武广铁路客运专线隧道施工监测技术

李 辉,李 琪,刘庆丰

(中铁四局集团有限公司,合肥 230023)

1 工程概况

金沙洲隧道位于剥蚀残丘与冲积平原交接地带,其出口段在广州西环高速公路浔峰洲收费站范围内,地势相对较为平坦,属珠江三角洲冲积平原地貌单元及剥蚀残丘陵地貌单元;地表主要为高速公路、地方道路、农田、鱼塘、果园及苗圃,小河渠、小涌较发育,地质状况复杂多变,地下水主要赋存于冲积砂层和石灰岩溶洞、裂隙中,地下水丰富,补给方式主要通过大气降水。周边建筑物主要有工厂、民宅等,隧道开挖对周边建筑物、公用设施的影响大,为了既要保证隧道施工安全,又要保证邻边建筑物、基础设施的安全,必须采用多种监控量测手段,做到动态管理、精准预测,提前采取应对措施。

2 量测内容

2.1 周边位移

对于洞内周边位移的变形量测,注意以下两点:①净空变形量测断面的间距应根据围岩级别、隧道断面尺寸、埋置深度及工程重要性等确定,宜为 5～30 m。②净空变形量测应在每次开挖后 12 h内读取,最迟不得大于 24 h,而且在下一循环开挖前,必须完成初始读数。对于洞外明挖段周边位移的变形量测,通过对基坑两侧的冠梁位移、横向支撑轴力、围护桩桩体测斜位移以及基坑两侧的水平收敛等几个项目进行多方向,全方位立体监测,并及时将各项数据整理,纳入数据库,互相比较,互相结合,综合分析,建立动态的数据链,一方面通过生成图像来清晰地表达基坑侧壁变形规律,对基坑的稳定性作出准确判断,明确工程施工对原始地层的影响程度及可能产生失稳的薄弱环节,另一方面通过监测了解隧道主体结构支护结构的受力和变位状态,对其安全稳定性进行评价。

金沙洲隧道围护桩结构变形监测,明挖段冠梁位移观测桩埋设在梁体沿隧道走向中心线处,一般每 10 m布设一个点,桩体测斜管一般每 50 m布设一根,测斜管布置于基坑的两侧。管埋深不小于围护桩深度,施工时将测斜管绑扎于钢筋笼上,并保证其初始埋设铅垂向下,同一孔间距 0.5 m,并与位移观测桩设置于同一里程断面,这样有利于数据的分析判断。基坑开挖后开始实施冠梁位移的监测,并和桩体测斜同时观测。桩体测斜采用测斜仪进行数据的采集,并通过计算机分析后,导出桩体测斜位移图,观察桩体位移随开挖深度增加的一个变形趋势。

隧道横向支撑体系监测,基坑开挖后需要对基坑两侧施加横向支撑,用来分担一部分土体侧压力和水压力,与围护桩共同受力,为准确地了解围护桩结构的变形情况,对支撑体系的轴力进行辅助观测,轴力计的安装分别置于钢支撑的两侧,监测断面全部支撑(包括换撑)均布设,测点布置于支撑靠近端头处,其它设计轴力较大部位可酌情加密布设(见图1)。通过导入计算机的数据,根据计算结果的正负,来判定轴应力的方向,并借助桩体测斜位移偏量大小及方向来判断基坑侧壁的稳定性。

2.2 拱顶下沉

根据金沙洲隧道的施工工法、洞内地质条件等各方面综合考虑,实际量测中采用每 5～10 m一个断面,一个断面 5个测点,两条基线对相对净空收敛和拱顶下沉进行量测。测点布置见图2。

2.3 洞内外地质和洞内支护情况

图1 基坑监测桩布置(单位:cm)

图2 测点布置示意

在开挖后及初期支护后进行观察并描述隧道围岩地质、地下水情况、初期支护情况。在观察过程中如发现地质条件恶化、初期支护发生异常现象,应立即采取应急措施,并派专人进行不间断地观察。由于金沙洲隧道地质条件差,地层中岩隙水发育极为丰富,开挖过程中易引起突泥突水,因此在隧道周边通过井点降水降低地下水位,才能保证基坑内部作业的顺利开展,同时为了防止降水施工对地下管线、建筑物等周围环境条件、居民生活带来不利的影响,如地表塌陷,建筑物下沉等人为的地质灾害,地下水位监测也就成了必不可少的日常观测项目。对于水位观测,监测点的布置一般情况沿隧道走向布置,每隔 50 m一个断面,在中线左右各设一个。另外对于隧道地表周边有敏感性建筑物群的要在建筑物周边也要临时性的布设观测点,并在隧道周边水位有明显变化时实施监测。

