大跨度小凈距公路隧道施工監(jiān)測(cè)初探
2015-06-11
0引 言
近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)與力學(xué)計(jì)算緊密配合，已形成了一整套監(jiān)控設(shè)計(jì)的原理與方法，這種通過(guò)在隧道施工過(guò)程中所進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)獲得圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)系統(tǒng)工作狀態(tài)的信息，然后將信息反饋于施工決策和支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程稱為“施工監(jiān)測(cè)”，和“信息化設(shè)計(jì)”，包含施工監(jiān)視的含義在內(nèi)。這種方法因其適應(yīng)地下工程的特點(diǎn)，能結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及巖土力學(xué)理論、在鐵路隧道、公路隧道和軍事地下工程等工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
1目標(biāo)大跨度小凈距公路隧道施工概況
目標(biāo)隧道采用平行雙洞式，單洞凈寬16m，洞高11.4m，呈北西--南東向展布，隧道里程K1＋710～K2＋600，進(jìn)洞口里程為K1＋710，設(shè)計(jì)進(jìn)口路面高程363.220m，出洞口里程為K2＋600，設(shè)計(jì)路面高程357.20m，全長(zhǎng)為890m，路面坡度0.7000 %。兩洞側(cè)壁間距6.959m。
目標(biāo)隧道區(qū)段覆蓋層厚0.00～2. 80m。填筑土為軟弱（場(chǎng)地）土，塊石土及亞粘土屬中軟（場(chǎng)地）土，基巖為堅(jiān)硬（場(chǎng)地）土。根據(jù)《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ004-98）判斷，隧道區(qū)場(chǎng)地類別為I～I(xiàn)II類，屬抗震有利地段。
隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)采用復(fù)合式襯砌。在施工過(guò)程中要求按設(shè)計(jì)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并對(duì)量測(cè)信息進(jìn)行處理、反饋，調(diào)整支護(hù)參數(shù)并貫穿于施工全過(guò)程。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，以錨桿濕噴鋼纖維混凝土等為初期支護(hù)，以鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土為二次襯砌，并根據(jù)不同的圍巖類別，輔以超前中空注漿錨桿和工字鋼拱架等輔助支護(hù)措施。
2大跨度小凈距公路隧道施工監(jiān)測(cè)目標(biāo)與內(nèi)容
2.1 監(jiān)控量測(cè)的一般規(guī)定
（1）采用復(fù)合式襯砌的隧道，必須將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目列入施工組織設(shè)計(jì)，并在施工中認(rèn)真實(shí)施。
?。?）量測(cè)計(jì)劃應(yīng)根據(jù)隧道圍巖條件、支護(hù)類型和參數(shù)、施工方法以及所確定的量測(cè)目的進(jìn)行編制。同時(shí)應(yīng)考慮量測(cè)費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性，并注意與施工進(jìn)度相適應(yīng)。
（3）監(jiān)控量測(cè)應(yīng)達(dá)到以下目的：
圖2施工監(jiān)測(cè)和信息化設(shè)計(jì)流程圖
其一，掌握圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)信息并及時(shí)反饋，指導(dǎo)施工作業(yè)；
其二，通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)的變位、應(yīng)力量測(cè)，修改支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
（4）采用復(fù)合式襯砌的隧道、施工、設(shè)計(jì)單位必須緊密配合，共同研究，分析各項(xiàng)量測(cè)信息，確認(rèn)或修改設(shè)計(jì)參數(shù)。
2.2 量測(cè)內(nèi)容與方法
?。?）復(fù)合式襯砌的隧道應(yīng)按表1選擇量測(cè)項(xiàng)目。表1中1～4項(xiàng)為必測(cè)項(xiàng)目；5～11項(xiàng)為選測(cè)項(xiàng)目，應(yīng)根據(jù)圍巖條件、地表沉降要求等確定；
?。?）爆破后應(yīng)立即進(jìn)行工程地質(zhì)與水文地質(zhì)狀況的觀察和記錄，并進(jìn)行地質(zhì)描述。地質(zhì)變化處和重要地段，應(yīng)有照片記載。初期支護(hù)完成后應(yīng)進(jìn)行噴層表面的觀察和記錄，并進(jìn)行裂縫描述；
表1隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)量項(xiàng)目及量測(cè)方法
注：B為隧道開(kāi)挖寬度
