宜萬鐵路復雜巖溶隧道結構安全性監測技術

尚海松,申志軍,薛 斌,汪 濤

(1.中鐵西南科學研究院有限公司,成都 610031;2.鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

1 項目概況

宜(昌)萬(州)鐵路全線約 70%的隧道位于灰巖地區,巖溶地層分布廣、地質條件復雜,巖溶強烈發育,補給水源豐富,其主要表現為:連通暗河地段的構造、大型富水溶腔、高壓裂隙水、大規模的空溶腔等,屬世界罕見。有關巖溶條件下的隧道修建技術研究成果,特別是在巖溶、富水、高壓條件下隧道修建技術的研究成果不多,可供借鑒的成熟經驗也較少,同時在隧道修建過程中巖溶突水突泥風險程度、規模和工程處理難度也相當大,特別是在有高壓涌突水危險地段隧道進行了特殊工程處理措施,并采用了新型結構形式,這些成果應用的可靠性還將經受實際運營的考驗。我國目前對長大巖溶富水區修建的隧道施工后運營階段的圍巖及支護結構受力的監測極少,并對現有防排水情況下的水壓對襯砌結構的長期影響研究也較少,針對巖溶這種特殊復雜地質情況下采取的防排水系統在隧道運營中的狀態也是我們相當關注的問題。

根據中國工程院院士考察宜萬鐵路遂渝鐵路建設意見,通過對隧道施工及運營過程中的圍巖及支護結構受力變化狀況的監測,及時分析了解隧道結構的受力特性,對隧道結構安全狀況做出評估,為隧道的施工處理和運營維護提供決策依據。

2 監測技術方案

針對宜萬鐵路復雜巖溶隧道特點,結合現場實際情況,對宜萬鐵路齊岳山隧道 F11高壓富水斷層段(平導和正洞)、馬鹿箐隧道 DK255+978大型溶洞段(Ⅰ線和Ⅱ線)、云霧山隧道 DK247+562大型充填型溶洞段(Ⅰ線)、云霧山隧道 DK245+617大型溶洞段(Ⅰ線)、大支坪隧道 DK132+990大型溶洞段(Ⅰ線)、野三關隧道 DK124+602大型溶洞段(Ⅰ線)、龍麟宮隧道 DK232+467大型溶洞段及石院子隧道塌方段等 8個復雜工點進行隧道結構安全性監測,各工點監測斷面、項目及測點數量根據現場揭示實際地質情況及處理措施適時調整。

2.1 監測項目內容和測點布設情況

根據宜萬鐵路現場實際施工情況,結合專家審查意見,確定對上述 8個工點分別實施以下 9個監測項目(表1),具體工點監測項目在實施監測過程中可根據現場不同工點情況經甲方同意后對監測項目進行優化調整。

表1 隧道結構安全性監測項目

以齊岳山隧道 F11高壓富水斷層段正洞監測為例。

齊岳山隧道位于湖北省利川市,全長10 528 m,最大埋深 670 m,區內發育 15條斷層和多條暗河系統,其中位于得勝場槽谷段的 F11斷層規模宏大,位于隧道頂 220 m的得勝場暗河規模最大,水量豐富,暗河水極有可能被斷層導入隧道,造成重大地質和環境地質災害,風險極大。F11斷層破碎帶在隧道位置約 245 m寬,斷層內巖性成分復雜,具有飽和含水的含碎石粉質黏土或碎石土的類似工程性質,導水能力強,圍巖強度低、穩定性差,圍巖等級 Ⅴ ～Ⅵ級(圖1)。設計采取“以堵為主、限量排放”的設計原則,采用超前帷幕注漿、超前密排大管棚等預支護和加強型復合式襯砌結構等綜合措施進行處理。齊岳山隧道F11斷層監測段施工進度見圖2。

圖1 齊岳山隧道F11斷層得勝場槽谷段工程地質縱斷面

圖2 齊岳山隧道F11斷層段監測段施工進度形象(單位:m)

