野三关隧道施工监控量测技术

2010-08-15郭晋平

山西建筑 2010年27期

郭晋平

1 工程概况

野三关隧道位于巴东县野三关镇碗口河和支井河之间,全长13.841km,为宜万铁路全线最长的隧道。野三关隧道进口位于白家坡二溪河一小溪沟陡崖,隧道出口位于支井河边,洞身最大埋深684 m,纵断面为人字坡。隧道穿越二溪河、苦桃溪深切河谷底部,地质条件异常复杂。

野三关隧道进口段Ⅰ线隧道设计里程为DK116+205～DK123+123.5,隧道全长为6920.5 m。隧道DK116+205～DK117+740位于半径为1600 m的曲线上,其余地段位于直线上;隧道进口DK116+205～DK116+374段为燕尾式隧道及小间距隧道,其余段为双洞单线隧道。

野三关隧道进口段Ⅱ线隧道为原设计预留二线的平导扩建而成,设计里程为ⅡDK116+204.325～ ⅡDK123+106.35,隧道全长为 6902.025 m。隧道ⅡDK116+204.325～ ⅡDK117+706.95位于半径为1600 m的曲线上,其余地段位于直线上;隧道进口DK116+204.325～DK116+372.28段为燕尾式隧道及小间距隧道(同一线施工完毕),其余段为双洞单线隧道。

结合围岩特征和水文地质条件,本段隧道按照新奥法的原理设计施工。单线隧道Ⅱ,Ⅲ级围岩采用全断面施工,Ⅳ,Ⅴ级围岩采用台阶法施工,进口燕尾式双联拱隧道采用中洞法施工。隧道开挖采用光面爆破,严格控制超挖、欠挖,加强监测,及时处理分析数据,调整支护参数。初期支护喷射混凝土设计湿喷工艺。对洞口浅埋、偏压段采用地表预加固或反压回填等方法处理。隧道施工前先做好排水设施,清除虚方,然后进行隧道开挖。洞口施工尽量避开雨季。

2 施工监控量测断面埋设情况

现场监控量测是新奥法复合式衬砌设计,施工的核心技术之一,也是隧道成败的关键。由于隧道勘察工作的局限,隧道的地质条件难以准确查明。施工时地质条件是多变的,施工时围岩监控量测实行“地质监控、安全检查监控、变形量测监控”三步并行的方法。

野三关隧道进口连拱隧道,设计、施工难度大,也是宜万铁路最为复杂的隧道工程之一,为按时、优质、高效地完成该工程,有必要对野三关隧道施工进行全过程监控。

根据野三关隧道围岩与支护结构的受力特点,为满足施工量测数据采集和保证施工安全,现场监控量测项目分为3种量测断面,分别为A型、B型、地表沉降量测断面。

A型量测断面:适用于隧道Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ类围岩及洞口段、偏压段。具体量测项目包括围岩地质与支护描述、周边收敛、拱顶下沉及地表沉降、围岩内部多点位移、锚杆轴力、围岩与喷射混凝土接触压力、初期支护钢支撑应力、初期支护喷射混凝土内部应力应变、二次衬砌与初期支护喷射混凝土接触压力、二次衬砌混凝土内部应力应变。

B型量测断面:适用于隧道Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ类围岩段。具体量测项目包括洞内地质与支护观察、净空变位及拱顶下沉、地表沉降、围岩与喷射混凝土接触压力、初期支护钢支撑应力、围岩内部多点位移、锚杆轴力、初期支护喷射混凝土内部应力应变、二次衬砌与初期支护喷射混凝土接触压力、二次衬砌混凝土内部应力应变。

地表沉降量测断面:适用于隧道洞口地表沉降量测。

根据野三关隧道施工监控量测计划,中铁隧道股份有限公司共埋设9个量测断面,其中A型断面 4个,B型断面3个,地表沉降量测断面2个。

3 数据采集

要求现场工作人员必须按规范和监控量测计划规定的频率坚持每天到洞内采集数据,将采集的数据及时处理,如果发现量测数据出现异常,则应立即分析引起变化的原因,同时增加量测频率,使问题能得到及时有效的处理。

