大跨度小凈距公路隧道施工監(jiān)測初探
2015-06-11
0引 言
近年來，現(xiàn)場量測與力學(xué)計算緊密配合，已形成了一整套監(jiān)控設(shè)計的原理與方法，這種通過在隧道施工過程中所進(jìn)行的現(xiàn)場量測獲得圍巖穩(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)計過程稱為“施工監(jiān)測”，和“信息化設(shè)計”，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，能結(jié)合現(xiàn)場量測技術(shù)、計算機(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)計進(jìn)口路面高程363.220m，出洞口里程為K2＋600，設(shè)計路面高程357.20m，全長為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（場地）土，塊石土及亞粘土屬中軟（場地）土，基巖為堅硬（場地）土。根據(jù)《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（JGJ004-98）判斷，隧道區(qū)場地類別為I～I(xiàn)II類，屬抗震有利地段。
隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點采用復(fù)合式襯砌。在施工過程中要求按設(shè)計進(jìn)行監(jiān)控量測，并對量測信息進(jìn)行處理、反饋，調(diào)整支護(hù)參數(shù)并貫穿于施工全過程。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，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)測目標(biāo)與內(nèi)容
2.1 監(jiān)控量測的一般規(guī)定
?。?）采用復(fù)合式襯砌的隧道，必須將現(xiàn)場監(jiān)控量測項目列入施工組織設(shè)計，并在施工中認(rèn)真實施。
（2）量測計劃應(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目的進(jìn)行編制。同時應(yīng)考慮量測費用的經(jīng)濟(jì)性，并注意與施工進(jìn)度相適應(yīng)。
?。?）監(jiān)控量測應(yīng)達(dá)到以下目的：
圖2施工監(jiān)測和信息化設(shè)計流程圖
其一，掌握圍巖和支護(hù)的動態(tài)信息并及時反饋，指導(dǎo)施工作業(yè)；
其二，通過對圍巖和支護(hù)的變位、應(yīng)力量測，修改支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計。
?。?）采用復(fù)合式襯砌的隧道、施工、設(shè)計單位必須緊密配合，共同研究，分析各項量測信息，確認(rèn)或修改設(shè)計參數(shù)。
2.2 量測內(nèi)容與方法
?。?）復(fù)合式襯砌的隧道應(yīng)按表1選擇量測項目。表1中1～4項為必測項目；5～11項為選測項目，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)場監(jiān)控測量項目及量測方法
注：B為隧道開挖寬度
?。?）隧道開挖后應(yīng)及時進(jìn)行圍巖、初期支護(hù)的周邊位移量測、拱頂下沉量測。當(dāng)圍巖差、斷面大或地表沉降控制嚴(yán)時宜進(jìn)行圍巖體內(nèi)位移量測和其它量測；
?。?）量測部位和測點布置，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、量測項目和施工方法等確定；
?。?）測點應(yīng)距開挖面2m的范圍內(nèi)盡快安設(shè)，并應(yīng)保證爆破后24h內(nèi)或下一次爆破前測讀初次讀數(shù)；
（6）測點的測試頻率應(yīng)根據(jù)圍巖和支護(hù)的位移速度及離開挖面的距離確定；
?。?）現(xiàn)場量測手段，應(yīng)根據(jù)量測項目及國內(nèi)量測儀器的現(xiàn)狀來選用。
3目標(biāo)隧道施工監(jiān)測方案設(shè)計
3.1監(jiān)控量測項目及其目的
?。?）地質(zhì)及支護(hù)狀況觀察。對所選擇的開挖面的巖性、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)測開挖面前方的地質(zhì)條件，并為判斷圍巖的穩(wěn)定性提供地質(zhì)資料；觀測有無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。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)時機(jī)，利用量測信息的反饋，判斷初期支護(hù)設(shè)計與施工方法是否穩(wěn)妥，從而達(dá)到修改設(shè)計和指導(dǎo)施工的目的。
?。?）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)定的時間。
