監控量測技術在楓香椏隧道中的應用研究

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,其基本原理是運用各種手段(開挖方法、支護形式、監控量測等)抑制圍巖變形,最大限度地發揮圍巖自身的承載能力[1],使隧道施工更安全、更經濟,而其經濟性與安全性就是通過現場監控量測所獲得的圍巖、支護系統的應變和應力信息及時反饋應用于隧道設計和施工中來實現的。因此,快速、準確地進行現場監控量測和信息反饋是應用新奧法施工的關鍵。

1 工程概況

楓香椏隧道為雙洞分修中隧道,進口與小石溪大橋相連,右洞起訖樁號為:K59+003～K60+025,長 1 022 m;左洞起訖樁號為:ZK59+025～ZK60+022.40,長997.40 m;隧道進口位于直線上,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。隧道區位于四川盆地東南緣,大婁山脈北西側一帶山地,屬烏江侵蝕河谷發育的低山地區。區內山巒起伏,高差懸殊,屬于切割較強烈的低山區。最高海拔高程426.8 m,最低242.8 m,相對高差 184 m。自然坡度約25°～45°,植被發育,灌木雜草叢生。隧區區域構造的主體是北北東、北東向褶皺及其伴生斷裂,構造應力場的方向為北西西與南東東或北西與南東,屬于新華夏系構造體系,以長期不均衡的上升運動為主,具有背斜緊密,向斜寬緩特點。

2 隧道施工監控量測內容及方法

2.1 洞內外地質和支護狀況觀測

洞內外觀察的目的是:預測開挖面前方的地質條件;為判斷圍巖、隧道的穩定性提供地質依據;根據噴層表面狀態及錨桿的工作狀態,分析支護結構的可靠度。洞內觀察內容包括節理裂隙發育情況、工作面穩定狀況、風化變質情況、斷層分布、初期支護效果、涌水情況及底板是否隆起等,觀察后繪制開挖工作面地質素描圖,填寫工作面狀態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測斷面設置的間距,根據巖性不同與圍巖類別的差異,結合其具體情況,按以下要求布置各類圍巖監測斷面的間距(Ⅴ級圍巖:5 m～10 m;Ⅵ級圍巖:10 m～20 m;Ⅲ級圍巖:20 m～50 m;Ⅱ級圍巖:50 m～100 m)。

2.3 圍巖與初期支護接觸壓力的量測

在隧道施工過程中需對噴射混凝土層進行應力的量測,在圍巖與初期支護間埋設壓力盒,量測圍巖與初期支護間接觸壓力。埋設壓力盒時,要使壓力盒的受壓面向著圍巖。在隧道壁面,當測圍巖施加給噴混凝土層的徑向壓力時,先用水泥砂漿或石膏把壓力盒固定在巖面上,再謹慎施作噴混凝土層,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個壓力盒的編號沿順時針分別為1號,4號,3號,5號,2號。

2.4 鋼支撐應力的量測

通過鋼支撐應力的量測可以了解鋼架受力的大小,為鋼架造型與設計提供依據;可以根據鋼架的受力狀態,為判斷隧道空間的穩定性提供可靠的信息;可以了解鋼架的工作狀態,評價鋼架的支護效果。方法是把鋼筋計焊接在鋼支撐上,量測鋼支撐應力,每榀鋼支撐布設8組(每組 2個)應變計,分別沿鋼架的內外邊緣成對布設,沿順時針方向分別記為1號,3號,5號,7號,8號,6號,4號,2號,采用的傳感器是表面應變計。

3 監控量測數據處理分析

3.1 水平收斂

楓香椏隧道K59+520測量斷面的水平收斂與時間關系曲線圖和水平收斂速率與時間關系曲線圖分別如圖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間為64 d,最大水平收斂達到約21 mm,總體上經歷了快速增長到緩慢增長,最后趨于穩定的過程。

3.2 拱頂下沉

楓香椏隧道K59+520測量斷面的拱頂下沉與時間關系曲線圖和拱頂下沉速率與時間關系曲線圖分別如圖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到約16 mm,總體上經歷了快速增長到緩慢增長,最后趨于穩定的過程。

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間關系曲線如圖5所示。從圖5中18 d的監測數據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在拱腰位置2號壓力盒處,其壓力在6 d內就達到0.60 MPa;5個壓力盒都處于受壓狀態,拱腰處的2號和4號壓力盒受壓明顯,拱腳處1號和5號壓力盒變化很小。圍巖壓力開始增長較快,隨后應力開始緩慢增長,到15 d后基本趨于穩定,圍巖變形已趨于穩定。

3.4 鋼支撐應力的量測

楓香椏隧道K59+520測量斷面鋼支撐應力與時間關系曲線如圖6所示。從圖6中18 d的監測數據可以看出本斷面鋼支撐應力前期增長均較快,最大應力出現在7外位置,為壓應力,大小為257.60 MPa。18 d后鋼支撐應力—時間曲線趨于平緩,說明圍巖變形趨于穩定。

4 結語

由于隧道工程的特殊性、復雜性和隧道圍巖的不確定性,對隧道圍巖及支護結構進行監控量測是保證隧道工程質量、安全的必不可少的手段。通過監控量測、信息反饋、完善支護設計,為施工單位及時調整支護參數以及合理確定二次襯砌時間提供了可靠的科學依據,從而保證了隧道施工的安全、經濟,收到了良好的效果。

[1] 關寶樹.隧道力學概論[M].成都:西南交通大學出版社,1993.

[2] 任占彪.超前地質預報與監控量測在隧道中的應用[J].山西建筑,2008,34(26):321-322.