?。?）隧道開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行圍巖、初期支護(hù)的周邊位移量測(cè)、拱頂下沉量測(cè)。當(dāng)圍巖差、斷面大或地表沉降控制嚴(yán)時(shí)宜進(jìn)行圍巖體內(nèi)位移量測(cè)和其它量測(cè)；
?。?）量測(cè)部位和測(cè)點(diǎn)布置，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、量測(cè)項(xiàng)目和施工方法等確定；
?。?）測(cè)點(diǎn)應(yīng)距開(kāi)挖面2m的范圍內(nèi)盡快安設(shè)，并應(yīng)保證爆破后24h內(nèi)或下一次爆破前測(cè)讀初次讀數(shù)；
?。?）測(cè)點(diǎn)的測(cè)試頻率應(yīng)根據(jù)圍巖和支護(hù)的位移速度及離開(kāi)挖面的距離確定；
?。?）現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)手段，應(yīng)根據(jù)量測(cè)項(xiàng)目及國(guó)內(nèi)量測(cè)儀器的現(xiàn)狀來(lái)選用。
3目標(biāo)隧道施工監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)
3.1監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及其目的
?。?）地質(zhì)及支護(hù)狀況觀察。對(duì)所選擇的開(kāi)挖面的巖性、巖層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面、溶洞、斷層等工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況以及初期支護(hù)完成后噴層表面的裂縫狀況進(jìn)行觀察和描述；預(yù)測(cè)開(kāi)挖面前方的地質(zhì)條件，并為判斷圍巖的穩(wěn)定性提供地質(zhì)資料；觀測(cè)有無(wú)錨桿被拉脫或墊板陷入圍巖內(nèi)部現(xiàn)象，分析初期支護(hù)的可靠程度。
?。?）隧道周邊水平收斂和拱頂下沉量測(cè)。為判斷隧道穩(wěn)定性提供可靠信息；以圍巖變位速率為二次襯砌提供合理的支護(hù)時(shí)機(jī)，利用量測(cè)信息的反饋，判斷初期支護(hù)設(shè)計(jì)與施工方法是否穩(wěn)妥，從而達(dá)到修改設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的目的。
（3）地表沉降。了解地表下沉的范圍以及下沉量的大小、地表下沉量隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律、地表下沉穩(wěn)定的時(shí)間。
?。?）圍巖內(nèi)部位移量測(cè)。了解隧道圍巖松弛區(qū)、位移量及圍巖應(yīng)力隨深度的分布；了解圍體內(nèi)位移范圍，判斷錨桿長(zhǎng)度是否適宜；為準(zhǔn)確判斷圍巖的變形發(fā)展提供數(shù)據(jù)。
?。?）錨桿軸力量測(cè)。了解錨桿受力狀態(tài)，為確定合理的錨桿參數(shù)提供依據(jù)；判斷錨桿布置是否合理以及評(píng)價(jià)錨桿的支護(hù)效果。
?。?）襯砌應(yīng)力的量測(cè)。了解噴層的變形特性以及噴層所受應(yīng)力的大小，判斷復(fù)合式襯砌中圍巖荷載大小以及初期支護(hù)與二次襯砌各自分擔(dān)圍巖壓力情況，量測(cè)二襯應(yīng)力以及噴混凝土層內(nèi)軸向應(yīng)力，了解二次襯砌的受力狀態(tài)；判斷噴層的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的可靠性以及安全程度。
3.2 監(jiān)控量測(cè)斷面的擬定
根據(jù)隧道工程地質(zhì)情況和大跨度小凈距隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，為滿足隧道數(shù)據(jù)采集和保證施工安全，根據(jù)圍巖類別與支護(hù)類型將其分為四種量測(cè)斷面，分別為A型、B型、C型、D型。
A型量測(cè)斷面（必測(cè)＋選測(cè)項(xiàng)目）：適用于隧道IV類圍巖段、洞口段及破碎帶。具體量測(cè)項(xiàng)目包括洞內(nèi)地質(zhì)與支護(hù)觀察、凈空變位及拱頂下沉、圍巖內(nèi)部位移、錨桿軸力、鋼支撐應(yīng)力、初期支護(hù)與圍巖之間的壓力、初期支護(hù)與二次襯砌之間的壓力、爆破振動(dòng)測(cè)試。
B型量測(cè)斷面（必測(cè)＋部分選測(cè)項(xiàng)目）：適用于III類圍巖。具體量測(cè)項(xiàng)目包括洞內(nèi)地質(zhì)與支護(hù)結(jié)構(gòu)觀察、凈空變位及拱頂下沉、圍巖內(nèi)部位移、錨桿軸力、初期支護(hù)與圍巖之間的壓力、初期支護(hù)與二次襯砌之間的壓力、爆破振動(dòng)測(cè)試。
C量測(cè)斷面（全必測(cè)項(xiàng)目）：適用于隧道各類圍巖段。具體量測(cè)包括：洞內(nèi)地質(zhì)狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性觀測(cè)、凈空變位及拱頂下沉。
D型斷面量測(cè)（僅爆破振動(dòng)測(cè)試）：D型斷面為振動(dòng)波測(cè)試，適用于隧道各類圍巖段。設(shè)置該量測(cè)斷面的目的是為了測(cè)試后行洞在爆破中對(duì)先行洞的影響。
3.3 量測(cè)方法和測(cè)點(diǎn)布置
