隧道塌方监测预警体系研究

2010-04-17王珏

山西建筑 2010年30期

王珏

0 引言

由于塌方产生原因的多样性,造成了塌方预测的巨大困难,但是,随着大量工程数据和经验的积累,土木工程实验技术的日新月异,以及计算机科学和有限元数值模拟方法的飞速进步,特别是新奥法施工技术的广泛应用以后,超前地质预报和工程监测以及施工反馈技术相结合,使得隧道塌方预警系统逐渐发展成为一门完善的系统。目前,关于隧道塌方预警预报体系的警戒值,国内外的相关隧道施工技术规范都有一定的规定。

规范规定:当位移—时间曲线出现反弯点时,则表明围岩的支护已呈不稳定状态,此时应密切监视围岩动态,并加强支护,必要时暂停开挖[1]。隧道周壁任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的总相对位移值均小于规定数值。当位移速率无明显下降,而此时实测位移值已接近该表所列数值,或喷层表面出现明显裂缝时,应立即采取补强措施,并调整原支护设计参数或开挖方法。

1 塌方监测预警体系

根据公路隧道围岩变形特性,本文设计了基于第一级预兆预警值和塌方预警值的两阶段五级报警体系,见表1。

表1 五级报警体系

2 塌方判断体系和五级报警体系应用实例

某隧道为夹心连拱四车道高速公路短隧道,隧道出口左线掌子面围岩主要为弱～微风化灰岩夹页岩,薄～中厚层状,局部岩芯见溶蚀痕迹,裂隙较发育,部分裂隙被方解石脉充填,脉宽一般为2 mm～5 mm。围岩稳定性总体较好。覆盖层中的浅层滑动现象较为常见,隧道洞口边仰坡稳定性较差。出口右线掌子面围岩主要为弱～微风化灰岩夹页岩,厚层～巨厚层状,局部岩芯见溶蚀痕迹,裂隙较发育,部分裂隙被方解石脉充填,开挖后稳定性较差。

隧道2007年9月8日凌晨在隧道进口左线K163+376～K163+440发生塌方,本文选取了处于塌方区的监测点ZK163+410处监测数据做位移与时间变化规律的分析(见图1)。

根据隧道ZK163+410监测数据分析整理出各发展阶段的洞周收敛相对值、最大收敛速率、最大负值收敛加速度、最大正值收敛加速度,如表2所示。

表2 隧道左线出口ZK163+410拱顶下沉详表

根据第一趋稳阶段判断指标(Ⅳ级围岩最大下沉速率小于第一阶段最大下沉速率的1/20的同时最大收敛加速度为局部最大正值)和第二阶段判断指标(Ⅳ级围岩最大下沉速率小于第一阶段最大下沉速率的1/20的同时拱顶下沉相对值每日变化值小于-0.00001)可以迅速判断出围岩的第一阶段和第二阶段,根据第三阶段判断指标(Ⅳ级围岩拱顶下沉相对值每日变化值小于-0.00005),曲线发展阶段大致可以如下所示:

6月24日～7月 8日,第一阶段,此时拱顶沉降的速率较大。

7月8日～7月21日,经历第一趋稳阶段进入第二阶段,此时围岩相对变小。

7月21日～8月2日,经历第二趋稳阶段进入过渡阶段,需要注意的是第三阶段持续13 d,比较短暂。

8月2日～8月 26日,第四阶段,此时围岩位移变化速率较大,进入突变阶段,是塌方的第一级预兆。

8月26日～9月8日,此时最大下沉速率继续增大,是塌方的预兆,意味着进入破坏阶段,当拱顶下沉量达到一定程度时,衬砌和围岩将发生塌陷破坏。

根据五级报警体系可以看出在第三阶段处于第一级预警的第Ⅳ级报警等级,在第四阶段处于塌方预警的第Ⅳ级报警等级(一个以上测线或测点达到预警值150%,变化速率连续三天超过5 mm/d),在第五阶段处于塌方预警的第Ⅴ级报警等级(一个以上测线或测点达到预警值150%,变化速率连续三天超过8 mm/d)。