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西格岭隧道施工监控量测技术研究

2010-07-30张先军王玉锁叶跃忠

铁道建筑 2010年11期
关键词:下台阶施作拱顶

张先军,王玉锁,叶跃忠

(1.西南交通大学 土木工程学院,成都 610031;2.西南交通大学(峨眉校区)土木工程系,四川 峨眉 614202)

1 工程概况

西格岭隧道位于西昌市经久工业园区东南端,介于张家山至李宗仁屋脊之间,是一条双线铁路隧道,全长1 160 m,围岩等级V级,最大埋深约70 m。隧址地段岩层风化严重,主要为粉砂岩、泥质粉砂岩、黏土岩及砂质黏土岩,围岩自稳能力较差、强度较低,遇水易软化,但岩层地下水欠发育,无断裂构造。

2 监控量测方案

隧道施工过程中,现场监控量测是对围岩及支护系统的稳定状态进行动态监测,为围岩级别变更、初期支护和二次衬砌的参数调整提供依据,是确保隧道施工安全、指导施工程序、便利施工管理的重要手段,也是采用新奥法施工过程中必不可少的施工环节之一。

2.1 监测内容

隧道监控量测内容分必测项目和选测项目,必测项目包括:地表沉降、洞内外观察、拱顶下沉、洞周收敛;选测项目作为必测项目的验证和补充,可根据隧道围岩性质、埋深、开挖方式等条件确定,主要包括围岩压力、钢架压力、锚杆轴力、喷混凝土内力、二次衬砌内力、孔隙水压、爆破振动和纵向位移等。

结合西格岭隧道实际地质和施工设计要求,监控量测以必测项目为重点,拟对无尺量测技术进行深入研究,必测项目测试内容及仪器如表1。

表1 必测项目测试内容及仪器

2.2 监测方法

2.2.1 地表沉降量测

隧道洞口段围岩高度风化、埋深较浅,开挖易塌陷,为确保洞口段施工安全,需进行地表沉降量测。根据西格岭隧道洞口段实际埋深,纵向布置5排地表沉降测点,间距分别为 10 m、10 m、20 m、20 m;横向每排布置9个测点,间距为2~5 m,隧道中线附近测点适当加密,两侧量测范围不小于H0+B。地表测点布设采用长为1 m,直径8~16 mm光圆钢筋,钢筋端部露出基岩2~3 cm刻十字线,以十字中心作为地表测点,同时在稳定基岩上布置2个测量基准点,以备校核。具体布置按图1所示。

2.2.2 地质及支护状况观察

图1 地表测点横向布置

观察项目包括掌子面和支护状况两方面。掌子面观察内容有:地质特征及分布情况、岩性特征、地层时代及产状、节理性质及发育程度、断层性质及破碎带状况、涌水特征等;根据观测结果每周绘制掌子面素描图并整理成册,为后期分析围岩稳定性提供依据。支护状况主要观察喷混凝土表层、锚杆及钢架工作应力状态,表面裂纹等,通过分析可直观反应支护结构的可靠程度。

