监控量测技术在浅埋大跨度双线铁路隧道中的应用

2011-09-04苏兴

铁道建筑 2011年7期

关键词：下台阶测线拱顶

苏兴

(中铁八局集团公司，成都 610036)

监控量测技术在浅埋大跨度双线铁路隧道中的应用

苏兴

(中铁八局集团公司，成都 610036)

家乡沟隧道为典型的浅埋单洞双线大跨度隧道，本文通过对浅埋大跨度铁路隧道施工过程中支护结构变形与受力的监控量测，为台阶法在隧道工程施工中的应用提供了理论依据和安全保障。

浅埋大跨度铁路隧道台阶法监控量测

1 工程概况

新建达成铁路设计时速为200～250 km/h客货共用双线电气化铁路，家乡沟隧道(DIK227+770—DIK 228+466)地处四川省大英县境内，为典型的浅埋单洞双线大跨度隧道。隧道全长为696 m，开挖截面面积140～160 m2，穿越地层为粉质黏土、侏罗系蓬莱组水平层状砂质泥岩，所处地层根据围岩类型划分为V级围岩496 m，IV级围岩200 m。隧道进出口均处于偏压受力状态，最小埋深仅8 m，围岩破碎，地下水发育。

达成线家乡沟隧道采用复合式衬砌，初期支护采用C20喷射混凝土、φ8 mm钢筋网、φ22 mm砂浆锚杆联合支护，局部地段设置I18号工字钢加强支护。Ⅳ级围岩地段初期支护为喷锚支护，采用拱墙格栅钢架和拱部φ25 mm水平砂浆锚杆加强支护，钢架纵向间距1.0 m，二次衬砌采用C25耐腐蚀混凝土支护。Ⅴ级围岩地段初期支护为喷锚支护，采用I18工字钢架和拱部φ25 mm水平砂浆锚杆加强支护，钢架纵向间距0.8 m，二次衬砌采用C25耐腐蚀钢筋混凝土支护。

隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩段设计采用中壁法施工，但进度缓慢，在确保施工安全的前提下，改用长台阶法施工，施工中遵循“短进尺，弱爆破，快循环，早封闭，勤量测”的原则。开挖后立即进行初期支护，二次衬砌及时跟上。为减少爆破次数，下台阶与仰拱一次爆破成型，上、下台阶距离保持60～80 m。为保证隧道内道路畅通，下台阶及仰拱分左、右两部开挖，前后距离保持15 m。钻眼深度3.4 m，进尺2.7 m，掌子面作业循环时间11.5 h，月平均进尺126 m。

2 监控量测方案

家乡沟隧道现场监控量测的内容总共分为4项，具体量测内容如表1所示。

表1 大跨度双线隧道现场监控量测项目

对于Ⅴ级围岩，为确保量测数据的可比性，量测项目全部按照表1中所列的项目进行，而对于Ⅳ级，由于围岩条件相对较好，选择表1中的开挖面地质状况观察、围岩收敛量测、围岩衬砌压力3个项目进行量测。

根据《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》(TB10108—2002)以及《客运专线铁路隧道施工技术指南》(TZ214—2005)中的有关技术规定和要求，确定的隧道现场监控量测测试频率如表2所示。

表2 大跨度双线隧道现场监控量测频率

隧道开挖面地质状况采用人工观察的方式进行，围岩变形、锚杆轴力、围岩压力等量测项目，采用在围岩内部安装传感器并配置测试仪表来加以量测。

2.1 围岩位移量测

围岩位移量测通过在开挖后的坑道内壁面设置锚固点，并采用隧道收敛计测定坑道围岩壁面发生的收敛变形。隧道围岩收敛量测方式及测线的布置如图1所示，通过测定隧道开挖过程中测线AE、BD、CF相对位移随开挖掘进时间和开挖进尺的变化，可以确定出各个测线发生的收敛值，也就是围岩典型部位发生的相对位移大小。由于隧道采用了上、下台阶的钻爆法施工，上台阶超前下台阶的距离大约有80 m，因此在上台阶掘进期间只能先安装上台阶的测线，即点B、点C和点D三个测点。当下台阶掘进至上台阶已经安装测试元件的断面里程时，再安装下半断面的测点，即点A和点 E。

图1 隧道围岩收敛位移量测

2.2 锚杆轴力量测

方案采用了专用的量测锚杆进行锚杆轴力的量测。将带有丝扣的锚杆钢筋计旋紧而形成锚杆测力计，每根锚杆安装了3个钢筋计，并且在每个量测断面布置5个测点。锚杆轴力量测的现场布置方式如图2所示，各孔内的传感器数据采用频率读数仪进行采集。

在上台阶掘进期间先安装测点 B、测点C和测点D三部位的量测锚杆，待下台阶掘进到该断面时再安装下断面点A和点E处的量测锚杆。

2.3 围岩压力

围岩压力通过初期支护与二次衬砌之间埋设压力盒的方式进行量测。为便于压力盒的安装，待开挖面初喷混凝土强度到达设计要求后，将压力盒埋置在初期支护与二次衬砌之间。每个量测断面布置5个压力量测点，如图3所示，即点 A、点 B、点 C、点 D和点 E，以确定围岩作用在支护体系上的压力，并判断围岩压力的分布特点。围岩压力量测采用钢弦式双膜压力盒进行测定，其受围岩作用而承受的压力值由频率读数仪进行采集。

图2 锚杆轴力量测布置图

图3 围岩接触压力量测图

3 量测结果分析

为使现场监控量测的结果能反映特定围岩的变形特性，并使监测具有一定的代表性，家乡沟隧道在Ⅴ级围岩地段共设置了 3个监测断面，DIK227+997，DIK227+949，DIK227+928，在Ⅳ级围岩地段设置了2个监测断面，DIK228+129和DIK228+098。

