大型地下洞庫監控量測施工技術

崔 民

1 概述

大型地下洞庫開挖所形成的大跨度、高邊墻斷面與巖體結構面的組合非常復雜,因此洞庫圍巖穩定性也成為業主和承包商共同關注的焦點。其安全問題的解決是依靠監控量測和信息反饋。工程安全情況的判斷主要通過工程建設過程中和竣工后的監控量測來保證;并通過監測驗證設計,優化設計和提高設計水平。本文以海南某地下洞庫工程施工監控量測為背景,采用現場監測和數據分析為大型洞庫設計、施工提供依據。

2 工程概況

2.1 工程地質及水文地質條件

該洞庫群所在區域為剝蝕性丘陵地貌,丘陵形態渾圓,巖體相對完整,整體狀結構。巖性以中粗粒結構花崗巖為主,局部可見流動構造,山體穩定性較好。

2.2 設計支護

主洞最大開挖高度38 m,最大開挖寬度35 m,洞內一支洞橫跨主洞,開挖高度60 m,開挖寬度 20 m。采用錨、網、噴支護,其中主洞邊墻支護參數如下:

系統砂漿錨桿φ 25@1.5 m×1.5 m,L=6 m,8 m,梅花狀布置;錨索支護采用1 000 kN預應力錨索,長度25 m,間距4.5m×6 m;噴射混凝土 t=0.2 m,C20;鋼筋網φ 12@0.2 m×0.2 m。主洞拱部支護參數如下:系統砂漿錨桿φ 25@1.5 m×1.5 m,L=6 m,8 m,梅花狀布置;錨索支護采用 1 000 kN預應力錨索,長度25 m,間距3 m×6 m;噴射混凝土 t=0.2 m,C20;鋼筋網φ 12@0.2 m×0.2 m。

2.3 主洞庫開挖方法

主洞開挖分部見圖1,圖中序號為開挖順序。

3 監控量測項目

為保證施工安全,指導現場施工,選定6個監測項目,見表 1。

4 傳感器

本工程所用的傳感器為丹東前陽工程測試儀器廠生產的鋼弦式傳感器。

表1 監控量測項目一覽表

5 監控量測實施

1)圍巖內部位移量測。斷面里程為K46+470。2)圍巖壓力量測。斷面里程為K46+130。3)錨桿軸力量測。斷面里程為K46+470。4)錨索張拉力、位移量測。斷面在支洞口。5)滲透壓力量測。斷面里程樁號為K46+452。6)圍巖松動圈量測。斷面里程為K46+094。

6 施工過程監控量測成果分析

6.1 圍巖變形量測成果分析

從量測數據可以看出,施工過程中圍巖內部位移分布呈現三種類型:整體受壓型、整體受拉型、拉壓交叉型。其中整體受壓型測孔多分布在主洞K46+470斷面左側巖臺以上邊墻部位,而整體受拉型和拉壓交叉型在各個監測點均不同程度地出現。通過對監測數據的分析,可以看出洞庫尺寸及形狀對開挖過程中圍巖內部位移的分布情況有很大影響,主洞K46+470斷面巖臺以上邊墻部位埋設的多點位移計,左側主要表現為受壓,右側則主要表現為受拉。對于巖臺以下的高邊墻部分,圍巖內部位移沿測孔軸向多表現為張拉位移,下部導洞出碴過程中各個測點張拉位移的增量均未超過1.5 mm,且出碴完成后很快趨于穩定;部分測點還表現出壓縮型位移,位移增量同樣也在1.5 mm之內,未出現大的壓縮變形,說明圍巖穩定性較好。

6.2 圍巖壓力量測成果分析

通過考察K46+130斷面右側邊墻的圍巖壓力變化可以發現,整個施工過程中除澆筑邊墻襯砌混凝土引起圍巖壓力發生一定變化,左、右側邊墻的跳格開挖對已經支護的右側邊墻的圍巖壓力的變化影響都不明顯。圍巖壓力的增加遠小于支護結構所能夠提供的支護抗力,施工過程中圍巖穩定性可以得到充分的保證。

