武廣鐵路客運(yùn)專線隧道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)

李 輝,李 琪,劉慶豐

(中鐵四局集團(tuán)有限公司,合肥 230023)

1 工程概況

金沙洲隧道位于剝蝕殘丘與沖積平原交接地帶,其出口段在廣州西環(huán)高速公路潯峰洲收費(fèi)站范圍內(nèi),地勢(shì)相對(duì)較為平坦,屬珠江三角洲沖積平原地貌單元及剝蝕殘丘陵地貌單元;地表主要為高速公路、地方道路、農(nóng)田、魚塘、果園及苗圃,小河渠、小涌較發(fā)育,地質(zhì)狀況復(fù)雜多變,地下水主要賦存于沖積砂層和石灰?guī)r溶洞、裂隙中,地下水豐富,補(bǔ)給方式主要通過(guò)大氣降水。周邊建筑物主要有工廠、民宅等,隧道開挖對(duì)周邊建筑物、公用設(shè)施的影響大,為了既要保證隧道施工安全,又要保證鄰邊建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施的安全,必須采用多種監(jiān)控量測(cè)手段,做到動(dòng)態(tài)管理、精準(zhǔn)預(yù)測(cè),提前采取應(yīng)對(duì)措施。

2 量測(cè)內(nèi)容

2.1 周邊位移

對(duì)于洞內(nèi)周邊位移的變形量測(cè),注意以下兩點(diǎn):①凈空變形量測(cè)斷面的間距應(yīng)根據(jù)圍巖級(jí)別、隧道斷面尺寸、埋置深度及工程重要性等確定,宜為 5～30 m。②凈空變形量測(cè)應(yīng)在每次開挖后 12 h內(nèi)讀取,最遲不得大于 24 h,而且在下一循環(huán)開挖前,必須完成初始讀數(shù)。對(duì)于洞外明挖段周邊位移的變形量測(cè),通過(guò)對(duì)基坑兩側(cè)的冠梁位移、橫向支撐軸力、圍護(hù)樁樁體測(cè)斜位移以及基坑兩側(cè)的水平收斂等幾個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行多方向,全方位立體監(jiān)測(cè),并及時(shí)將各項(xiàng)數(shù)據(jù)整理,納入數(shù)據(jù)庫(kù),互相比較,互相結(jié)合,綜合分析,建立動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)鏈,一方面通過(guò)生成圖像來(lái)清晰地表達(dá)基坑側(cè)壁變形規(guī)律,對(duì)基坑的穩(wěn)定性作出準(zhǔn)確判斷,明確工程施工對(duì)原始地層的影響程度及可能產(chǎn)生失穩(wěn)的薄弱環(huán)節(jié),另一方面通過(guò)監(jiān)測(cè)了解隧道主體結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變位狀態(tài),對(duì)其安全穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

金沙洲隧道圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè),明挖段冠梁位移觀測(cè)樁埋設(shè)在梁體沿隧道走向中心線處,一般每 10 m布設(shè)一個(gè)點(diǎn),樁體測(cè)斜管一般每 50 m布設(shè)一根,測(cè)斜管布置于基坑的兩側(cè)。管埋深不小于圍護(hù)樁深度,施工時(shí)將測(cè)斜管綁扎于鋼筋籠上,并保證其初始埋設(shè)鉛垂向下,同一孔間距 0.5 m,并與位移觀測(cè)樁設(shè)置于同一里程斷面,這樣有利于數(shù)據(jù)的分析判斷。基坑開挖后開始實(shí)施冠梁位移的監(jiān)測(cè),并和樁體測(cè)斜同時(shí)觀測(cè)。樁體測(cè)斜采用測(cè)斜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,并通過(guò)計(jì)算機(jī)分析后,導(dǎo)出樁體測(cè)斜位移圖,觀察樁體位移隨開挖深度增加的一個(gè)變形趨勢(shì)。

隧道橫向支撐體系監(jiān)測(cè),基坑開挖后需要對(duì)基坑兩側(cè)施加橫向支撐,用來(lái)分擔(dān)一部分土體側(cè)壓力和水壓力,與圍護(hù)樁共同受力,為準(zhǔn)確地了解圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)的變形情況,對(duì)支撐體系的軸力進(jìn)行輔助觀測(cè),軸力計(jì)的安裝分別置于鋼支撐的兩側(cè),監(jiān)測(cè)斷面全部支撐(包括換撐)均布設(shè),測(cè)點(diǎn)布置于支撐靠近端頭處,其它設(shè)計(jì)軸力較大部位可酌情加密布設(shè)(見圖1)。通過(guò)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù),根據(jù)計(jì)算結(jié)果的正負(fù),來(lái)判定軸應(yīng)力的方向,并借助樁體測(cè)斜位移偏量大小及方向來(lái)判斷基坑側(cè)壁的穩(wěn)定性。

