監(jiān)控量測技術(shù)在楓香椏隧道中的應(yīng)用研究

姜德義 李文明 邱華富

新奧法作為一種全新的隧道施工概念,其基本原理是運(yùn)用各種手段(開挖方法、支護(hù)形式、監(jiān)控量測等)抑制圍巖變形,最大限度地發(fā)揮圍巖自身的承載能力[1],使隧道施工更安全、更經(jīng)濟(jì),而其經(jīng)濟(jì)性與安全性就是通過現(xiàn)場監(jiān)控量測所獲得的圍巖、支護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)變和應(yīng)力信息及時(shí)反饋應(yīng)用于隧道設(shè)計(jì)和施工中來實(shí)現(xiàn)的。因此,快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測和信息反饋是應(yīng)用新奧法施工的關(guān)鍵。

1 工程概況

楓香椏隧道為雙洞分修中隧道,進(jìn)口與小石溪大橋相連,右洞起訖樁號(hào)為:K59+003～K60+025,長 1 022 m;左洞起訖樁號(hào)為:ZK59+025～ZK60+022.40,長997.40 m;隧道進(jìn)口位于直線上,出口位于曲線上,全隧分別位于縱坡為-2.10%及-1.54%的單面坡上。隧道區(qū)位于四川盆地東南緣,大婁山脈北西側(cè)一帶山地,屬烏江侵蝕河谷發(fā)育的低山地區(qū)。區(qū)內(nèi)山巒起伏,高差懸殊,屬于切割較強(qiáng)烈的低山區(qū)。最高海拔高程426.8 m,最低242.8 m,相對(duì)高差 184 m。自然坡度約25°～45°,植被發(fā)育,灌木雜草叢生。隧區(qū)區(qū)域構(gòu)造的主體是北北東、北東向褶皺及其伴生斷裂,構(gòu)造應(yīng)力場的方向?yàn)楸蔽魑髋c南東東或北西與南東,屬于新華夏系構(gòu)造體系,以長期不均衡的上升運(yùn)動(dòng)為主,具有背斜緊密,向斜寬緩特點(diǎn)。

2 隧道施工監(jiān)控量測內(nèi)容及方法

2.1 洞內(nèi)外地質(zhì)和支護(hù)狀況觀測

洞內(nèi)外觀察的目的是:預(yù)測開挖面前方的地質(zhì)條件;為判斷圍巖、隧道的穩(wěn)定性提供地質(zhì)依據(jù);根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿的工作狀態(tài),分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠度。洞內(nèi)觀察內(nèi)容包括節(jié)理裂隙發(fā)育情況、工作面穩(wěn)定狀況、風(fēng)化變質(zhì)情況、斷層分布、初期支護(hù)效果、涌水情況及底板是否隆起等,觀察后繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖,填寫工作面狀態(tài)記錄和圍巖類別判定卡。洞外觀察包括洞口地表情況、邊坡及仰坡的穩(wěn)定以及地表水滲透等情況。

2.2 水平收斂及拱頂下沉量測

水平收斂和拱頂下沉監(jiān)測斷面設(shè)置的間距,根據(jù)巖性不同與圍巖類別的差異,結(jié)合其具體情況,按以下要求布置各類圍巖監(jiān)測斷面的間距(Ⅴ級(jí)圍巖:5 m～10 m;Ⅵ級(jí)圍巖:10 m～20 m;Ⅲ級(jí)圍巖:20 m～50 m;Ⅱ級(jí)圍巖:50 m～100 m)。

2.3 圍巖與初期支護(hù)接觸壓力的量測

在隧道施工過程中需對(duì)噴射混凝土層進(jìn)行應(yīng)力的量測,在圍巖與初期支護(hù)間埋設(shè)壓力盒,量測圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力。埋設(shè)壓力盒時(shí),要使壓力盒的受壓面向著圍巖。在隧道壁面,當(dāng)測圍巖施加給噴混凝土層的徑向壓力時(shí),先用水泥砂漿或石膏把壓力盒固定在巖面上,再謹(jǐn)慎施作噴混凝土層,不要使噴混凝土與壓力盒之間有間隙,保證圍巖與壓力盒受壓面貼緊,5個(gè)壓力盒的編號(hào)沿順時(shí)針分別為1號(hào),4號(hào),3號(hào),5號(hào),2號(hào)。

