淺埋隧道施工的監控測量

張書河 孟祥民

1 概述

西村隧道跨度16.0 m,凈高 9.8 m,隧道長度1 740 m,最大埋深15 m。沿西村隧道洞身地層主要為第四系及燕山晚期侵入花崗斑巖。隧道所處地段屬于樺(墅)—亭(子)復向斜之西段(江寧—滄波門),褶皺軸向為NE40°～55°,樞紐向北東昂起。隧道所處地帶為仙鶴門—麒麟門北北向斷裂～巖漿巖帶,它是在新華夏系活動過程中,作為新華夏系的一組扭面,不斷加寬加深,形成的張扭性斷裂破碎帶上涌形成的巖漿巖帶。西村隧道地下水主要為基巖裂隙水及少量孔隙水,賦存于基巖裂隙及土體孔隙之中。本區基巖為中粗?；◢弾r,風化層含水性較差,但透水性較強,在地表水補給充足的情況下,地下水量較大;黏性土含水性及透水性均差,為弱含水層及弱透水層。整座隧道涌水量平均每延米每天流量為0.287 t/(m?d),為弱含水層,水量不大,但地表水發育。因此在修建中,監控量測是信息化設計與施工的重要內容。

2 監控量測的設計

2.1 項目選擇和確定

隧道監控量測的項目應根據工程特點、規模大小和設計要求綜合選定。量測項目可分為必測項目和選測項目兩大類。選測項目應根據工程規模、地質條件、隧道埋深、開挖方法及其他要求有選擇地進行。監控量測工作必須緊跟開挖、支護作業。按設計要求布設測點,并根據具體情況及時調整或增加量測的內容[1]。

根據該工程的實際情況,確切的對地表沉降、拱頂下沉、凈空收斂、圍巖與初期支護間徑向壓力、初期支護與二次襯砌間的徑向壓力、鋼拱架應力6個項目進行監測。

2.2 地表沉降監測

在洞口約30 m范圍內,隧道埋深小于1倍洞跨范圍內加密布設7個檢查斷面:DK1034+790,DK1034+810,DK1034+830,DK1034+850,DK1034+870,DK1034+890,DK1034+910,每個斷面布置7個測點。檢查儀器采用S2精密水準儀。地表下沉點的布置根據圍巖類別、隧道埋深和開挖寬度確定,一般布置原則為:中間較密、兩側漸稀。其量測頻率同拱頂下沉和凈空水平收斂的量測頻率。量測從開挖工作面前方H+h(隧道埋深+隧道高度)處開始,一直持續到襯砌結構封閉、下沉或趨勢穩定。

2.3 洞周收斂監測

1)整個隧道洞內每隔40 m設置一組收斂點,左導洞布設于開挖底面線上2.14 m和6.14 m處,右導洞布設于開挖底面線上6.00 m和9.8 m處。測點布置在靠近工作面0.5 m～2.0 m的斷面上[4]。2)布設時間。位置較高的一對收斂點在爆破排煙完畢后立即布設并測其初值,位置較低的一對收斂點在出渣完畢后立即布設并測其初值。

2.4 量測斷面間距、量測頻率及要求

1)凈空變形量測斷面的間距根據圍巖級別、隧道斷面尺寸、埋置深度等確定,其間距采用表1規定。拱頂下沉量測與凈空水平收斂量測應在同一斷面內進行,并用相同的量測頻率,按照表2中變形速度和距開挖工作面距離較高的一個量測頻率。

表1 拱頂下沉及周邊收斂量測間距表

2)地表下沉量測應根據隧道埋置深度、地質條件、地表有無建筑物、所采用的開挖方式等因素確定是否進行。地表下沉量測的測點應與凈空水平收斂及拱頂下沉量測的測點布置在同一斷面內,沿隧道中線,地表下沉量測斷面的間距可采用表3規定。

表2 拱頂下沉及周邊收斂量測頻率表

表3 地表下沉量測斷面間距表

沉降規律可按Peck曲線描述:S=Smaxe(-x2/2t2)。

其中,S為距離隧道中線x處的下沉值;Smax為最大下沉值;t為從地表下沉曲線的拐點到隧道中線的距離。

由沉降槽曲線可知,在拐點處,曲線斜率最大,故理論上通常以此極限條件下的坡度值——極限坡度小于地籠允許側斜值作為限制條件。

由Peck曲線可知,當x=t時,地表下沉的最大斜率為:

地籠允許側斜與Qmax相等,此時地表最大允許沉降量:

再由Peck曲線的拐點推導出 t=B/5(B為沉降槽寬度,B=2RKlg H√D。H為埋深;D為跨度;R為地層系數;K為支護系數)[5]。

2.5 測點設置要求及測量工具

隧道周邊位移測量以水平相對凈空變化值的量測為主,水平凈空變化量測線的布置根據施工方法、地質條件、測量斷面所在位置、隧道埋置深度等條件確定,每個斷面布置3條測量線;拱頂下沉量的位置在每一斷面3點。測點的設置能保證在開挖后12 h(最遲不超過24 h)內和在下一循環開挖前測得出此讀數。變形縫沉降量測測點布置在變形縫量測,每條變形縫布置1組沉降測點。導坑周邊收斂選用球鉸彈簧式,拱頂下沉量測采用水平儀、水準尺和掛鉤鋼尺。監控量測測點布置圖見圖1。

2.6 量測數據整理、反饋

1)根據現場量測數據繪制水平相對凈空變化、拱頂下沉位移—時間曲線圖,在位移—時間曲線趨平緩時進行回歸分析,以推算最終位移和掌握位移變化規律。當位移—時間曲線出現反彎點,即位移出現反常的急劇增加現象,表明圍巖和支護處在已不穩定狀態,應及時加強支護必要時停止掘進,采取必要的安全措施。

2)根據位移變化速率判斷圍巖穩定狀況,變形基本穩定符合下列條件:隧道周邊變形速率有明顯減緩趨勢;水平相對凈空變化速率小于收斂速度0.1 mm/d～0.2 mm/d,拱頂下沉速率小于0.07 mm/d～ 0.15 mm/d。

3)圍巖及支護的穩定性根據開挖工作面的狀態,凈空水平收斂值及拱頂下沉量的大小和速率綜合判斷,并及時反饋于設計和施工中,根據水平相對凈空變化值進行判斷時,符合《鐵路隧道噴錨構筑法技術規則》的有關規定。

4)測點埋設情況和量測資料納入竣工文件,以備運營中查考或繼續觀察。

3 監控量測管理

1)按變形管理等級指導施工。2)根據位移變化速度判別凈空變化速度持續大于5.0 mm/d時,圍巖處于急劇變形狀態,應加強初期支護。水平收斂(拱腳附近)速度小于0.2 mm/d,拱頂下沉速度小于0.15 mm/d,圍巖基本達到穩定。在淺埋地段情況下,應采用監控量測分析判別。3)根據位移時態曲線的形態來判別。當圍巖位移速率不斷下降時(du2/d2t＜0),圍巖趨于穩定狀態;當圍巖位移速率保持不變時(du2/d2t=0),圍巖不穩定,應加強支護;當圍巖位移速率不斷上升時(du2/d2t＞0),圍巖進入危險狀態,必須立即停止掘進,加強支護。

4 結語

因為淺埋隧道開挖對圍巖破壞大、易塌方,通過對西村隧道的預定監控方案的實施,使得施工方法更合理、更安全;施工方法由雙側壁導坑過渡到臺階法,也加快了施工進度。實踐證明通過施工現場的監控量測,可為判斷圍巖穩定性、支護、襯砌可靠性、二次襯砌合理施作時間以及修改施工方法、調整圍巖級別、變更支護設計參數提供依據,指導日常施工管理,確保施工安全和質量。采用新奧法原理設計、施工的隧道,監控量測是施工過程中必不可少的施工程序。

[1] TZ 214-2005,客運專線鐵路隧道工程施工技術指南[S].

[2] TB 10121-2007,鐵路隧道監控量測技術規程[S].

[3] TBJ 108-92,鐵路隧道噴錨構筑法技術規則[S].

[5] 李東平.大斷面黃土隧道施工技術探討[J].山西建筑,2008,34(5):329-330.