鑒于齊岳山隧道 F11斷層段地質條件復雜、工程環境特殊、隧道結構受力復雜等特點,該段正洞設置 4個監測斷面,每斷面設置 6個監測項目,分別為:隧道圍巖及結構間滲水壓力監測、圍巖與初期支護間接觸壓力監測、初期支護型鋼內力監測、初期支護與二次襯砌間接觸壓力監測、二次襯砌鋼筋內力監測、隧道基底沉降監測;其中 1個斷面增設注漿加固圈位移監測項目,同時在正洞 F11斷層段設置 3處注漿加固圈的滲水流量監測斷面(圖3)。

圖3 齊岳山隧道F11斷層段監測斷面測點布置示意

2.2 測試元件的要求與選擇

在隧道的長期監測中,由于運營及地質環境的復雜性,對監測元件和測試儀器的可靠性、長期穩定性等要求較高,要求所選用測試元件防水、防潮;在含水或潮濕的環境下工作穩定;防腐蝕性強;耐久性好;抗干擾性強、便于埋設等。本項目選用基康公司生產的振弦式應力(變)計進行現場實施。測試元件見表2。

表2 監測項目測試元件

在元件布設安裝過程中,嚴格按照測試和布設要求,保護好測點,力求達到元件最大成活率和最佳測試效果,如:滲水壓力計應埋設在圍巖內部一定的深度,同時做好過濾保護;圍巖與初支接觸壓力盒應埋設在圍巖較平坦表面處,保證圍巖面與壓力盒承壓面的密貼性;測線的引出要盡量避免施工干擾等。

2.3 監測頻率

根據合同與方案要求,為準確獲取隧道各階段受力狀態情況,在隧道開挖施工期間,測試頻率為 1次/d,隧道施工完畢以后,測試頻率為 1次/周,運營期間測試頻率為 1次/半月,特殊情況下根據要求增加測試頻率。從而獲得大量的一手數據,為隧道結構受力安全性分析提供數據保障。

2.4 階段性成果

以齊岳山隧道 DK365+111斷面圍巖與結構間滲水壓力和圍巖與初期支護接觸壓力監測為例,如圖4,圖5所示。

圖4 圍巖與結構間滲水壓力時態曲線

圖5 圍巖與初期支護接觸壓力時態曲線

根據圖形可以看出,近期圍巖與結構間滲水壓力和接觸壓力方面測點測試數據基本趨于穩定。在本年度雨季,測試數值出現小幅度的增加波動,最大滲水壓力和最大接觸壓力值分別為0.065 2MPa、114.87 kPa(在結構允許值范圍內),均出現在隧道仰拱位置,主要是由于 2010年 4月 14日隧道區域突降暴雨,地表水匯入,致使隧道周圍水壓上升,結構承受壓力增加,降雨過后,隨著地下水的逐步排出,水壓力也逐步減小,結構承受接觸壓力也漸漸減小,趨于平穩,隧道結構處于安全狀態。

2.5 自動監控系統

針對宜萬鐵路復雜巖溶隧道的修建及運營過程,采取結構應力、水壓等監控信息的自動化采集、網絡化傳輸,并設定危險報警值,在出現危險情況時自動預警,為宜萬鐵路的安全運營提供保證,為在復雜巖溶地質環境下修建隧道提供數據并積累經驗。

本項目采用 BGK-MICRO分布式網絡測量系統及配套的 BGKLogger軟件系統進行用戶管理、測量管理、數據管理和通訊管理,保障工程自動化測量和管理。測量系統由計算機、BGK-MICRO-MCU分布式網絡測量單元、智能式儀器(可獨立作為網絡節點的儀器)等組成,通過相應配套的軟件完成工程監測的自動測量、數據處理、圖標制作和異常測值報警等工作。如圖6所示。

圖6 BGK-MICRO分布式網絡測量系統組成(網型式)

