大型地下洞库监控量测施工技术

崔 民

1 概述

大型地下洞库开挖所形成的大跨度、高边墙断面与岩体结构面的组合非常复杂,因此洞库围岩稳定性也成为业主和承包商共同关注的焦点。其安全问题的解决是依靠监控量测和信息反馈。工程安全情况的判断主要通过工程建设过程中和竣工后的监控量测来保证;并通过监测验证设计,优化设计和提高设计水平。本文以海南某地下洞库工程施工监控量测为背景,采用现场监测和数据分析为大型洞库设计、施工提供依据。

2 工程概况

2.1 工程地质及水文地质条件

该洞库群所在区域为剥蚀性丘陵地貌,丘陵形态浑圆,岩体相对完整,整体状结构。岩性以中粗粒结构花岗岩为主,局部可见流动构造,山体稳定性较好。

2.2 设计支护

主洞最大开挖高度38 m,最大开挖宽度35 m,洞内一支洞横跨主洞,开挖高度60 m,开挖宽度 20 m。采用锚、网、喷支护,其中主洞边墙支护参数如下:

系统砂浆锚杆φ 25@1.5 m×1.5 m,L=6 m,8 m,梅花状布置;锚索支护采用1 000 kN预应力锚索,长度25 m,间距4.5m×6 m;喷射混凝土 t=0.2 m,C20;钢筋网φ 12@0.2 m×0.2 m。主洞拱部支护参数如下:系统砂浆锚杆φ 25@1.5 m×1.5 m,L=6 m,8 m,梅花状布置;锚索支护采用 1 000 kN预应力锚索,长度25 m,间距3 m×6 m;喷射混凝土 t=0.2 m,C20;钢筋网φ 12@0.2 m×0.2 m。

2.3 主洞库开挖方法

主洞开挖分部见图1,图中序号为开挖顺序。

3 监控量测项目

为保证施工安全,指导现场施工,选定6个监测项目,见表 1。

4 传感器

本工程所用的传感器为丹东前阳工程测试仪器厂生产的钢弦式传感器。

表1 监控量测项目一览表

5 监控量测实施

1)围岩内部位移量测。断面里程为K46+470。2)围岩压力量测。断面里程为K46+130。3)锚杆轴力量测。断面里程为K46+470。4)锚索张拉力、位移量测。断面在支洞口。5)渗透压力量测。断面里程桩号为K46+452。6)围岩松动圈量测。断面里程为K46+094。

6 施工过程监控量测成果分析

6.1 围岩变形量测成果分析

从量测数据可以看出,施工过程中围岩内部位移分布呈现三种类型:整体受压型、整体受拉型、拉压交叉型。其中整体受压型测孔多分布在主洞K46+470断面左侧岩台以上边墙部位,而整体受拉型和拉压交叉型在各个监测点均不同程度地出现。通过对监测数据的分析,可以看出洞库尺寸及形状对开挖过程中围岩内部位移的分布情况有很大影响,主洞K46+470断面岩台以上边墙部位埋设的多点位移计,左侧主要表现为受压,右侧则主要表现为受拉。对于岩台以下的高边墙部分,围岩内部位移沿测孔轴向多表现为张拉位移,下部导洞出碴过程中各个测点张拉位移的增量均未超过1.5 mm,且出碴完成后很快趋于稳定;部分测点还表现出压缩型位移,位移增量同样也在1.5 mm之内,未出现大的压缩变形,说明围岩稳定性较好。

6.2 围岩压力量测成果分析

通过考察K46+130断面右侧边墙的围岩压力变化可以发现,整个施工过程中除浇筑边墙衬砌混凝土引起围岩压力发生一定变化,左、右侧边墙的跳格开挖对已经支护的右侧边墙的围岩压力的变化影响都不明显。围岩压力的增加远小于支护结构所能够提供的支护抗力,施工过程中围岩稳定性可以得到充分的保证。