4 施工监控量测数据分析

4.1 DK116+300断面监控量测数据分析

DK116+300断面为A型监控量测断面,以灰色～褐色凝灰熔岩为主,岩体呈块状结构,为Ⅱ类围岩,断面埋设于2005年8月31日,并按量测要求及相关规定进行了量测。

1)周边收敛:一线测点在量测的第4天即遭破坏,二线也同时受到影响,但其随后的历时曲线渐趋平稳,表明围岩和支护已基本稳定。2)拱顶下沉:拱顶的下沉量基本为零,左、右拱腰处下沉量最大。历时10 d后,拱顶下沉逐渐稳定;20 d后,拱顶下沉速率小于1mm/d。3)锚杆轴力:各处的大部分测点的锚杆轴力均很小,压力为主,在4 kN以内。拱部部分测点表现为拉力,最大为2 kN。4)围岩内部位移:各测点稳定后的位移值主要集中在一线以内,移动方向以向着隧道净空方向为主,左拱腰处相对最大,各测点历时曲线平缓,表明其变形已十分稳定。5)喷射混凝土内部应力:历时曲线及相互大小关系基本和围岩与喷混凝土的接触压力类似,最大拉应力位于拱顶,达 12.6MPa。以上两项量测数据说明若喷混凝土与围岩的密贴性不够好,容易导致混凝土剥离掉块。6)围岩与喷射混凝土接触压力:拱顶处接触压力最大,约0.126MPa,左拱腰处最小,约0.02MPa。7)钢支撑内力:边墙处基本不受力,其余各处均为拉应力,以拱顶与左拱腰处最大,达25 kN左右,各测点受力均已稳定。8)喷混凝土与二衬接触压力:拱部三测点的接触压力均较小,最大仅为0.05MPa左右;侧墙接触压力相对比拱部明显,最大值出现于左侧墙的测点,达0.15MPa。这反映洞口浅埋段侧压的特点。但所有5个测点的变化曲线在7 d后都十分平缓。9)二衬内部应力:初始量测时,各测点的二衬内部应力变化曲线存在一定程度的波动,但其后内部应力值均较小。

综上所述,本断面位于进口Ⅱ类围岩段,节理裂隙较发育,围岩内部应力及变形不大,初支与二衬的受力程度较轻,结构稳定,所采用支护结构的强度和刚度是合理有效的。

本断面历时1个月左右,各测试项目的位移速率基本平稳,表明围岩基本稳定,根据《铁路隧道施工技术规范》的规定,可以施作二次衬砌,以形成完整的复合防护体系。

4.2 DK116+206点地表沉降观测分析

DK116+206点主要对该隧道进口的地表沉降进行监测,2005年9月28日～2005年12月8日,历时70 d共观测30次,取得实测数据约600个,8个测点的沉降值均不大,在8mm以内,总体变化趋势平缓。在隧道刚开挖时,测点的地表沉降曲线出现一定波动,但随掌子面与量测断面的距离越来越远,围岩的二次重分布应力逐渐调整平衡,使得该断面的地表沉降再次渐趋稳定。这说明,尽管隧道开挖对地表沉降有一定影响,但只要支护及时,采取措施得力,本段落的地表不会产生明显的沉降。

4.3 监控量测结论

由于连拱隧道结构的特殊性,以及洞门处于偏压段,而造成部分段落受力变形的不对称性,尤其是左、右拱腰区域的围岩应力集中,容易导致结构的破坏变形,部分段落拱部围岩自稳能力不强,施工中及时采取了有效措施,保证结构的安全。在施工监控量测数据的分析结果的指导下,洞口段已安全贯通,各监测断面受力变形基本稳定,隧道已安全通过各段落。根据监测结果,可以进行衬砌施工,以形成完整的复合支护体系,增强隧道结构的安全度。