監控量測技術在淺埋大跨度雙線鐵路隧道中的應用

蘇 興

(中鐵八局集團公司，成都 610036)

監控量測技術在淺埋大跨度雙線鐵路隧道中的應用

蘇 興

(中鐵八局集團公司，成都 610036)

家鄉溝隧道為典型的淺埋單洞雙線大跨度隧道，本文通過對淺埋大跨度鐵路隧道施工過程中支護結構變形與受力的監控量測，為臺階法在隧道工程施工中的應用提供了理論依據和安全保障。

淺埋大跨度 鐵路隧道 臺階法 監控量測

1 工程概況

新建達成鐵路設計時速為200～250 km/h客貨共用雙線電氣化鐵路，家鄉溝隧道(DIK227+770—DIK 228+466)地處四川省大英縣境內，為典型的淺埋單洞雙線大跨度隧道。隧道全長為696 m，開挖截面面積140～160 m2，穿越地層為粉質黏土、侏羅系蓬萊組水平層狀砂質泥巖，所處地層根據圍巖類型劃分為V級圍巖496 m，IV級圍巖200 m。隧道進出口均處于偏壓受力狀態，最小埋深僅8 m，圍巖破碎，地下水發育。

達成線家鄉溝隧道采用復合式襯砌，初期支護采用C20噴射混凝土、φ8 mm鋼筋網、φ22 mm砂漿錨桿聯合支護，局部地段設置I18號工字鋼加強支護。Ⅳ級圍巖地段初期支護為噴錨支護，采用拱墻格柵鋼架和拱部φ25 mm水平砂漿錨桿加強支護，鋼架縱向間距1.0 m，二次襯砌采用C25耐腐蝕混凝土支護。Ⅴ級圍巖地段初期支護為噴錨支護，采用I18工字鋼架和拱部φ25 mm水平砂漿錨桿加強支護，鋼架縱向間距0.8 m，二次襯砌采用C25耐腐蝕鋼筋混凝土支護。

隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段設計采用中壁法施工，但進度緩慢，在確保施工安全的前提下，改用長臺階法施工，施工中遵循“短進尺，弱爆破，快循環，早封閉，勤量測”的原則。開挖后立即進行初期支護，二次襯砌及時跟上。為減少爆破次數，下臺階與仰拱一次爆破成型，上、下臺階距離保持60～80 m。為保證隧道內道路暢通，下臺階及仰拱分左、右兩部開挖，前后距離保持15 m。鉆眼深度3.4 m，進尺2.7 m，掌子面作業循環時間11.5 h，月平均進尺126 m。

2 監控量測方案

家鄉溝隧道現場監控量測的內容總共分為4項，具體量測內容如表1所示。

表1 大跨度雙線隧道現場監控量測項目

對于Ⅴ級圍巖，為確保量測數據的可比性，量測項目全部按照表1中所列的項目進行，而對于Ⅳ級，由于圍巖條件相對較好，選擇表1中的開挖面地質狀況觀察、圍巖收斂量測、圍巖襯砌壓力3個項目進行量測。

根據《鐵路隧道噴錨構筑法技術規范》(TB10108—2002)以及《客運專線鐵路隧道施工技術指南》(TZ214—2005)中的有關技術規定和要求，確定的隧道現場監控量測測試頻率如表2所示。

表2 大跨度雙線隧道現場監控量測頻率

隧道開挖面地質狀況采用人工觀察的方式進行，圍巖變形、錨桿軸力、圍巖壓力等量測項目，采用在圍巖內部安裝傳感器并配置測試儀表來加以量測。

2.1 圍巖位移量測

圍巖位移量測通過在開挖后的坑道內壁面設置錨固點，并采用隧道收斂計測定坑道圍巖壁面發生的收斂變形。隧道圍巖收斂量測方式及測線的布置如圖1所示，通過測定隧道開挖過程中測線AE、BD、CF相對位移隨開挖掘進時間和開挖進尺的變化，可以確定出各個測線發生的收斂值，也就是圍巖典型部位發生的相對位移大小。由于隧道采用了上、下臺階的鉆爆法施工，上臺階超前下臺階的距離大約有80 m，因此在上臺階掘進期間只能先安裝上臺階的測線，即點B、點C和點D三個測點。當下臺階掘進至上臺階已經安裝測試元件的斷面里程時，再安裝下半斷面的測點，即點A和點 E。