2.2.3 拱顶下沉及洞周收敛

本隧道采用台阶法和CRD法施工。根据围岩级别、施工方法和隧道尺寸等,沿隧道纵向及洞周布设测点,纵向测点断面间距为10 m,洞周测点按图2布置。

图2 测点布置

布设反射膜片测点时应注意:拱墙膜片与隧道中线约60°角;拱顶膜片约30°俯视角,确保测量反射光线沿原路返回测试透镜中,消除反射误差。

2.3 监测频率及判别基准

2.3.1 监测频率

隧道采用位移速度确定的监测频率进行监测,按表2确定[1],当位移速度出现异常情况或遇不良地质地段时,应增大监测频率。

表2 按位移速度确定的监测频率

2.3.2 判别基准

1)Ⅴ级围岩允许相对位移值为0.2% ~0.8%,位移管理等级标准[1]:Ⅰ级 U<正常施工,Ⅱ级<加强支护,Ⅲ级采取特殊措施(U—实测位移,U0—极限位移)。

2)净空变化速率持续 >1.0 mm/d时,围岩处于急剧变形状态,应加强初期支护;净空变化速度 <0.2 mm/d 时,围岩达到基本稳定[2]。

3 数据处理及分析

3.1 数据处理

按实测数据绘制位移时程曲线和速率时程曲线。由于量测数据可能存在偶然误差,曲线波动幅度较大,用它来表示变形发展趋势是不准确的。因此需要采用数学统计知识,对实测数据进行回归分析,得到围岩最终的变化规律,指导各施工工序的进行(如确定二次衬砌、仰拱施作的合理时间、上下台阶工作面间距等)。

以DK1+080断面(台阶法施工)回归分析为例,根据以往工程经验,一般采用指数、对数及双曲线函数进行拟合[3-4]。原形公式及换算线性公式具体如下:

1)指数函数:u=Ae-B/t,转 化 为 直 线 函 数

设一般直线函数形式为y=a+bx,求出a、b值,然后换算出A、B值,详细回归参数见表3。

表3 线性回归分析参数表

图3 拱顶下沉时程曲线拟合

图4 上台阶收敛时程曲线拟合

图5 下台阶收敛曲线拟合

图6 速率实测曲线

3.2 数据分析

1)实测速率曲线直接预警施工初期险情状况。

图6中实测速率基本在(1~5)mm/d之间,监测频率应为1次/d,但前期开挖时拱顶下沉速率 >5 mm/d,应加大监测频率,确保施工安全。

2)回归分析能够避免实测数据的偶然误差,预测变形发展趋势。

图3、图4和图5反应了DK1+080断面在后续施工过程中围岩的变形趋势、稳定时间及最终位移。第41 d后洞内位移均趋于基本稳定,通过回归分析可知拱顶下沉极限位移u=74.366 mm,上台阶收敛极限值u=-23.51 mm,下台阶收敛极限u=4.1 mm。

3)下台阶收敛实测曲线,反应了仰拱紧跟施作的必要性。

图3中30 d后,拟合曲线略小于实测值;图4中30 d后,拟合曲线绝对值略大于实测值。原因是第30 d进行了下台阶开挖,隧道上部整体小幅下沉。图5反应下台阶收敛变化较复杂,很难采用某种单一曲线拟合(图示拟合不理想)预测发展趋势。图5中第37 d下台阶开挖完成,断面净空加大,位移呈直线增长。为保证施工安全,第41 d紧跟施作仰拱形成圆环,断面支护强度大大提高,围岩变化趋势迅速稳定。

4)全断面分析。

4 结论及建议措施

隧道洞内变形及地表沉降监测获得的数据是可靠的,将时程曲线与围岩等级、施工方法、支护结构及埋深等结合分析,可迅速反馈围岩稳定状况、支护参数和施工方法的合理情况,对调整设计参数具有重要意义。

动态监测表明,西格岭隧道围岩条件较差、风化严重、变形较大及地下水等,施工中应减小上下台阶工作面间距;降低循环进尺,适当缩小钢拱架间距、加强超前支护;每个施工循环,掌子面开挖工序完成应喷浆封闭围岩,减小该循环其它工序对围岩的扰动;下台阶开挖,上部钢架应加强锁脚锚管措施,防止围岩整体下沉,同时紧跟施作仰拱,尽早成环;施工中加强洞内外排水措施,避免岩体软化;特殊地段可以提前施作二次衬砌,保证隧道安全通过。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10121—2007 铁路隧道监控量测技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2007.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10204—2002 铁路隧道施工规范[S].北京:中国铁道出版社,2002.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10108—2002 铁路隧道喷锚构筑法技术规范[S].北京:中国铁道出版社,2002.

[4] 于廷新,佴磊,于炎鑫.基于两步分级法和现场监控量测的隧道围岩稳定性研究[J].铁道建筑,2009(12):43-45.

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