2.2 拱頂下沉

根據(jù)金沙洲隧道的施工工法、洞內(nèi)地質(zhì)條件等各方面綜合考慮,實(shí)際量測(cè)中采用每 5～10 m一個(gè)斷面,一個(gè)斷面 5個(gè)測(cè)點(diǎn),兩條基線對(duì)相對(duì)凈空收斂和拱頂下沉進(jìn)行量測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

2.3 洞內(nèi)外地質(zhì)和洞內(nèi)支護(hù)情況

圖1 基坑監(jiān)測(cè)樁布置(單位:cm)

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意

在開挖后及初期支護(hù)后進(jìn)行觀察并描述隧道圍巖地質(zhì)、地下水情況、初期支護(hù)情況。在觀察過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件惡化、初期支護(hù)發(fā)生異常現(xiàn)象,應(yīng)立即采取應(yīng)急措施,并派專人進(jìn)行不間斷地觀察。由于金沙洲隧道地質(zhì)條件差,地層中巖隙水發(fā)育極為豐富,開挖過(guò)程中易引起突泥突水,因此在隧道周邊通過(guò)井點(diǎn)降水降低地下水位,才能保證基坑內(nèi)部作業(yè)的順利開展,同時(shí)為了防止降水施工對(duì)地下管線、建筑物等周圍環(huán)境條件、居民生活帶來(lái)不利的影響,如地表塌陷,建筑物下沉等人為的地質(zhì)災(zāi)害,地下水位監(jiān)測(cè)也就成了必不可少的日常觀測(cè)項(xiàng)目。對(duì)于水位觀測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置一般情況沿隧道走向布置,每隔 50 m一個(gè)斷面,在中線左右各設(shè)一個(gè)。另外對(duì)于隧道地表周邊有敏感性建筑物群的要在建筑物周邊也要臨時(shí)性的布設(shè)觀測(cè)點(diǎn),并在隧道周邊水位有明顯變化時(shí)實(shí)施監(jiān)測(cè)。

2.4 地表下沉

地表下沉量測(cè)應(yīng)根據(jù)隧道埋置深度、地質(zhì)條件、地表有無(wú)建筑物、所采用的開挖方式等因素確定。在金沙洲隧道D K 2 196+100～D K 2 196+300這一里程段,隧道D K 2 196+110～D K2196+300段埋深較淺,拱頂覆蓋土厚 9.5～15.0 m,地層為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖淤泥,淤泥呈流塑狀,主要成份為黏粒,含少量有機(jī)質(zhì)、腐殖物,屬高壓縮性土,土質(zhì)不均勻,土體受到擾動(dòng)后抗剪和抗壓強(qiáng)度大幅度削弱,穩(wěn)定性極差,洞身開挖過(guò)程中易引起坍落,地表下陷,且隧道上方為西環(huán)高速公路匝道和地方交通要道。綜合各方面因素,在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中采取了加密措施,采用 5 m一個(gè)量測(cè)斷面,一個(gè)斷面 7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),量測(cè)范圍從隧道開挖面前方 H+h(隧道埋深 +隧道高度)開始,直至襯砌結(jié)構(gòu)封閉,其它里程段一般采用 10 m一個(gè)斷面。

3 量測(cè)手段及頻率

3.1 量測(cè)方法

測(cè)量工作在硬件配置選取上,金沙洲隧道采用國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的高精度徠卡 1200a進(jìn)行,并且安裝高科技軟件,在測(cè)量方法上選取了無(wú)尺量測(cè),對(duì)隧道拱頂下沉和周邊位移進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐結(jié)果表明,這種方法直接、簡(jiǎn)單、可靠,無(wú)形之中大大提高了工作效率和結(jié)果的精確性,去除了繁瑣的環(huán)節(jié),同時(shí)也避免了老式儀器如鋼尺收斂?jī)x人為原因造成的測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差偏大。此種量測(cè)手段對(duì)于情況復(fù)雜多變的隧道監(jiān)測(cè)工作是一種行之有效的解決方法。如在洞內(nèi)周邊位移的量測(cè)中,利用了后方交會(huì)原理,在測(cè)點(diǎn)上預(yù)埋了反射片 A、B,通過(guò)激光測(cè)距,直接在儀器上讀出兩測(cè)點(diǎn)的距離 L,計(jì)算結(jié)果精度可達(dá)到 0.01 mm,這種方法很大程度上節(jié)省了時(shí)間。

對(duì)于洞外地表的沉降監(jiān)測(cè),就采用了較為傳統(tǒng)的方法,利用了普通水準(zhǔn)儀和塔尺進(jìn)行量測(cè),儀器精度為1 mm,開始量測(cè)前布置好測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn),并測(cè)量測(cè)點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)的相對(duì)高程,最后算出測(cè)點(diǎn)絕對(duì)高程。