2.4 地表下沉

地表下沉量测应根据隧道埋置深度、地质条件、地表有无建筑物、所采用的开挖方式等因素确定。在金沙洲隧道D K 2 196+100～D K 2 196+300这一里程段,隧道D K 2 196+110～D K2196+300段埋深较浅,拱顶覆盖土厚 9.5～15.0 m,地层为淤泥质黏土、粉质黏土及强风化粉质砂岩淤泥,淤泥呈流塑状,主要成份为黏粒,含少量有机质、腐殖物,属高压缩性土,土质不均匀,土体受到扰动后抗剪和抗压强度大幅度削弱,稳定性极差,洞身开挖过程中易引起坍落,地表下陷,且隧道上方为西环高速公路匝道和地方交通要道。综合各方面因素,在实际监测过程中采取了加密措施,采用 5 m一个量测断面,一个断面 7个监测点,量测范围从隧道开挖面前方 H+h(隧道埋深 +隧道高度)开始,直至衬砌结构封闭,其它里程段一般采用 10 m一个断面。

3 量测手段及频率

3.1 量测方法

测量工作在硬件配置选取上,金沙洲隧道采用国内比较先进的高精度徕卡 1200a进行,并且安装高科技软件,在测量方法上选取了无尺量测,对隧道拱顶下沉和周边位移进行观测。通过长时间的实践结果表明,这种方法直接、简单、可靠,无形之中大大提高了工作效率和结果的精确性,去除了繁琐的环节,同时也避免了老式仪器如钢尺收敛仪人为原因造成的测量数据的误差偏大。此种量测手段对于情况复杂多变的隧道监测工作是一种行之有效的解决方法。如在洞内周边位移的量测中,利用了后方交会原理,在测点上预埋了反射片 A、B,通过激光测距,直接在仪器上读出两测点的距离 L,计算结果精度可达到 0.01 mm,这种方法很大程度上节省了时间。

对于洞外地表的沉降监测,就采用了较为传统的方法,利用了普通水准仪和塔尺进行量测,仪器精度为1 mm,开始量测前布置好测点和基准点,并测量测点及基准点联网的相对高程,最后算出测点绝对高程。

由于隧道的开挖极易引起地下水水位的变化,特别是承压层水位的改变,水位仪是这项工作主要设备,主要原理是通过水位孔的高程,和水位仪上的一个初始读数,得出地下水水位的一个初始值,随着隧道内的施工,开始不间断的观测水位仪的读数,并对降水井设备不断加以调整,使地下水水位的变化处于一个较为平衡的状态。

3.2 量测频率(见表1)

隧道施工过程中,短期之内,量测频率基本保持不变,以方便日后对数据的处理和分析。直至计算机分析处理结果显示相对稳定后,可适当降低观测频率,把节约出来的时间投入到其他更需要监测的区域中去;但当出现下列任一条件时应当加强观测。

1)实际开挖地质条件变差。

2)观测值达到报警指标。

3)观测值速率加快。

4)出现危险事故征兆时。

表1 拱顶下沉及净空变化量测频率表

4 量测数据的处理与分析

1)对现场量测数据及时进行处理和计算机入库,并绘制时态曲线(或散点图)。

2)当位移—时间曲线趋于平缓时,应进行数据处理或回归分析,以推算最终位移和掌握位移变化规律。分析中采用数学上常用的回归分析法,对量测的数据进行及时分析,从而掌握围岩变化规律;采用的回归函数有三个:①指数函数 U=a e-(b/T);②对数函数 U=a+b/l g(1+T);③双曲线函数 U=T/(a+b T)。

3)通过对 N天的实际观测值进行回归分析,计算出三种函数的相关系数,并选取相关系数的绝对值最趋于一函数,来预测围岩的最终变化值。

4)二次衬砌的施作应满足下列要求时进行:

①各测试项目的位移速率明显收敛,围岩基本稳定;

②已产生的各项位移已达预计总位移量的 80%～90%;

③周边位移速率 ＜0.1～0.2 mm/d,或拱顶下沉速率 ＜0.07～0.15 mm/d。

实例一:以金沙洲隧道二号竖井D K 2 196+120断面为例,进行回归分析,预测该断面多少天后,围岩基本稳定。

根据新奥法施工的隧道稳定规律,拱顶下沉不会无限制地增大而会有一个稳定值。建立沉降(U)随时间(T)发展的时态函数,并根据量测数据分别建立三个一元非线性函数 U1=a+b/l g(1+T)、U2=a e-(b/T)、进行回归分析(见表2=8 565.197,