6.3 錨桿軸力量測成果分析

本工程埋設的錨桿軸力計每支6個測點。6 m軸力計測點深度分別為0.5 m,1.5 m,2.5 m,3.5 m,4.5 m,5.5 m;8 m軸力計測點深度分別為 0.67 m,2.00 m,3.34 m,4.67 m,6.00 m,7.33 m。K46+470斷面埋設的錨桿軸力計長度均為6 m,量測成果見圖2。其中“+”表示拉應力,“-”表示壓應力。

根據圖2量測結果來看,施工中大部分軸力測點都表現為拉力,只有少數測點在特定時期內表現為壓力。從統計結果來看,開挖后錨桿軸力最大值均未超過100 kN,與錨桿拉拔試驗所要求的

150 kN相比,安全系數在1.5以上,可見支護結構的安全度較高。

對本工程而言,這種擾動來自兩個方面:1)高邊墻形成后側墻部位交叉洞庫的開挖;2)錨桿鉆孔的施工。錨桿鉆孔的施工對圍巖的擾動比較明顯。

6.4 預應力錨索張拉力、位移量測成果分析

為了對張拉過程進行評價,我們給出了所有監測錨索初張拉后張拉力與張拉位移的對應關系散點圖,并進行了線性回歸,結果如圖3所示。其中“+”表示張力增加,“-”表示張力松弛。

從圖3中可以發現,錨索張拉后基本上呈張力松弛狀態,只有個別錨索爆破后出現一定量的張力增加。通過對施工過程進行分析,可以得出影響錨索張力變化的幾種因素:開挖爆破、施作噴射混凝土支護、澆筑邊墻襯砌。表2是支洞開挖爆破作業和施作噴射混凝土支護作業前后部分監測錨索張力變化的對比結果。

表2 錨索張力變化統計表 kN

爆破對錨索支護的影響則表現在兩個方面,一方面,由于爆破產生的震動效應的影響,錨索張力松弛;另一方面,開挖后釋放的地應力一部分作用在原有支護結構上,錨索張力增加。現有錨索張力量測數據中這兩個影響因素都有所反映,錨索張力的變化比較復雜。

6.5 孔隙水滲透壓力量測成果分析

由于建設區域內賦存地下水的殘積土層為弱含水層、基巖強風化帶及斷層破碎帶又多屬扭性或壓扭性,含水量都較少。其統計結果如表3所示。

表3 滲透壓力分布情況統計表 MPa

6.6 圍巖松動圈量測成果分析

K46+094斷面的SBR094-1測孔波速分布圖見圖4。從洞壁向里,開始的一段波速較低,表示圍巖存在松動區,松動層厚度在3 m～3.8 m之間。其中靠近洞壁處可能是爆破松動帶,而離洞壁較遠處屬于應力下降松弛帶,隨著向圍巖內部逐漸深入波速逐漸升高,最后基本達到一個穩定值。

由于本工程主洞側墻的錨桿支護采用梅花狀布置的6 m,8 m長錨桿,錨桿長度明顯大于邊墻的松動范圍,再輔以25 m的1 000 kN預應力錨索,圍巖的整體穩定性可以得到保證。

7 結語

1)施工過程中圍巖是穩定的。拱部開挖過程中實測拱頂平均下沉量為-9.3 mm,考慮量測的滯后性,取掌子面到達量測斷面時位移釋放率為20%;同時考慮下部開挖時拱頂下沉的變化,取拱部開挖時拱頂下沉量為總下沉量的90%,則由拱部實測數據計算所得的拱頂最終下沉量為-12.9 mm,可見施工過程中圍巖的穩定性較好。2)開挖方法較為合理。采用這種施工方法,主Ⅱ層巖板開挖后拱部的拉應力區較開挖前減小,這對拱部圍巖的穩定性也極其有利。3)圍巖穩定性和支護結構安全性較好。201洞庫巖臺吊車梁加載試驗過程中,圍巖內部位移和支護結構應力均變化較小,說明圍巖穩定性及支護結構安全性較好。

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