西格嶺隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)研究

張先軍，王玉鎖，葉躍忠

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031;2.西南交通大學(xué)(峨眉校區(qū))土木工程系，四川 峨眉 614202)

1 工程概況

西格嶺隧道位于西昌市經(jīng)久工業(yè)園區(qū)東南端，介于張家山至李宗仁屋脊之間，是一條雙線鐵路隧道，全長1 160 m，圍巖等級(jí)V級(jí)，最大埋深約70 m。隧址地段巖層風(fēng)化嚴(yán)重，主要為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、黏土巖及砂質(zhì)黏土巖，圍巖自穩(wěn)能力較差、強(qiáng)度較低，遇水易軟化，但巖層地下水欠發(fā)育，無斷裂構(gòu)造。

2 監(jiān)控量測方案

隧道施工過程中，現(xiàn)場監(jiān)控量測是對(duì)圍巖及支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為圍巖級(jí)別變更、初期支護(hù)和二次襯砌的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)，是確保隧道施工安全、指導(dǎo)施工程序、便利施工管理的重要手段，也是采用新奧法施工過程中必不可少的施工環(huán)節(jié)之一。

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

隧道監(jiān)控量測內(nèi)容分必測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目，必測項(xiàng)目包括:地表沉降、洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉、洞周收斂;選測項(xiàng)目作為必測項(xiàng)目的驗(yàn)證和補(bǔ)充，可根據(jù)隧道圍巖性質(zhì)、埋深、開挖方式等條件確定，主要包括圍巖壓力、鋼架壓力、錨桿軸力、噴混凝土內(nèi)力、二次襯砌內(nèi)力、孔隙水壓、爆破振動(dòng)和縱向位移等。

結(jié)合西格嶺隧道實(shí)際地質(zhì)和施工設(shè)計(jì)要求，監(jiān)控量測以必測項(xiàng)目為重點(diǎn)，擬對(duì)無尺量測技術(shù)進(jìn)行深入研究，必測項(xiàng)目測試內(nèi)容及儀器如表1。

表1 必測項(xiàng)目測試內(nèi)容及儀器

2.2 監(jiān)測方法

2.2.1 地表沉降量測

隧道洞口段圍巖高度風(fēng)化、埋深較淺，開挖易塌陷，為確保洞口段施工安全，需進(jìn)行地表沉降量測。根據(jù)西格嶺隧道洞口段實(shí)際埋深，縱向布置5排地表沉降測點(diǎn)，間距分別為 10 m、10 m、20 m、20 m;橫向每排布置9個(gè)測點(diǎn)，間距為2～5 m，隧道中線附近測點(diǎn)適當(dāng)加密，兩側(cè)量測范圍不小于H0+B。地表測點(diǎn)布設(shè)采用長為1 m，直徑8～16 mm光圓鋼筋，鋼筋端部露出基巖2～3 cm刻十字線，以十字中心作為地表測點(diǎn)，同時(shí)在穩(wěn)定基巖上布置2個(gè)測量基準(zhǔn)點(diǎn)，以備校核。具體布置按圖1所示。

2.2.2 地質(zhì)及支護(hù)狀況觀察

圖1 地表測點(diǎn)橫向布置

觀察項(xiàng)目包括掌子面和支護(hù)狀況兩方面。掌子面觀察內(nèi)容有:地質(zhì)特征及分布情況、巖性特征、地層時(shí)代及產(chǎn)狀、節(jié)理性質(zhì)及發(fā)育程度、斷層性質(zhì)及破碎帶狀況、涌水特征等;根據(jù)觀測結(jié)果每周繪制掌子面素描圖并整理成冊，為后期分析圍巖穩(wěn)定性提供依據(jù)。支護(hù)狀況主要觀察噴混凝土表層、錨桿及鋼架工作應(yīng)力狀態(tài)，表面裂紋等，通過分析可直觀反應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠程度。

2.2.3 拱頂下沉及洞周收斂

本隧道采用臺(tái)階法和CRD法施工。根據(jù)圍巖級(jí)別、施工方法和隧道尺寸等，沿隧道縱向及洞周布設(shè)測點(diǎn)，縱向測點(diǎn)斷面間距為10 m，洞周測點(diǎn)按圖2布置。

圖2 測點(diǎn)布置

布設(shè)反射膜片測點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意:拱墻膜片與隧道中線約60°角;拱頂膜片約30°俯視角，確保測量反射光線沿原路返回測試透鏡中，消除反射誤差。

2.3 監(jiān)測頻率及判別基準(zhǔn)

2.3.1 監(jiān)測頻率

隧道采用位移速度確定的監(jiān)測頻率進(jìn)行監(jiān)測，按表2確定[1]，當(dāng)位移速度出現(xiàn)異常情況或遇不良地質(zhì)地段時(shí)，應(yīng)增大監(jiān)測頻率。

表2 按位移速度確定的監(jiān)測頻率

2.3.2 判別基準(zhǔn)