?。?）圍巖內(nèi)部位移量測。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。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價錨桿的支護(hù)效果。
?。?）襯砌應(yīng)力的量測。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)長期使用的可靠性以及安全程度。
3.2 監(jiān)控量測斷面的擬定
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，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斷面，分別為A型、B型、C型、D型。
A型量測斷面（必測＋選測項目）：適用于隧道IV類圍巖段、洞口段及破碎帶。具體量測項目包括洞內(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、爆破振動測試。
B型量測斷面（必測＋部分選測項目）：適用于III類圍巖。具體量測項目包括洞內(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、爆破振動測試。
C量測斷面（全必測項目）：適用于隧道各類圍巖段。具體量測包括：洞內(nèi)地質(zhì)狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性觀測、凈空變位及拱頂下沉。
D型斷面量測（僅爆破振動測試）：D型斷面為振動波測試，適用于隧道各類圍巖段。設(shè)置該量測斷面的目的是為了測試后行洞在爆破中對先行洞的影響。
3.3 量測方法和測點布置
?。?）地質(zhì)狀況素描。對新開挖斷面的巖性、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。同時觀測有無錨桿被拉脫或墊板陷入圍巖內(nèi)部現(xiàn)象，錨桿和噴層有無施工質(zhì)量問題。
（2）水平收斂及拱頂下沉量測。在確定量測的新開挖的斷面拱頂及軸線左右設(shè)3個帶掛鉤的錨樁，測樁埋設(shè)深度30厘米，用快凝水泥或早強(qiáng)錨固劑固定，測樁頭設(shè)保護(hù)罩。用收斂計量測銅壁收斂位移。
（3）地表沉降觀測。在選定的量測斷面區(qū)域，先設(shè)置一個通視條件較好、測量方便、牢固的基準(zhǔn)點。測點布置在隧道軸線及其兩側(cè)，每個斷面根據(jù)實際情況設(shè)共7～11個測點。測量范圍為隧道底兩側(cè)向上45度與地表相交，測點埋設(shè)水泥樁，用紅色油漆做標(biāo)記，并予以編號，用精密水準(zhǔn)儀測量。
?。?）圍巖內(nèi)部位移及錨桿軸力量測。根據(jù)圍巖巖性實際情況，在隧道選取10個斷面，每個斷面在拱頂、拱腰、拱腳打5個測孔，孔深3.7～5米，孔徑φ50～φ60。每個測孔內(nèi)設(shè)4個測點并安裝上傳感器，每個斷面一共20個測點。用千分表讀取位移，用鋼筋計量測軸力。
?。?）初期支護(hù)與圍巖之間應(yīng)力、二次襯砌之間應(yīng)力量測。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 量測頻率和時間
對于每一斷面，在量測初期應(yīng)予以實時監(jiān)控，待應(yīng)力、應(yīng)變逐步穩(wěn)定后可降低量測頻率。
3.5 數(shù)據(jù)采集及儀器裝備
現(xiàn)場監(jiān)控量測工作人員根據(jù)規(guī)范和監(jiān)控量測計劃規(guī)定的頻率堅持每天到洞內(nèi)采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)及時繪出或輸入計算機(jī)進(jìn)行處理，如果發(fā)現(xiàn)量測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，則及時分析引起變化的原因，使問題能得到有效處理。
監(jiān)控量測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)測儀、隧道收斂計、百分表、錨桿測力計、壓力盒、爆破振動自記儀、機(jī)械式多點位移計、地質(zhì)羅盤、溫度計、速度傳感器（水平、垂直）等。
3.6 量測斷面的選擇
共埋設(shè)45個斷面，其中有3個A型斷面、5個B型斷面、35個C型斷面、2個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、爆破振動測試等方面的監(jiān)控量測。
4小結(jié)
首先，隧道在開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)部位移隨著測點深度的增加，圍巖相對位移明顯減少；中夾巖柱處的圍巖松動圈最大，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，而且左洞對應(yīng)的地表沉降明顯大于右洞，說明右洞的開挖對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)計方協(xié)商變更設(shè)計、施工，尤其要注意圍巖中的水對圍巖穩(wěn)定性的影響，應(yīng)及時進(jìn)行疏導(dǎo)、排除。