圖1 隧道圍巖收斂位移量測

2.2 錨桿軸力量測

方案采用了專用的量測錨桿進行錨桿軸力的量測。將帶有絲扣的錨桿鋼筋計旋緊而形成錨桿測力計，每根錨桿安裝了3個鋼筋計，并且在每個量測斷面布置5個測點。錨桿軸力量測的現場布置方式如圖2所示，各孔內的傳感器數據采用頻率讀數儀進行采集。

在上臺階掘進期間先安裝測點 B、測點C和測點D三部位的量測錨桿，待下臺階掘進到該斷面時再安裝下斷面點A和點E處的量測錨桿。

2.3 圍巖壓力

圍巖壓力通過初期支護與二次襯砌之間埋設壓力盒的方式進行量測。為便于壓力盒的安裝，待開挖面初噴混凝土強度到達設計要求后，將壓力盒埋置在初期支護與二次襯砌之間。每個量測斷面布置5個壓力量測點，如圖3所示，即點 A、點 B、點 C、點 D和點 E，以確定圍巖作用在支護體系上的壓力，并判斷圍巖壓力的分布特點。圍巖壓力量測采用鋼弦式雙膜壓力盒進行測定，其受圍巖作用而承受的壓力值由頻率讀數儀進行采集。

圖2 錨桿軸力量測布置圖

圖3 圍巖接觸壓力量測圖

3 量測結果分析

為使現場監控量測的結果能反映特定圍巖的變形特性，并使監測具有一定的代表性，家鄉溝隧道在Ⅴ級圍巖地段共設置了 3個監測斷面，DIK227+997，DIK227+949，DIK227+928，在Ⅳ級圍巖地段設置了2個監測斷面，DIK228+129和DIK228+098。

3.1 Ⅳ級圍巖量測結果分析

家鄉溝隧道Ⅳ級圍巖共監測了2個量測斷面，選取DIK228+129斷面為代表進行Ⅳ級圍巖量測結果分析。現場量測結果分別如圖4所示。其量測得到的結果主要有隧道初期支護作用下拱頂下沉、兩側坑道壁面的收斂變形以及圍巖的接觸壓力。

在Ⅳ級圍巖的里程 DIK228+129處，隧道開挖后拱頂的下沉量在初期支護作用下的前5 d內變化較為劇烈，從第5 d起以后變化比較平緩，當監測時間達到30 d后其數值仍然不斷變化，但基本上是趨于穩定狀態。由于40 d后下臺階鉆爆掘進到達此里程處，致使隧道拱頂的下沉又有所增加，下臺階開挖引起的拱頂下沉增量最大值為0.4 cm，占最大下沉值的7.69%。當下臺階掘進并通過DIK228+129監測斷面后，拱頂下沉量逐漸趨于穩定。經過監測，隧道在初期支護作用下，其拱頂累計的最大下沉量為5.2 cm。

隧道上臺階拱腰兩側圍巖的水平收斂位移最大值為1.7 cm，其水平相對位移為0.123%。這個水平收斂位移是在上臺階開挖掘進過程中量測獲得的，而下臺階的掘進滯后于上臺階40 m。因此，下臺階的開挖對隧道拱頂下沉具有一定的影響，而對于隧道兩側圍巖水平收斂位移的影響較小，下導坑開挖引起的水平收斂位移增量為0.2 cm，其值占最大位移值的11.76%。

由圖4可知DIK228+129監測斷面處，兩側圍巖內錨桿的受力不同。隧道拱腰部位測點B和測點D的錨桿桿體受拉力較大，而其它部位測點的錨桿桿體所受到的拉力較小。

由測得的隧道初期支護與二次襯砌之間的接觸壓力變化曲線分析，拱頂中部測點C的接觸壓力最大值為0.072 MPa，測點 D的接觸壓力最大值為 0.130 MPa，測點B的接觸壓力最大值為0.150 MPa，而 E點的接觸壓力最大值為0.280 MPa。從圍巖作用于二次襯砌的接觸壓力大小可以看出，隧道二次襯砌所受到的圍巖作用較小。

