圍巖監(jiān)控量測(cè)等級(jí)技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用

賴 明 波， 張 友 坤， 高 青 松

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

新建磨萬(wàn)鐵路V標(biāo)I分部管段范圍D1K261+590～DK299+850線路全長(zhǎng)38.6 km。共有隧道8座/12 634延長(zhǎng)m，占線路總長(zhǎng)度的32.7%；其中基淘山、納道村隧道洞身圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)軟硬不均且以軟巖為主。泥巖、頁(yè)巖遇水易軟化，圍巖自穩(wěn)性差。隧道內(nèi)主要特殊和不良地質(zhì)洞段為斷層破碎帶、巖溶發(fā)育洞段，隧道個(gè)別部位還可能存在瓦斯等有毒、有害氣體。復(fù)雜的不良地質(zhì)條件給施工帶來(lái)了較大的安全隱患，增加了施工難度。

圍巖監(jiān)控量測(cè)等級(jí)技術(shù)是針對(duì)隧道圍巖變形展開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)控制的一種管理技術(shù)，其主要依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合隧道圍巖變形特征和施工安全性要求，合理地確定位移控制基準(zhǔn)，劃分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)隧道圍巖位移管理等級(jí)并配套工程預(yù)防處理措施，建立科學(xué)等級(jí)管理制度；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形觀察情況和量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，掌握現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形風(fēng)險(xiǎn)的特征和數(shù)據(jù)，應(yīng)用等級(jí)管理制度的工程措施實(shí)施變形風(fēng)險(xiǎn)控制，最終達(dá)到降低和控制變形風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)，確保隧道施工安全。

2 圍巖監(jiān)控量測(cè)等級(jí)技術(shù)的操作要點(diǎn)

2.1 操作要點(diǎn)

2.1.1 制定監(jiān)控量測(cè)控制位移基準(zhǔn)

根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》及《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》TB10753-2010，按照設(shè)計(jì)單位預(yù)留沉降量確定的一個(gè)位移基準(zhǔn)初始參考值[1]制訂監(jiān)控量測(cè)等級(jí)管理制度。該控制位移基準(zhǔn)數(shù)值應(yīng)從前期洞內(nèi)觀測(cè)內(nèi)容和量測(cè)數(shù)值以及工程措施處理之后觀測(cè)到的圍巖變化及量測(cè)數(shù)值變化兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證與修訂。

2.1.2 制定隧道軟弱圍巖監(jiān)控量測(cè)等級(jí)

(1)依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合隧道圍巖變形特征和施工安全性要求，合理確定位移控制基準(zhǔn)，劃分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)隧道圍巖位移管理等級(jí)，并配套相應(yīng)的工程措施，建立等級(jí)管理制度。

(2)按照四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)管理建立軟弱圍巖監(jiān)控量測(cè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)管理表，其應(yīng)包括控制等級(jí)、位移管理等級(jí)、洞內(nèi)觀測(cè)內(nèi)容，科學(xué)量化分級(jí)變形量，補(bǔ)充具體的應(yīng)急設(shè)計(jì)、施工措施[2]。監(jiān)控量測(cè)等級(jí)技術(shù)見(jiàn)表1。工程處理措施可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變化情況合理進(jìn)行選擇。

2.1.3 量測(cè)斷面的布置

表1 監(jiān)控量測(cè)等級(jí)技術(shù)表

(1)對(duì)量測(cè)斷面間距按以下原則進(jìn)行布置。拱頂下沉測(cè)點(diǎn)和凈空變化測(cè)點(diǎn)：拱頂下沉測(cè)點(diǎn)和凈空變化測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在同一斷面上，監(jiān)控量測(cè)斷面按照Ⅴ級(jí)圍巖≤5 m，Ⅳ級(jí)圍巖地段≤10 m，Ⅲ級(jí)圍巖地段≤30 m，Ⅱ級(jí)圍巖地段≤50 m布置。

(2)當(dāng)圍巖不穩(wěn)定數(shù)據(jù)變化較大時(shí)，增設(shè)臨時(shí)加密觀測(cè)點(diǎn)。

2.1.4 初始讀數(shù)

