測方法

1)收斂測點要求。檢查預埋測點有無損壞、松動,并將測點灰塵擦凈。

2)收斂測量方法。每次量測前檢查收斂儀讀數是否歸零,尺架兩端掛鉤是否緊密不松動。檢查完畢后把收斂儀的尺頭及尺架掛鉤分別固定在預埋點后將尺孔銷插入,用尺卡將尺與聯尺架固定后,調節螺母,記下鋼尺的基線長度和數顯讀數,再重復測讀兩次,每次讀數誤差不得大于0.05 mm,然后取三次讀數的平均值(注意每次開挖后12 h內取得初讀數)。

3)拱頂下沉量測。在隧道拱頂軸線附近通過焊接或鉆孔預埋測點。測點應與隧道外監控量測基準點進行聯測。拱頂下沉量測測點布置在拱頂,每斷面布置一點;量測時采用水準儀、塔尺或是鋼尺進行測量。每次開挖后12 h內取得初讀數。同一斷面每次測量必須采用同一基點。

4)地表下沉。地表下沉測量方法同拱頂下沉測量,在工程開挖前(隧道未進洞前)對每一個測點讀取初始值。首次觀測時,對測點進行三次觀測(三次讀數的差值要小于±1 mm),取平均讀數作為初始值。每個測點讀數誤差應不大于0.3 mm。

3.4 監控量測的作用

1)提供監控設計的依據和信息:掌握圍巖力學狀態的變化和規律;掌握支護的工作狀態信息并及時反饋,指導施工作業。2)預報及監視險情:做出工程預報,確定施工對策和措施;監視險情,以確保安全施工。3)校核地下工程理論計算結果、完善工程類比法;為理論解析、數值分析提供計算數據與對比指標;為工程類比提供參考指標;為地下工程設計與施工積累經驗資料。

4 監控量測在偏壓、淺埋隧道施工中的重要性

4.1 偏壓、淺埋隧道中的地質環境

隧道巖體或地層被開挖以前,一般來說總是穩定的,但在開挖過程中及開挖以后,由于原有平衡被打破,巖體性狀發生變化,人們直接觀察到的即是大部分巖體或遲或早將出現或大或小的坍落,有的洞壁還會發生明顯的內擠位移,這是修筑隧道經常會遇到的問題。

4.2 巖體的特性

巖體是在一定工程規模范圍內現實存在的自然地質體。由于長期經受各種地質作用,通常不是單一的巖石,而是呈現出各種各樣的地質構造形跡,即或多或少地存在性狀各異的層理面、節理面和裂縫面,我們把這些地質界面統稱為節理、結構面或不連續面。由于它的力學性質軟弱,又稱弱面。因此常說巖體是由被分割的結構體和眾多結構面組成的統一體。結構面的存在,使得巖體的破壞往往出現在這些軟弱面處,整體的力學性能遠差于其組成物——巖石,同時還會出現不均勻性及各向異性。

4.3 隧道新奧法施工程序

目前隧道施工大多采用新奧法施工,采用新奧法施工的隧道應視其規模、地質條件以及安全要求、施工方法,并充分利用現場監控、量測信息指導施工,嚴格施工程序,不得省略。新奧法的特征之一是采用現場監控,量測信息指導施工,即通過對隧道施工中量測數據和開挖面的地質觀察等進行預測、預報和反饋,并根據已建立的量測為基準,對隧道施工方法(包括特殊的、輔助的施工方法)、斷面開挖步驟及順序、初期支護的參數等進行合理調整,以保證施工安全、隧道圍巖穩定、工程質量和支護結構的經濟性等。

4.4 監控量測在隧道中的重要性

偏壓、淺埋隧道中巖體由于自重應力和側壓力的存在,且巖體存在不均勻性,或節理呈現不發育,遇水極易軟化等癥狀,造成隧道開挖初支后受巖體的初始應力(又稱地應力,是地層未受工程擾動時存在的天然應力)的影響,自穩性差,導致巖面位移,洞身側壁逐漸內移,造成洞身變形乃至坍塌。而監控量測是新奧法施工的核心,是監視圍巖穩定性,檢驗設計和施工是否正確合理及安全的重要手段。因此,保證隧道施工時為了及時掌握施工中圍巖穩定程度與支護受力、變形的力學動態或信息,以判斷設計與施工的安全與經濟,必須將現場監控量測項目列入施工組織計劃,并在施工中認真實施。

5 結語

在錢家灣隧道、哨腳一號隧道偏壓、淺埋施工中,利用監控量測技術及時掌握圍巖變形情況,根據量測數據及時進行回歸分析,把分析結果反饋到施工中,及時調整支護強度,取得了良好的施工效果,保證了兩座偏壓、淺埋隧道的順利施工。

[1]TB 10204-2002/J 163-2002,鐵路隧道施工規范[S].

[2]柴穎鵬.淺談隧道施工中的關鍵因素[J].山西建筑,2008,34(12):321-322.