?。?）地質(zhì)狀況素描。對(duì)新開(kāi)挖斷面的巖性、巖層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面、斷層等工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況以及初期支護(hù)完成后噴層表面的裂縫狀況進(jìn)行觀察和描述。同時(shí)觀測(cè)有無(wú)錨桿被拉脫或墊板陷入圍巖內(nèi)部現(xiàn)象，錨桿和噴層有無(wú)施工質(zhì)量問(wèn)題。
?。?）水平收斂及拱頂下沉量測(cè)。在確定量測(cè)的新開(kāi)挖的斷面拱頂及軸線左右設(shè)3個(gè)帶掛鉤的錨樁，測(cè)樁埋設(shè)深度30厘米，用快凝水泥或早強(qiáng)錨固劑固定，測(cè)樁頭設(shè)保護(hù)罩。用收斂計(jì)量測(cè)銅壁收斂位移。
?。?）地表沉降觀測(cè)。在選定的量測(cè)斷面區(qū)域，先設(shè)置一個(gè)通視條件較好、測(cè)量方便、牢固的基準(zhǔn)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置在隧道軸線及其兩側(cè)，每個(gè)斷面根據(jù)實(shí)際情況設(shè)共7～11個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量范圍為隧道底兩側(cè)向上45度與地表相交，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)水泥樁，用紅色油漆做標(biāo)記，并予以編號(hào)，用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量。
?。?）圍巖內(nèi)部位移及錨桿軸力量測(cè)。根據(jù)圍巖巖性實(shí)際情況，在隧道選取10個(gè)斷面，每個(gè)斷面在拱頂、拱腰、拱腳打5個(gè)測(cè)孔，孔深3.7～5米，孔徑φ50～φ60。每個(gè)測(cè)孔內(nèi)設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)并安裝上傳感器，每個(gè)斷面一共20個(gè)測(cè)點(diǎn)。用千分表讀取位移，用鋼筋計(jì)量測(cè)軸力。
?。?）初期支護(hù)與圍巖之間應(yīng)力、二次襯砌之間應(yīng)力量測(cè)。沿隧道周邊拱頂、拱腰埋設(shè)傳感器，將壓力盒分別埋設(shè)在圍巖與噴射混凝土之間、噴射混凝土與二次襯砌之間。圍巖與噴射混凝土之間的應(yīng)力盒在噴射混凝土之前埋設(shè)，噴射混凝土與二次襯砌之間的應(yīng)力盒在掛防水板之前進(jìn)行安裝。
3.4 量測(cè)頻率和時(shí)間
對(duì)于每一斷面，在量測(cè)初期應(yīng)予以實(shí)時(shí)監(jiān)控，待應(yīng)力、應(yīng)變逐步穩(wěn)定后可降低量測(cè)頻率。
3.5 數(shù)據(jù)采集及儀器裝備
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)工作人員根據(jù)規(guī)范和監(jiān)控量測(cè)計(jì)劃規(guī)定的頻率堅(jiān)持每天到洞內(nèi)采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)繪出或輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，如果發(fā)現(xiàn)量測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，則及時(shí)分析引起變化的原因，使問(wèn)題能得到有效處理。
監(jiān)控量測(cè)儀器及主要傳感器如下：精密水準(zhǔn)儀、全站儀、振弦頻率監(jiān)測(cè)儀、隧道收斂計(jì)、百分表、錨桿測(cè)力計(jì)、壓力盒、爆破振動(dòng)自記儀、機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)、地質(zhì)羅盤(pán)、溫度計(jì)、速度傳感器（水平、垂直）等。
3.6 量測(cè)斷面的選擇
共埋設(shè)45個(gè)斷面，其中有3個(gè)A型斷面、5個(gè)B型斷面、35個(gè)C型斷面、2個(gè)D型斷面，并進(jìn)行了地質(zhì)調(diào)查、水平收斂、拱頂下沉、圍巖內(nèi)部位移、錨桿軸力、圍巖接觸應(yīng)力、爆破振動(dòng)測(cè)試等方面的監(jiān)控量測(cè)。
4小結(jié)
首先，隧道在開(kāi)挖期間圍巖水平收斂、拱頂總沉降量和圍巖變形速率都在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，而且圍巖的變形最終都趨于穩(wěn)定；
其次，圍巖內(nèi)部位移隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加，圍巖相對(duì)位移明顯減少；中夾巖柱處的圍巖松動(dòng)圈最大，接近3.5m，圍巖穩(wěn)定性差。隧道進(jìn)口段地表沉降在隧道拱頂正上方的地面沉降最大，而且左洞對(duì)應(yīng)的地表沉降明顯大于右洞，說(shuō)明右洞的開(kāi)挖對(duì)左洞的地表沉降有明顯的影響；
然后，中夾巖柱處的錨桿軸力最大，在中夾巖柱處，錨桿起到了很好的錨固效果，對(duì)圍巖的穩(wěn)定起到了很重要的作用。接觸應(yīng)力一般在拱頂相對(duì)較大，而兩側(cè)的拱腰壓力則較少，圍巖與混凝土襯砌粘結(jié)密室。
最后，設(shè)計(jì)方協(xié)商變更設(shè)計(jì)、施工，尤其要注意圍巖中的水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行疏導(dǎo)、排除。