由于隧道的開挖極易引起地下水水位的變化,特別是承壓層水位的改變,水位儀是這項(xiàng)工作主要設(shè)備,主要原理是通過(guò)水位孔的高程,和水位儀上的一個(gè)初始讀數(shù),得出地下水水位的一個(gè)初始值,隨著隧道內(nèi)的施工,開始不間斷的觀測(cè)水位儀的讀數(shù),并對(duì)降水井設(shè)備不斷加以調(diào)整,使地下水水位的變化處于一個(gè)較為平衡的狀態(tài)。

3.2 量測(cè)頻率(見表1)

隧道施工過(guò)程中,短期之內(nèi),量測(cè)頻率基本保持不變,以方便日后對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析。直至計(jì)算機(jī)分析處理結(jié)果顯示相對(duì)穩(wěn)定后,可適當(dāng)降低觀測(cè)頻率,把節(jié)約出來(lái)的時(shí)間投入到其他更需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域中去;但當(dāng)出現(xiàn)下列任一條件時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)觀測(cè)。

1)實(shí)際開挖地質(zhì)條件變差。

2)觀測(cè)值達(dá)到報(bào)警指標(biāo)。

3)觀測(cè)值速率加快。

4)出現(xiàn)危險(xiǎn)事故征兆時(shí)。

表1 拱頂下沉及凈空變化量測(cè)頻率表

4 量測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析

1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行處理和計(jì)算機(jī)入庫(kù),并繪制時(shí)態(tài)曲線(或散點(diǎn)圖)。

2)當(dāng)位移—時(shí)間曲線趨于平緩時(shí),應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或回歸分析,以推算最終位移和掌握位移變化規(guī)律。分析中采用數(shù)學(xué)上常用的回歸分析法,對(duì)量測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)分析,從而掌握圍巖變化規(guī)律;采用的回歸函數(shù)有三個(gè):①指數(shù)函數(shù) U=a e-(b/T);②對(duì)數(shù)函數(shù) U=a+b/l g(1+T);③雙曲線函數(shù) U=T/(a+b T)。

3)通過(guò)對(duì) N天的實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行回歸分析,計(jì)算出三種函數(shù)的相關(guān)系數(shù),并選取相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值最趨于一函數(shù),來(lái)預(yù)測(cè)圍巖的最終變化值。

4)二次襯砌的施作應(yīng)滿足下列要求時(shí)進(jìn)行:

①各測(cè)試項(xiàng)目的位移速率明顯收斂,圍巖基本穩(wěn)定;

②已產(chǎn)生的各項(xiàng)位移已達(dá)預(yù)計(jì)總位移量的 80%～90%;

③周邊位移速率 ＜0.1～0.2 mm/d,或拱頂下沉速率 ＜0.07～0.15 mm/d。

實(shí)例一:以金沙洲隧道二號(hào)豎井D K 2 196+120斷面為例,進(jìn)行回歸分析,預(yù)測(cè)該斷面多少天后,圍巖基本穩(wěn)定。

根據(jù)新奧法施工的隧道穩(wěn)定規(guī)律,拱頂下沉不會(huì)無(wú)限制地增大而會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定值。建立沉降(U)隨時(shí)間(T)發(fā)展的時(shí)態(tài)函數(shù),并根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)分別建立三個(gè)一元非線性函數(shù) U1=a+b/l g(1+T)、U2=a e-(b/T)、進(jìn)行回歸分析(見表2=8 565.197,

三個(gè)方程為非線性方程,將其轉(zhuǎn)化為線性方程,通過(guò)以上回歸值求的各方程的系數(shù)

U1=a+b/l g(1+T),a=210.713,b=63.9

U2=a e-(b/T),a=187.643,b=-2.197

U3=T/(a+b T),a=0.038,b=0.002

以上三個(gè)方程線性相關(guān)系數(shù)依次為 r1=0.554,r2=-0.986,r3=0.991,可以看出 U3的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最靠近1,說(shuō)明通過(guò)函數(shù) U3來(lái)反映 V-t之間的關(guān)系是最合理的,因?yàn)樗鼈冎g的線性關(guān)系最密切,回歸精度較高,故選用該回歸函數(shù)來(lái)預(yù)測(cè),回歸平均值 U=135.75,標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù) Sr=(S/U)×100%=4.55%。處理結(jié)果為由雙曲線函數(shù) U3=T/(0.038+0.002T),推算出基本穩(wěn)定時(shí)間 70 d以后,圍巖最終沉降量 Umax=462.41 mm。由實(shí)測(cè)值曲線圖可以看出圍巖最終沉降值在 370 mm上下浮動(dòng),其沉降率已達(dá) 80.05%≥80%;沉降速率已達(dá) 0.13 mm/d≤0.2 mm/d,故可判斷圍巖基本穩(wěn)定。