3.1 Ⅳ级围岩量测结果分析

家乡沟隧道Ⅳ级围岩共监测了2个量测断面，选取DIK228+129断面为代表进行Ⅳ级围岩量测结果分析。现场量测结果分别如图4所示。其量测得到的结果主要有隧道初期支护作用下拱顶下沉、两侧坑道壁面的收敛变形以及围岩的接触压力。

在Ⅳ级围岩的里程 DIK228+129处，隧道开挖后拱顶的下沉量在初期支护作用下的前5 d内变化较为剧烈，从第5 d起以后变化比较平缓，当监测时间达到30 d后其数值仍然不断变化，但基本上是趋于稳定状态。由于40 d后下台阶钻爆掘进到达此里程处，致使隧道拱顶的下沉又有所增加，下台阶开挖引起的拱顶下沉增量最大值为0.4 cm，占最大下沉值的7.69%。当下台阶掘进并通过DIK228+129监测断面后，拱顶下沉量逐渐趋于稳定。经过监测，隧道在初期支护作用下，其拱顶累计的最大下沉量为5.2 cm。

隧道上台阶拱腰两侧围岩的水平收敛位移最大值为1.7 cm，其水平相对位移为0.123%。这个水平收敛位移是在上台阶开挖掘进过程中量测获得的，而下台阶的掘进滞后于上台阶40 m。因此，下台阶的开挖对隧道拱顶下沉具有一定的影响，而对于隧道两侧围岩水平收敛位移的影响较小，下导坑开挖引起的水平收敛位移增量为0.2 cm，其值占最大位移值的11.76%。

由图4可知DIK228+129监测断面处，两侧围岩内锚杆的受力不同。隧道拱腰部位测点B和测点D的锚杆杆体受拉力较大，而其它部位测点的锚杆杆体所受到的拉力较小。

由测得的隧道初期支护与二次衬砌之间的接触压力变化曲线分析，拱顶中部测点C的接触压力最大值为0.072 MPa，测点 D的接触压力最大值为 0.130 MPa，测点B的接触压力最大值为0.150 MPa，而 E点的接触压力最大值为0.280 MPa。从围岩作用于二次衬砌的接触压力大小可以看出，隧道二次衬砌所受到的围岩作用较小。

图4 Ⅳ级围岩DIK228+129监测断面锚杆轴力变化曲线

3.2 Ⅴ级围岩

在家乡沟隧道的Ⅴ级围岩地段共设置了3个量测断面，选取DIK227+997断面为代表进行Ⅴ级围岩量测结果分析。图5为里程DIK227+997处监测断面各测点的量测结果。

图5 Ⅴ级围岩DIK227+997监测断面拱顶下沉与水平收敛曲线

根据图5所示，家乡沟隧道Ⅴ级围岩在里程DIK227+997处的拱顶下沉量在开挖面掘进通过30 d后变化较为剧烈，而在30 d以内的变化较小。30 d后变化剧烈的原因是由于下台阶的开挖，致使隧道拱顶的下沉增大，经过40 d以后，下沉逐渐趋于稳定，拱顶的最大下沉值为3.2 cm。下台阶开挖到此断面时引起的下沉增量达到1.2 cm，占最大下沉值的37.5%。从隧道两侧围岩的水平收敛位移分析，其位移值均比较小。上台阶掘进期间测线DB的水平收敛位移最大值为5.7 mm，而下台阶测线AE的水平收敛位移值最大为6.3 mm。经过计算，上台阶拱脚的水平相对位移为0.023%，而下台阶边墙的水平相对位移为0.044 7%。

锚杆均处于受拉状态，其中测点D和E处的锚杆拉力较大。而测点A、B、C三处的锚杆拉力较小。测点D处锚杆所受到的最大拉力为22.2 kN，在测点E处锚杆的拉力最大值为19.5 kN。

由测得的初期支护与二次衬砌之间接触压力变化关系曲线分析，测点D和测点A处的接触压力较大，拱顶中部C点处的接触压力较小。测点D处接触压力最大值为0.120 MPa，而测点B处的接触压力最大值为0.089 MPa。从压力盒量测的接触压力数值分析，该断面二次衬砌所受到围岩作用较为均匀，同时也说明二次衬砌所受到的围岩作用较小。

3.3 量测结果的分析

通过以上量测结果分析，IV级围岩拱顶累计的最大下沉量为5.2 cm，小于预留变形量且变形趋于稳定。上台阶掘进期间测线DB的水平收敛位移最大值为1.7 cm，其水平相对位移为0.123%。设计规范中水平极限相对位移为0.11% ～0.33%，结合本隧道穿越地层为软质围岩，取值应选较大值，变形处于合理范围，初期支护稳定。锚杆轴力最大值17.48 kN，远小于150 kN的设计值。最大围岩压力0.28 MPa，数值较小，初期支护承担了大部分荷载，衬砌主要作为安全储备。

V级围岩拱顶累计的最大下沉量为3.2 cm，小于预留变形量且变形趋于稳定。上台阶掘进期间测线DB的水平收敛位移最大值为5.7 mm，下台阶测线AE的水平收敛位移最大值为6.3 mm。经过计算，上台阶拱脚的水平相对位移为0.023%，而下台阶边墙的水平相对位移为0.044 7%，远小于极限相对位移0.2% ～0.5%的取值范围。锚杆轴力最大值22.2 kN，远小于150 kN的设计值，最大围岩压力0.12 MPa，数值较小，初期支护承担了大部分荷载，衬砌主要作为安全储备。