(1)洞內(nèi)觀察分為開(kāi)挖工作面觀察與初期支護(hù)狀況觀察。

(2)洞外觀察包括邊仰坡穩(wěn)定、地表水滲透以及地表沉陷等的觀察。

(3)凈空水平收斂量測(cè)和拱頂下沉量測(cè)采用相同的量測(cè)頻率。

(4)凈空水平收斂量測(cè)采用收斂計(jì)或全站儀進(jìn)行，隧道開(kāi)挖后按要求迅速安裝收斂樁并編號(hào)，初始讀數(shù)應(yīng)在開(kāi)挖后12 h內(nèi)讀取，最遲不得超過(guò)24 h，或在支護(hù)完成后2 h內(nèi)。

2.1.5 拱頂下沉、凈空收斂等按設(shè)計(jì)頻率量測(cè)

(1)預(yù)埋測(cè)點(diǎn)由鋼筋加工而成，埋入的鋼筋采用直徑不小于18 mm、長(zhǎng)度埋入巖層30 cm，外漏3 cm，一端焊接30 mm正方形鋼片，表面光滑平整[3]。

(2)拱頂下沉、凈空收斂采用全站儀,最后輸出監(jiān)測(cè)成果 ,準(zhǔn)確、快速地為施工提供數(shù)據(jù)參考。

2.1.6 數(shù)據(jù)整理與回歸分析

(1)監(jiān)控量測(cè)工作應(yīng)形成以下記錄資料：①洞內(nèi)、洞外觀察記錄表。 ②隧道拱頂下沉量測(cè)原始記錄表。 ③隧道水平收斂量測(cè)原始記錄表。 ④地表沉降觀測(cè)原始記錄表。 ⑤地表沉降觀測(cè)斷面、測(cè)點(diǎn)平面布置圖。

(2)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理應(yīng)包括數(shù)據(jù)校核、數(shù)據(jù)整理及數(shù)據(jù)分析。

(3)每次觀測(cè)后立即將數(shù)據(jù)上傳至圍巖量測(cè)管理系統(tǒng)并系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析校核，生成日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)及回歸分析。

2.1.7 工程處理措施

(1)穩(wěn)定開(kāi)挖工作面措施：主要采取臺(tái)階法開(kāi)挖、分步支護(hù)、分區(qū)穩(wěn)定的方式降低對(duì)圍巖(土體)的擾動(dòng)以保證穩(wěn)定。

(2)調(diào)整開(kāi)挖方法：根據(jù)施工工法，當(dāng)出現(xiàn)變形大時(shí)，及時(shí)修改成更加安全可靠的施工方法。

(3)調(diào)整初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度并及時(shí)支護(hù)：增加錨桿、錨管等方式，及時(shí)加設(shè)橫向臨時(shí)支撐，豎向支撐等[4]。

(4)降低爆破振動(dòng)影響：針對(duì)不良地質(zhì)洞段，盡可能地采用機(jī)械開(kāi)挖方式以減少爆破振動(dòng)。采用爆破開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)優(yōu)化爆破單響藥量，減少爆破振動(dòng)。

(5)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的回填注漿：及時(shí)回填支護(hù)面與圍巖間因塌塊、超挖引起的空腔，減少圍巖的變形自由，讓支護(hù)體約束圍巖變形。

(6)地層預(yù)處理的方法包括注漿加固、降水、凍結(jié)等方法。

(7)超前支護(hù)：包括超前錨桿(管)、管棚等。

2.1.8 驗(yàn)證監(jiān)控量測(cè)控制位移基準(zhǔn)、完善監(jiān)控量測(cè)等級(jí)管理制度

(1)依據(jù)特定支護(hù)參數(shù)下的隧道圍巖變形情況，結(jié)合施工的安全性，由建設(shè)單位組織設(shè)計(jì)、 施工等單位通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證確定控制基準(zhǔn)數(shù)值，進(jìn)而制訂監(jiān)控量測(cè)等級(jí)管理制度。

(2)量測(cè)工作要注意儀器測(cè)量與圍巖、初期支護(hù)外觀觀察相結(jié)合，相互驗(yàn)證、補(bǔ)充，提高量測(cè)工作對(duì)施工、設(shè)計(jì)的指導(dǎo)、反饋?zhàn)饔肹5]。

3 工程應(yīng)用

3.1 基淘山隧道監(jiān)控量測(cè)等級(jí)管理技術(shù)的應(yīng)用

新建磨萬(wàn)鐵路基淘山村隧道DK263+840～DK263+865段為三疊系(T)砂巖，泥巖夾頁(yè)巖，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差。該段通過(guò)地段處于三疊系砂泥巖與二疊系灰?guī)r交界處，巖質(zhì)較軟，遇水易軟化。Ⅴa圍巖、拱墻采用Ⅰ16型鋼，間距1 m，拱部設(shè)置φ42小導(dǎo)管，長(zhǎng)4.5 m，環(huán)向間距為0.4 m。項(xiàng)目部邀請(qǐng)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際查勘，結(jié)合圍巖變形特點(diǎn)制定了該段圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析圖(圖1)。