現場每個測試斷面布設足夠的數據采集通道,采用 BGK-Micro-VW測量模塊,匯總至數據采集箱 BGKMicro-40MCU測量單元,再通過數據總線連接到洞外監測站,洞外監測站采集的數據通過 GPRS無線網絡傳輸系統定時傳輸數據至中心計算機,在中心計算機上設數據分析處理系統,對每類監測量設預警值輸入監測數據處理系統,進行自動預警。如圖7、圖8所示。

圖7 BGK-MICRO分布式網絡測量系統組成示意

圖8 GPRS無限組網示意

3 監測數據分析平臺

3.1 網絡 GIS功能

利用 GIS(地理信息系統)的強大功能實現隧道監測,應用數據庫理論,建立了隧道現場監控量測管理信息系統,從而生成隧道圍巖和支護結構的應力、應變在隧道運營過程中的時態關系曲線,由此判斷圍巖與支護結構的穩定情況,從而指導隧道運營維護。其信息處理的方式主要是圖形方式,沿線隧道、斷面及監測點的分布及彼此之間的拓撲關系一目了然。系統以隧道平面布置圖和各測點布置圖為基礎,用矢量圖形象地展現出各監測點等分布情況,通過圖形實現信息的查詢及預警等工作,動態管理監測數據,形成圖文雙向查詢,并根據實際需要準確真實、圖文并茂地將信息呈現給用戶。

3.2 實時分析查詢監測信息

因為自動監測采集到的數據具有兩個特點:一是數據量特別大;二是監測數據采集的頻率不一樣,是個動態的過程。針對這兩個特點,必須對自動監測數據采取動態分析的辦法,系統通過單純用數學方法和結合施工參數進行分析監測數據兩種方法來對隧道施工安全狀態進行評估。

可以利用各種手段方便地查詢當前和歷史的監測數據信息。實時生成各類報表、時程曲線等。

3.3 實時預警系統

在本系統中,監測數據的曲線圖包含 3類:變化量曲線圖、累計變化量曲線圖以及變化速率曲線圖。在設計中,對監測點的變化量、變化速率及累計變化量一般都有控制值與警戒值。當隧道工程出現異常時,一定時段的變化速率曲線圖和累計變化量曲線圖都會出現明顯異常情況。在隧道運營中,若發現一個或多個監測項目在相同位置的監測曲線圖異常或超過報警值,可判斷工程存在潛在危險。數據服務器實時分析各類監測數據,通過短消息和在平臺發布信息等多種形式組成預警、報警系統。只要有監測異常發生,系統就會進行個性化的報警提示;同時能夠在網絡地圖上清晰地表現各工點、各測點的預警情況。

根據隧道工程的運營狀況,將實測值與報警值進行比較,將其預警報警的等級分為四個等級:安全狀態、三級警戒(關注)、二級警戒(預警)和一級警戒(報警)。針對不同的警戒等級,分別給出對應的施工控制措施,確保隧道工程安全。

3.4 系統運行的環境要求

監測信息網絡系統所需的網絡接入自有服務器機房的方式,帶寬至少 1 M。其設備配置推薦如下:

服務器:雙 CPU至強 CPU 2.0 GHz以上,1 GB內存,500 GB硬盤。操作系統支持 Window SERVER 2000以上;數據庫支持 SQL SERVER 2000以上。

客戶端:采用一般 PC即可,CPU P4 1.2 GHz以上,256MB內存,120 GB剩余硬盤空間,操作系統支持Window 2000以上。

4 監測信息反饋

根據采集的數據,與參建各方緊密聯系(通過短消息或在平臺發布信息等多種形式),分析結構受力安全性狀況,共同商討相關隧道結構受力安全性狀況,提出相關整治建議,進而實現隧道結構安全性監測。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌至萬州段復雜巖溶隧道結構安全性監測專項設計[Z].武漢:2009.

[2] 中鐵西南科學研究院有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌東至萬州段巖溶隧道結構安全性監測簡報[Z].成都:2010.

[3] 中鐵西南科學研究院有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌東至萬州段隧道遠程自動監測技術方案[Z].成都:2010.

[4] 王建宇.隧道工程的技術進步[M].北京:中國鐵道出版社,2004.