三个方程为非线性方程,将其转化为线性方程,通过以上回归值求的各方程的系数

U1=a+b/l g(1+T),a=210.713,b=63.9

U2=a e-(b/T),a=187.643,b=-2.197

U3=T/(a+b T),a=0.038,b=0.002

以上三个方程线性相关系数依次为 r1=0.554,r2=-0.986,r3=0.991,可以看出 U3的相关系数绝对值最靠近1,说明通过函数 U3来反映 V-t之间的关系是最合理的,因为它们之间的线性关系最密切,回归精度较高,故选用该回归函数来预测,回归平均值 U=135.75,标准差变异系数 Sr=(S/U)×100%=4.55%。处理结果为由双曲线函数 U3=T/(0.038+0.002T),推算出基本稳定时间 70 d以后,围岩最终沉降量 Umax=462.41 mm。由实测值曲线图可以看出围岩最终沉降值在 370 mm上下浮动,其沉降率已达 80.05%≥80%;沉降速率已达 0.13 mm/d≤0.2 mm/d,故可判断围岩基本稳定。

评定结果:该段围岩较差,初期支护 70 d以后该围岩沉降完成,形成自稳,施作二次衬砌后,结构基本不受力。同时从实测值与回归计算值相比较看出,除个别点外,大多数相差较小,观测结果较为可靠。

表2 统计表 mm

5 监控量测的质量管理

为确保施工监测质量,真正做到信息化指导施工,确保施工安全,必须严格按照以下措施进行操作。

1)成立监测管理小组,实行监测质量专人责任制,由有经验的专业监测人员组成,制订实施性计划使监测按计划有步骤地进行;

2)工程开工前,充分调查施工现场的地质状况,并确定合理的警戒值,汇编成资料,上报监理部门审批。施工中当发现被测对象接近或超过警戒监测值时,应立即报告监理,并提出应急补救措施;

3)观测前,对所有仪器设备必须按有关规定进行检验和校核,确保仪器的稳定可靠和观测的精度;

4)观测中,采用增加测回数的办法,保证初始值的准确性;

5)制订各点位的保护措施。定期对使用的基准点或工作基点进行稳定性检测,有怀疑时立即进行复核,如有问题应及时处理,监测时采用相同的观测路径及方法;

6)建立监测复核制度,确保监测数据的真实可靠;

7)每个工程项目的监测资料必须保持有完整、清晰的监测记录、图表、曲线及监测文字报告。

6 金沙洲隧道监控量测取得的实施效果

在测量制度上严格的按照监控量测大纲标准进行测量工作,动态管理隧道开挖掘进过程中的围岩变形情况,必要时尚要加密测量频率。

在测量数据处理上积极的探索新方法,如指定专人负责,明确分工,谁测量谁计算,计算后由测量主管进行复核,复核无误以手机短信的形式,发到相关负责人的手机上。对于突发或较大的变化时,进行及时的复测。对于变换不大,符合要求的情况下,由监控量测资料员进行汇总,制作成监测快报的形式。

7 结语

在地下工程诸如此类大跨径浅埋隧道,为保证地下工程施工及周边环境安全,需要建立一套严密、科学的监测体系,在施工过程中通过对隧道及周边环境进行监测,了解围岩、支护变形情况,并加以分析、判断、预测,以便及时调整和修正支护参数,保证围岩稳定和施工安全;提供判断围岩和支护系统基本稳定的依据,合理安排工序确定二次混凝土衬砌施作时间;依据监测结果采取相应的技术措施,将施工对周围环境的影响降低到最小程度,即通常所说的信息化设计与施工。同时在保证施工安全的前提下加快施工进度;积累监控量测数据资料,提高施工技术水平。总之,正确分析现场监控量测数据,并及时的反馈到现场指导施工,对推进隧道的安全质量进度提供了坚实的基础和有力的保障。

[1]中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]138号 铁路隧道喷锚构筑法技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2007.

[2]中华人民共和国铁道部.铁建设[2006]189号 客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定[S].北京:中国铁道出版社,2006.

[3]中华人民共和国建设部.G B 0026—93 工程测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1993.

[4]何强,姚勇,刘影.特大断面导流隧洞的施工监控量测分析[J].铁道建筑,2008(2):41-44.