評(píng)定結(jié)果:該段圍巖較差,初期支護(hù) 70 d以后該圍巖沉降完成,形成自穩(wěn),施作二次襯砌后,結(jié)構(gòu)基本不受力。同時(shí)從實(shí)測(cè)值與回歸計(jì)算值相比較看出,除個(gè)別點(diǎn)外,大多數(shù)相差較小,觀測(cè)結(jié)果較為可靠。

表2 統(tǒng)計(jì)表 mm

5 監(jiān)控量測(cè)的質(zhì)量管理

為確保施工監(jiān)測(cè)質(zhì)量,真正做到信息化指導(dǎo)施工,確保施工安全,必須嚴(yán)格按照以下措施進(jìn)行操作。

1)成立監(jiān)測(cè)管理小組,實(shí)行監(jiān)測(cè)質(zhì)量專人責(zé)任制,由有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)監(jiān)測(cè)人員組成,制訂實(shí)施性計(jì)劃使監(jiān)測(cè)按計(jì)劃有步驟地進(jìn)行;

2)工程開工前,充分調(diào)查施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)狀況,并確定合理的警戒值,匯編成資料,上報(bào)監(jiān)理部門審批。施工中當(dāng)發(fā)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象接近或超過(guò)警戒監(jiān)測(cè)值時(shí),應(yīng)立即報(bào)告監(jiān)理,并提出應(yīng)急補(bǔ)救措施;

3)觀測(cè)前,對(duì)所有儀器設(shè)備必須按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)和校核,確保儀器的穩(wěn)定可靠和觀測(cè)的精度;

4)觀測(cè)中,采用增加測(cè)回?cái)?shù)的辦法,保證初始值的準(zhǔn)確性;

5)制訂各點(diǎn)位的保護(hù)措施。定期對(duì)使用的基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性檢測(cè),有懷疑時(shí)立即進(jìn)行復(fù)核,如有問(wèn)題應(yīng)及時(shí)處理,監(jiān)測(cè)時(shí)采用相同的觀測(cè)路徑及方法;

6)建立監(jiān)測(cè)復(fù)核制度,確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠;

7)每個(gè)工程項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)資料必須保持有完整、清晰的監(jiān)測(cè)記錄、圖表、曲線及監(jiān)測(cè)文字報(bào)告。

6 金沙洲隧道監(jiān)控量測(cè)取得的實(shí)施效果

在測(cè)量制度上嚴(yán)格的按照監(jiān)控量測(cè)大綱標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量工作,動(dòng)態(tài)管理隧道開挖掘進(jìn)過(guò)程中的圍巖變形情況,必要時(shí)尚要加密測(cè)量頻率。

在測(cè)量數(shù)據(jù)處理上積極的探索新方法,如指定專人負(fù)責(zé),明確分工,誰(shuí)測(cè)量誰(shuí)計(jì)算,計(jì)算后由測(cè)量主管進(jìn)行復(fù)核,復(fù)核無(wú)誤以手機(jī)短信的形式,發(fā)到相關(guān)負(fù)責(zé)人的手機(jī)上。對(duì)于突發(fā)或較大的變化時(shí),進(jìn)行及時(shí)的復(fù)測(cè)。對(duì)于變換不大,符合要求的情況下,由監(jiān)控量測(cè)資料員進(jìn)行匯總,制作成監(jiān)測(cè)快報(bào)的形式。

7 結(jié)語(yǔ)

在地下工程諸如此類大跨徑淺埋隧道,為保證地下工程施工及周邊環(huán)境安全,需要建立一套嚴(yán)密、科學(xué)的監(jiān)測(cè)體系,在施工過(guò)程中通過(guò)對(duì)隧道及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解圍巖、支護(hù)變形情況,并加以分析、判斷、預(yù)測(cè),以便及時(shí)調(diào)整和修正支護(hù)參數(shù),保證圍巖穩(wěn)定和施工安全;提供判斷圍巖和支護(hù)系統(tǒng)基本穩(wěn)定的依據(jù),合理安排工序確定二次混凝土襯砌施作時(shí)間;依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)的技術(shù)措施,將施工對(duì)周圍環(huán)境的影響降低到最小程度,即通常所說(shuō)的信息化設(shè)計(jì)與施工。同時(shí)在保證施工安全的前提下加快施工進(jìn)度;積累監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)資料,提高施工技術(shù)水平。總之,正確分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù),并及時(shí)的反饋到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工,對(duì)推進(jìn)隧道的安全質(zhì)量進(jìn)度提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和有力的保障。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2007]138號(hào) 鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2006]189號(hào) 客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2006.

[3]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.G B 0026—93 工程測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1993.

[4]何強(qiáng),姚勇,劉影.特大斷面導(dǎo)流隧洞的施工監(jiān)控量測(cè)分析[J].鐵道建筑,2008(2):41-44.