1)Ⅴ級(jí)圍巖允許相對(duì)位移值為0.2% ～0.8%，位移管理等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]:Ⅰ級(jí) U<正常施工，Ⅱ級(jí)<加強(qiáng)支護(hù)，Ⅲ級(jí)采取特殊措施(U—實(shí)測位移，U0—極限位移)。

2)凈空變化速率持續(xù) >1.0 mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù);凈空變化速度 <0.2 mm/d 時(shí)，圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定[2]。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

按實(shí)測數(shù)據(jù)繪制位移時(shí)程曲線和速率時(shí)程曲線。由于量測數(shù)據(jù)可能存在偶然誤差，曲線波動(dòng)幅度較大，用它來表示變形發(fā)展趨勢是不準(zhǔn)確的。因此需要采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)知識(shí)，對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到圍巖最終的變化規(guī)律，指導(dǎo)各施工工序的進(jìn)行(如確定二次襯砌、仰拱施作的合理時(shí)間、上下臺(tái)階工作面間距等)。

以DK1+080斷面(臺(tái)階法施工)回歸分析為例，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，一般采用指數(shù)、對(duì)數(shù)及雙曲線函數(shù)進(jìn)行擬合［3-4］。原形公式及換算線性公式具體如下:

1)指數(shù)函數(shù):u=Ae－B/t，轉(zhuǎn) 化 為 直 線 函 數(shù)

設(shè)一般直線函數(shù)形式為y=a+bx，求出a、b值，然后換算出A、B值，詳細(xì)回歸參數(shù)見表3。

表3 線性回歸分析參數(shù)表

圖3 拱頂下沉?xí)r程曲線擬合

圖4 上臺(tái)階收斂時(shí)程曲線擬合

圖5 下臺(tái)階收斂曲線擬合

圖6 速率實(shí)測曲線

3.2 數(shù)據(jù)分析

1)實(shí)測速率曲線直接預(yù)警施工初期險(xiǎn)情狀況。

圖6中實(shí)測速率基本在(1～5)mm/d之間，監(jiān)測頻率應(yīng)為1次/d，但前期開挖時(shí)拱頂下沉速率 >5 mm/d，應(yīng)加大監(jiān)測頻率，確保施工安全。

2)回歸分析能夠避免實(shí)測數(shù)據(jù)的偶然誤差，預(yù)測變形發(fā)展趨勢。

圖3、圖4和圖5反應(yīng)了DK1+080斷面在后續(xù)施工過程中圍巖的變形趨勢、穩(wěn)定時(shí)間及最終位移。第41 d后洞內(nèi)位移均趨于基本穩(wěn)定，通過回歸分析可知拱頂下沉極限位移u=74.366 mm，上臺(tái)階收斂極限值u=－23.51 mm，下臺(tái)階收斂極限u=4.1 mm。

3)下臺(tái)階收斂實(shí)測曲線，反應(yīng)了仰拱緊跟施作的必要性。

圖3中30 d后，擬合曲線略小于實(shí)測值;圖4中30 d后，擬合曲線絕對(duì)值略大于實(shí)測值。原因是第30 d進(jìn)行了下臺(tái)階開挖，隧道上部整體小幅下沉。圖5反應(yīng)下臺(tái)階收斂變化較復(fù)雜，很難采用某種單一曲線擬合(圖示擬合不理想)預(yù)測發(fā)展趨勢。圖5中第37 d下臺(tái)階開挖完成，斷面凈空加大，位移呈直線增長。為保證施工安全，第41 d緊跟施作仰拱形成圓環(huán)，斷面支護(hù)強(qiáng)度大大提高，圍巖變化趨勢迅速穩(wěn)定。

4)全斷面分析。

4 結(jié)論及建議措施

隧道洞內(nèi)變形及地表沉降監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)是可靠的，將時(shí)程曲線與圍巖等級(jí)、施工方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)及埋深等結(jié)合分析，可迅速反饋圍巖穩(wěn)定狀況、支護(hù)參數(shù)和施工方法的合理情況，對(duì)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)具有重要意義。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測表明，西格嶺隧道圍巖條件較差、風(fēng)化嚴(yán)重、變形較大及地下水等，施工中應(yīng)減小上下臺(tái)階工作面間距;降低循環(huán)進(jìn)尺，適當(dāng)縮小鋼拱架間距、加強(qiáng)超前支護(hù);每個(gè)施工循環(huán)，掌子面開挖工序完成應(yīng)噴漿封閉圍巖，減小該循環(huán)其它工序?qū)鷰r的擾動(dòng);下臺(tái)階開挖，上部鋼架應(yīng)加強(qiáng)鎖腳錨管措施，防止圍巖整體下沉，同時(shí)緊跟施作仰拱，盡早成環(huán);施工中加強(qiáng)洞內(nèi)外排水措施，避免巖體軟化;特殊地段可以提前施作二次襯砌，保證隧道安全通過。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10204—2002 鐵路隧道施工規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10108—2002 鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

[4] 于廷新，佴磊，于炎鑫.基于兩步分級(jí)法和現(xiàn)場監(jiān)控量測的隧道圍巖穩(wěn)定性研究［J］.鐵道建筑，2009(12):43-45.