圖4 Ⅳ級圍巖DIK228+129監測斷面錨桿軸力變化曲線

3.2 Ⅴ級圍巖

在家鄉溝隧道的Ⅴ級圍巖地段共設置了3個量測斷面，選取DIK227+997斷面為代表進行Ⅴ級圍巖量測結果分析。圖5為里程DIK227+997處監測斷面各測點的量測結果。

圖5 Ⅴ級圍巖DIK227+997監測斷面拱頂下沉與水平收斂曲線

根據圖5所示，家鄉溝隧道Ⅴ級圍巖在里程DIK227+997處的拱頂下沉量在開挖面掘進通過30 d后變化較為劇烈，而在30 d以內的變化較小。30 d后變化劇烈的原因是由于下臺階的開挖，致使隧道拱頂的下沉增大，經過40 d以后，下沉逐漸趨于穩定，拱頂的最大下沉值為3.2 cm。下臺階開挖到此斷面時引起的下沉增量達到1.2 cm，占最大下沉值的37.5%。從隧道兩側圍巖的水平收斂位移分析，其位移值均比較小。上臺階掘進期間測線DB的水平收斂位移最大值為5.7 mm，而下臺階測線AE的水平收斂位移值最大為6.3 mm。經過計算，上臺階拱腳的水平相對位移為0.023%，而下臺階邊墻的水平相對位移為0.044 7%。

錨桿均處于受拉狀態，其中測點D和E處的錨桿拉力較大。而測點A、B、C三處的錨桿拉力較小。測點D處錨桿所受到的最大拉力為22.2 kN，在測點E處錨桿的拉力最大值為19.5 kN。

由測得的初期支護與二次襯砌之間接觸壓力變化關系曲線分析，測點D和測點A處的接觸壓力較大，拱頂中部C點處的接觸壓力較小。測點D處接觸壓力最大值為0.120 MPa，而測點B處的接觸壓力最大值為0.089 MPa。從壓力盒量測的接觸壓力數值分析，該斷面二次襯砌所受到圍巖作用較為均勻，同時也說明二次襯砌所受到的圍巖作用較小。

3.3 量測結果的分析

通過以上量測結果分析，IV級圍巖拱頂累計的最大下沉量為5.2 cm，小于預留變形量且變形趨于穩定。上臺階掘進期間測線DB的水平收斂位移最大值為1.7 cm，其水平相對位移為0.123%。設計規范中水平極限相對位移為0.11% ～0.33%，結合本隧道穿越地層為軟質圍巖，取值應選較大值，變形處于合理范圍，初期支護穩定。錨桿軸力最大值17.48 kN，遠小于150 kN的設計值。最大圍巖壓力0.28 MPa，數值較小，初期支護承擔了大部分荷載，襯砌主要作為安全儲備。

V級圍巖拱頂累計的最大下沉量為3.2 cm，小于預留變形量且變形趨于穩定。上臺階掘進期間測線DB的水平收斂位移最大值為5.7 mm，下臺階測線AE的水平收斂位移最大值為6.3 mm。經過計算，上臺階拱腳的水平相對位移為0.023%，而下臺階邊墻的水平相對位移為0.044 7%，遠小于極限相對位移0.2% ～0.5%的取值范圍。錨桿軸力最大值22.2 kN，遠小于150 kN的設計值，最大圍巖壓力0.12 MPa，數值較小，初期支護承擔了大部分荷載，襯砌主要作為安全儲備。

4 結束語

綜合以上分析可以認為，支護結構在施工期間處于安全穩定狀態，同時為二襯的施工創造了良好的條件。臺階法在淺埋大跨度隧道中的應用切實可行。

[1]孫明磊，李文江，劉志春.監控量測技術在強風化膏溶角礫巖隧道施工中的應用[J].鐵道建筑，2010(8):57-61.

[2]張先軍，王玉鎖，葉躍忠.西格嶺隧道施工監控量測技術研究[J].鐵道建筑，2010(11):57-59.

U456.3

B

1003-1995(2011)07-0060-03

2011-03-10;

2011-04-20

蘇興(1970— )，男，河北保定人，高級工程師。

(責任審編 王 紅)