2.4 鋼支撐應(yīng)力的量測

通過鋼支撐應(yīng)力的量測可以了解鋼架受力的大小,為鋼架造型與設(shè)計(jì)提供依據(jù);可以根據(jù)鋼架的受力狀態(tài),為判斷隧道空間的穩(wěn)定性提供可靠的信息;可以了解鋼架的工作狀態(tài),評(píng)價(jià)鋼架的支護(hù)效果。方法是把鋼筋計(jì)焊接在鋼支撐上,量測鋼支撐應(yīng)力,每榀鋼支撐布設(shè)8組(每組 2個(gè))應(yīng)變計(jì),分別沿鋼架的內(nèi)外邊緣成對(duì)布設(shè),沿順時(shí)針方向分別記為1號(hào),3號(hào),5號(hào),7號(hào),8號(hào),6號(hào),4號(hào),2號(hào),采用的傳感器是表面應(yīng)變計(jì)。

3 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理分析

3.1 水平收斂

楓香椏隧道K59+520測量斷面的水平收斂與時(shí)間關(guān)系曲線圖和水平收斂速率與時(shí)間關(guān)系曲線圖分別如圖1,圖2所示。從兩圖中可以看出隧道K59+520測量斷面水平收斂量測時(shí)間為64 d,最大水平收斂達(dá)到約21 mm,總體上經(jīng)歷了快速增長到緩慢增長,最后趨于穩(wěn)定的過程。

3.2 拱頂下沉

楓香椏隧道K59+520測量斷面的拱頂下沉與時(shí)間關(guān)系曲線圖和拱頂下沉速率與時(shí)間關(guān)系曲線圖分別如圖3,圖4所示。從兩圖中可以看出隧道K59+520測量斷面最大拱頂下沉值達(dá)到約16 mm,總體上經(jīng)歷了快速增長到緩慢增長,最后趨于穩(wěn)定的過程。

3.3 初噴混凝土與圍巖的接觸壓力

楓香椏隧道K59+520測量斷面的圍巖壓力與時(shí)間關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5中18 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)中可以看出隧道的圍巖壓力前期增長均較快,最大的接觸壓力出現(xiàn)在拱腰位置2號(hào)壓力盒處,其壓力在6 d內(nèi)就達(dá)到0.60 MPa;5個(gè)壓力盒都處于受壓狀態(tài),拱腰處的2號(hào)和4號(hào)壓力盒受壓明顯,拱腳處1號(hào)和5號(hào)壓力盒變化很小。圍巖壓力開始增長較快,隨后應(yīng)力開始緩慢增長,到15 d后基本趨于穩(wěn)定,圍巖變形已趨于穩(wěn)定。

3.4 鋼支撐應(yīng)力的量測

楓香椏隧道K59+520測量斷面鋼支撐應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6中18 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出本斷面鋼支撐應(yīng)力前期增長均較快,最大應(yīng)力出現(xiàn)在7外位置,為壓應(yīng)力,大小為257.60 MPa。18 d后鋼支撐應(yīng)力—時(shí)間曲線趨于平緩,說明圍巖變形趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

由于隧道工程的特殊性、復(fù)雜性和隧道圍巖的不確定性,對(duì)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測是保證隧道工程質(zhì)量、安全的必不可少的手段。通過監(jiān)控量測、信息反饋、完善支護(hù)設(shè)計(jì),為施工單位及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)以及合理確定二次襯砌時(shí)間提供了可靠的科學(xué)依據(jù),從而保證了隧道施工的安全、經(jīng)濟(jì),收到了良好的效果。

[1] 關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,1993.

[2] 任占彪.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測在隧道中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(26):321-322.