圖1 量測(cè)數(shù)據(jù)分析圖

2017年8月8日，在準(zhǔn)備開(kāi)挖DK263+840～DK263+852段仰拱施工時(shí)，該段初支局部出現(xiàn)縱向開(kāi)裂，圍巖收斂明顯，拱頂位移最大值為17 mm，變形速率連續(xù) 2 d 以上達(dá) 到8 mm/d以上且達(dá)到監(jiān)控量測(cè)等級(jí)Ⅱ級(jí)時(shí)，項(xiàng)目部立即采取工程措施，及時(shí)對(duì)初支面增設(shè)φ60鎖腳錨管加固并進(jìn)行注漿處理，測(cè)量人員加大了對(duì)圍巖監(jiān)控量測(cè)及初期支護(hù)變形觀察的頻率，在采取相應(yīng)措施后，變形量仍較大，沉降一天達(dá)7 mm，變形速率仍然連續(xù) 2 d達(dá)到 5 mm/d 以上。2017年8月28日，在監(jiān)控量測(cè)等級(jí)管理達(dá)到Ⅰ等級(jí)時(shí)，項(xiàng)目部立即增加了豎向、橫向支撐對(duì)圍巖變形進(jìn)行了加固處理,并增加了φ22徑向砂漿錨桿數(shù)量，2017年8月28日后圍巖變形趨于穩(wěn)定，圍巖變形小于2 mm/d，裂縫無(wú)明顯變化，在水平收斂趨于穩(wěn)定后，項(xiàng)目部加快了作業(yè)進(jìn)度，施工過(guò)程中加強(qiáng)了對(duì)積水的抽排，嚴(yán)禁積水浸泡基底，對(duì)仰拱采取了逐榀開(kāi)挖支護(hù)，支護(hù)完成3 m后及時(shí)進(jìn)行了仰拱施作，仰拱完成6 m后及時(shí)進(jìn)行了二襯施作，確保了安全順利地通過(guò)該不良地質(zhì)段。

3.2 監(jiān)控量測(cè)等級(jí)管理技術(shù)在納道村隧道中的應(yīng)用

新建磨萬(wàn)鐵路納道村隧道DK274+720～DK274+778段圍巖為粉質(zhì)黏土、碎石土，下伏三疊系(T)砂巖、泥巖、頁(yè)巖，遇水易軟化，圍巖自穩(wěn)性差。Vc圍巖、全環(huán)采用Ⅰ18型鋼，間距0.6 m，拱部設(shè)置φ89大管棚，環(huán)向間距為0.4 m。采用臺(tái)階法開(kāi)挖。該段圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析情況見(jiàn)圖2。

圖2 量測(cè)數(shù)據(jù)分析圖

2017年8月2日，在開(kāi)挖DK274+746～DK274+749段下導(dǎo)時(shí)，收斂明顯突變，8月10日的變形量達(dá)到18 mm/d，達(dá)到了監(jiān)控量測(cè)等級(jí)Ⅱ級(jí)，項(xiàng)目部遂立即增加了拱架鎖腳錨管，施作了徑向砂漿錨桿并與拱架有效連接。當(dāng)下導(dǎo)初支施工完成后，對(duì)拱腳處采取反壓回填，有效控制了沉降，快速處理落下臺(tái)階后，初支基本形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)， 2017年8月15日，圍巖變形趨于穩(wěn)定，變形速率小于2 mm/d，2017年8月24日，累計(jì)變形為160 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

監(jiān)控量測(cè)等級(jí)技術(shù)能夠較好地應(yīng)用監(jiān)控量測(cè)成果，及時(shí)開(kāi)展支護(hù)參數(shù)調(diào)整和施工工藝變更等工程設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)管理工作；及時(shí)應(yīng)用工程措施對(duì)變形風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的控制和處置，尤其是在一些軟弱圍巖地段，通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為初期支護(hù)和二次襯砌的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)，將量測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)整理和分析得到的信息及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)和施工中，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工方案，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、快速的目的，同時(shí)也是施工安全和質(zhì)量的保障。