浅埋隧道施工的监控测量

张书河 孟祥民

1 概述

西村隧道跨度16.0 m,净高 9.8 m,隧道长度1 740 m,最大埋深15 m。沿西村隧道洞身地层主要为第四系及燕山晚期侵入花岗斑岩。隧道所处地段属于桦(墅)—亭(子)复向斜之西段(江宁—沧波门),褶皱轴向为NE40°～55°,枢纽向北东昂起。隧道所处地带为仙鹤门—麒麟门北北向断裂～岩浆岩带,它是在新华夏系活动过程中,作为新华夏系的一组扭面,不断加宽加深,形成的张扭性断裂破碎带上涌形成的岩浆岩带。西村隧道地下水主要为基岩裂隙水及少量孔隙水,赋存于基岩裂隙及土体孔隙之中。本区基岩为中粗粒花岗岩,风化层含水性较差,但透水性较强,在地表水补给充足的情况下,地下水量较大;黏性土含水性及透水性均差,为弱含水层及弱透水层。整座隧道涌水量平均每延米每天流量为0.287 t/(m◦d),为弱含水层,水量不大,但地表水发育。因此在修建中,监控量测是信息化设计与施工的重要内容。

2 监控量测的设计

2.1 项目选择和确定

隧道监控量测的项目应根据工程特点、规模大小和设计要求综合选定。量测项目可分为必测项目和选测项目两大类。选测项目应根据工程规模、地质条件、隧道埋深、开挖方法及其他要求有选择地进行。监控量测工作必须紧跟开挖、支护作业。按设计要求布设测点,并根据具体情况及时调整或增加量测的内容[1]。

根据该工程的实际情况,确切的对地表沉降、拱顶下沉、净空收敛、围岩与初期支护间径向压力、初期支护与二次衬砌间的径向压力、钢拱架应力6个项目进行监测。

2.2 地表沉降监测

在洞口约30 m范围内,隧道埋深小于1倍洞跨范围内加密布设7个检查断面:DK1034+790,DK1034+810,DK1034+830,DK1034+850,DK1034+870,DK1034+890,DK1034+910,每个断面布置7个测点。检查仪器采用S2精密水准仪。地表下沉点的布置根据围岩类别、隧道埋深和开挖宽度确定,一般布置原则为:中间较密、两侧渐稀。其量测频率同拱顶下沉和净空水平收敛的量测频率。量测从开挖工作面前方H+h(隧道埋深+隧道高度)处开始,一直持续到衬砌结构封闭、下沉或趋势稳定。

2.3 洞周收敛监测

1)整个隧道洞内每隔40 m设置一组收敛点,左导洞布设于开挖底面线上2.14 m和6.14 m处,右导洞布设于开挖底面线上6.00 m和9.8 m处。测点布置在靠近工作面0.5 m～2.0 m的断面上[4]。2)布设时间。位置较高的一对收敛点在爆破排烟完毕后立即布设并测其初值,位置较低的一对收敛点在出渣完毕后立即布设并测其初值。

2.4 量测断面间距、量测频率及要求

1)净空变形量测断面的间距根据围岩级别、隧道断面尺寸、埋置深度等确定,其间距采用表1规定。拱顶下沉量测与净空水平收敛量测应在同一断面内进行,并用相同的量测频率,按照表2中变形速度和距开挖工作面距离较高的一个量测频率。

表1 拱顶下沉及周边收敛量测间距表

2)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是否进行。地表下沉量测的测点应与净空水平收敛及拱顶下沉量测的测点布置在同一断面内,沿隧道中线,地表下沉量测断面的间距可采用表3规定。

表2 拱顶下沉及周边收敛量测频率表

表3 地表下沉量测断面间距表

沉降规律可按Peck曲线描述:S=Smaxe(-x2/2t2)。

其中,S为距离隧道中线x处的下沉值;Smax为最大下沉值;t为从地表下沉曲线的拐点到隧道中线的距离。

由沉降槽曲线可知,在拐点处,曲线斜率最大,故理论上通常以此极限条件下的坡度值——极限坡度小于地笼允许侧斜值作为限制条件。

由Peck曲线可知,当x=t时,地表下沉的最大斜率为:

地笼允许侧斜与Qmax相等,此时地表最大允许沉降量:

再由Peck曲线的拐点推导出 t=B/5(B为沉降槽宽度,B=2RKlg H√D。H为埋深;D为跨度;R为地层系数;K为支护系数)[5]。

2.5 测点设置要求及测量工具

隧道周边位移测量以水平相对净空变化值的量测为主,水平净空变化量测线的布置根据施工方法、地质条件、测量断面所在位置、隧道埋置深度等条件确定,每个断面布置3条测量线;拱顶下沉量的位置在每一断面3点。测点的设置能保证在开挖后12 h(最迟不超过24 h)内和在下一循环开挖前测得出此读数。变形缝沉降量测测点布置在变形缝量测,每条变形缝布置1组沉降测点。导坑周边收敛选用球铰弹簧式,拱顶下沉量测采用水平仪、水准尺和挂钩钢尺。监控量测测点布置图见图1。

2.6 量测数据整理、反馈

1)根据现场量测数据绘制水平相对净空变化、拱顶下沉位移—时间曲线图,在位移—时间曲线趋平缓时进行回归分析,以推算最终位移和掌握位移变化规律。当位移—时间曲线出现反弯点,即位移出现反常的急剧增加现象,表明围岩和支护处在已不稳定状态,应及时加强支护必要时停止掘进,采取必要的安全措施。

2)根据位移变化速率判断围岩稳定状况,变形基本稳定符合下列条件:隧道周边变形速率有明显减缓趋势;水平相对净空变化速率小于收敛速度0.1 mm/d～0.2 mm/d,拱顶下沉速率小于0.07 mm/d～ 0.15 mm/d。

3)围岩及支护的稳定性根据开挖工作面的状态,净空水平收敛值及拱顶下沉量的大小和速率综合判断,并及时反馈于设计和施工中,根据水平相对净空变化值进行判断时,符合《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》的有关规定。

4)测点埋设情况和量测资料纳入竣工文件,以备运营中查考或继续观察。

3 监控量测管理

1)按变形管理等级指导施工。2)根据位移变化速度判别净空变化速度持续大于5.0 mm/d时,围岩处于急剧变形状态,应加强初期支护。水平收敛(拱脚附近)速度小于0.2 mm/d,拱顶下沉速度小于0.15 mm/d,围岩基本达到稳定。在浅埋地段情况下,应采用监控量测分析判别。3)根据位移时态曲线的形态来判别。当围岩位移速率不断下降时(du2/d2t＜0),围岩趋于稳定状态;当围岩位移速率保持不变时(du2/d2t=0),围岩不稳定,应加强支护;当围岩位移速率不断上升时(du2/d2t＞0),围岩进入危险状态,必须立即停止掘进,加强支护。

4 结语

因为浅埋隧道开挖对围岩破坏大、易塌方,通过对西村隧道的预定监控方案的实施,使得施工方法更合理、更安全;施工方法由双侧壁导坑过渡到台阶法,也加快了施工进度。实践证明通过施工现场的监控量测,可为判断围岩稳定性、支护、衬砌可靠性、二次衬砌合理施作时间以及修改施工方法、调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据,指导日常施工管理,确保施工安全和质量。采用新奥法原理设计、施工的隧道,监控量测是施工过程中必不可少的施工程序。

[1] TZ 214-2005,客运专线铁路隧道工程施工技术指南[S].

[2] TB 10121-2007,铁路隧道监控量测技术规程[S].

[3] TBJ 108-92,铁路隧道喷锚构筑法技术规则[S].

[5] 李东平.大断面黄土隧道施工技术探讨[J].山西建筑,2008,34(5):329-330.