6.3 锚杆轴力量测成果分析

本工程埋设的锚杆轴力计每支6个测点。6 m轴力计测点深度分别为0.5 m,1.5 m,2.5 m,3.5 m,4.5 m,5.5 m;8 m轴力计测点深度分别为 0.67 m,2.00 m,3.34 m,4.67 m,6.00 m,7.33 m。K46+470断面埋设的锚杆轴力计长度均为6 m,量测成果见图2。其中“+”表示拉应力,“-”表示压应力。

根据图2量测结果来看,施工中大部分轴力测点都表现为拉力,只有少数测点在特定时期内表现为压力。从统计结果来看,开挖后锚杆轴力最大值均未超过100 kN,与锚杆拉拔试验所要求的

150 kN相比,安全系数在1.5以上,可见支护结构的安全度较高。

对本工程而言,这种扰动来自两个方面:1)高边墙形成后侧墙部位交叉洞库的开挖;2)锚杆钻孔的施工。锚杆钻孔的施工对围岩的扰动比较明显。

6.4 预应力锚索张拉力、位移量测成果分析

为了对张拉过程进行评价,我们给出了所有监测锚索初张拉后张拉力与张拉位移的对应关系散点图,并进行了线性回归,结果如图3所示。其中“+”表示张力增加,“-”表示张力松弛。

从图3中可以发现,锚索张拉后基本上呈张力松弛状态,只有个别锚索爆破后出现一定量的张力增加。通过对施工过程进行分析,可以得出影响锚索张力变化的几种因素:开挖爆破、施作喷射混凝土支护、浇筑边墙衬砌。表2是支洞开挖爆破作业和施作喷射混凝土支护作业前后部分监测锚索张力变化的对比结果。

表2 锚索张力变化统计表 kN

爆破对锚索支护的影响则表现在两个方面,一方面,由于爆破产生的震动效应的影响,锚索张力松弛;另一方面,开挖后释放的地应力一部分作用在原有支护结构上,锚索张力增加。现有锚索张力量测数据中这两个影响因素都有所反映,锚索张力的变化比较复杂。

6.5 孔隙水渗透压力量测成果分析

由于建设区域内赋存地下水的残积土层为弱含水层、基岩强风化带及断层破碎带又多属扭性或压扭性,含水量都较少。其统计结果如表3所示。

表3 渗透压力分布情况统计表 MPa

6.6 围岩松动圈量测成果分析

K46+094断面的SBR094-1测孔波速分布图见图4。从洞壁向里,开始的一段波速较低,表示围岩存在松动区,松动层厚度在3 m～3.8 m之间。其中靠近洞壁处可能是爆破松动带,而离洞壁较远处属于应力下降松弛带,随着向围岩内部逐渐深入波速逐渐升高,最后基本达到一个稳定值。

由于本工程主洞侧墙的锚杆支护采用梅花状布置的6 m,8 m长锚杆,锚杆长度明显大于边墙的松动范围,再辅以25 m的1 000 kN预应力锚索,围岩的整体稳定性可以得到保证。

7 结语

1)施工过程中围岩是稳定的。拱部开挖过程中实测拱顶平均下沉量为-9.3 mm,考虑量测的滞后性,取掌子面到达量测断面时位移释放率为20%;同时考虑下部开挖时拱顶下沉的变化,取拱部开挖时拱顶下沉量为总下沉量的90%,则由拱部实测数据计算所得的拱顶最终下沉量为-12.9 mm,可见施工过程中围岩的稳定性较好。2)开挖方法较为合理。采用这种施工方法,主Ⅱ层岩板开挖后拱部的拉应力区较开挖前减小,这对拱部围岩的稳定性也极其有利。3)围岩稳定性和支护结构安全性较好。201洞库岩台吊车梁加载试验过程中,围岩内部位移和支护结构应力均变化较小,说明围岩稳定性及支护结构安全性较好。

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