谈监控量测技术在高速公路隧道中的应用

谈监控量测技术在高速公路隧道中的应用万仁勇【减小字体】【增大字体】论文关键词[中华论文网()欢迎您！][中华论文网()欢迎您！][中华论文网()欢迎您！][中华论文网()欢迎您！][中华论文网()欢迎您！][中华论文网()欢迎您！][中华论文网()欢迎您！][中华论文网()欢迎您！]:公路隧道新奥法（NATM）监控量测论文摘要:高速公路隧道已广泛采用新奥法设计与施工,现场监控量测是新奥法设计与施工的重要组成部分。通过对隧道进行监控量测,可预测预报围岩变化,优化设计和指导施工,确保隧道施工安全,使工程投资经济合理。通过对济邵高速公路乔庄隧道的拱顶下沉、水平收敛、地表沉降、喷层应力、钢拱架应力等多项涉及围岩稳定性及支护合理与否的参数进行跟踪量测,实时确定了合理的二次衬砌施工时间,成功避免了施工中重大安全事故的发生,确保了隧道施工安全和质量,对隧道施工具有指导意义。Keywords：Highwaytunnel;NATMmonitoringmeasurementtechnologyAbstract:TheNewAustrianTunnelingMethod(NATM)iswidelyusedindesignandconstructionofexpresswaytunnels.In-situmonitoringandmeasuringplaysaveryimportantroleindesignandconstructionofNATM.Throughmonitoringandmeasuringcarriedoutfortunnels,surroundingrockchangepredictionsandoptimaldesignscanbedoneandtheconstructioncanbecarriedoutunderguidance,sothattheconstructionsafetycanbeguaranteedandtheengineeringinvestmentcanbemorereasonable.ThemonitormeasuringofNATMwasstudiedintheQiaozhuangTunnelinJishaoExpress.Basedonsomemonitoringandmeasuringjobsuchassubsidencedisplacement,convergencedisplacement,submergenceofground,thesprayedcoatingsstress,thestressofsteelbowmember,whicharerelatedtothestabilityofsurroundingrockandtherationalityofsupport,theoptimumtimeforprimaryandpermanentsupportareobtainedwhichavertingsuccessfullyaccidentsinconstruction,enhancingtheconstructionqualitiesandguidancetothesamegeologytunnelconstruction.济（源）邵（原）高速公路项目的乔庄隧道穿过黄土状亚粘土、砂岩和泥质粉砂岩的强风化、弱风化层，围岩强度较低，遇水易软化，节理裂隙发育，隧道两端洞口埋深较浅，自稳能力差，严重威胁着施工安全。在施工的过程中,对围岩及衬砌结构的应力和位移进行了跟踪监控,获得了大量的原始数据,且都及时反馈于施工中,为在不同围岩情况下实施不同的施工方法提供了科学依据,为安全顺利的施工提供了保障。1．工程概况1.1概况济（源）邵（原）高速公路工程东起河南省济源市轵城镇耿章村附近，与二（连浩特）广（州）高速公路济源至洛阳段连接，大致平行省道温邵线（S312），路线沿济源市南部山岭向西，经轵城镇、承留镇、大峪镇、王屋乡、下冶乡、邵原镇，止于河南省济源市与山西省阳城县交界处的西阳河，接山西省运城市境内规划的东（镇）蒲（掌）高速公路，路线全长约59.771km，是河南省高速公路规划网中的省级干线公路，也是河南省西北部通往山西省的主要出口路之一。乔庄隧道是济邵高速公路的重点控制工程之一，隧道进洞口位于济源市王屋乡乔庄村，出口位于王屋乡官地村，属侵蚀剥蚀低山丘陵区（Ⅱ）。隧道轴线通过处最高海拔约588m，最大相对高差约130m。山体走向近东西向。覆盖黄土状亚粘土，局部出露新第三系洛阳组（N1l）未胶结砾岩和三叠系二马营组（T2er）粉砂质泥岩。隧道为单向分离式单向行车双车道隧道，左线全长1970m，=4\*ROMANIV级围岩1660m，=5\*ROMANV级310m；右线全长1920m，=4\*ROMANIV级围岩1540m，=5\*ROMANV级380m。隧道净宽10.25m，净高5.0m，断面净空面积65.24m2。其地层与构造分布如图1所示：图1乔庄隧道地质构造总体分布1.2水文地质条件隧道穿越低山丘陵区，地形起伏较大，地表迳流条件好，地表水除部分渗入地下外，多数以地表迳流的形式从沟谷中排泄到区外水系中。总体来说，隧道区地下水水量贫乏，主要为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水，水文地质条件较简单，水质类型为HCO3—Ca、HCO3—Ca·Mg型。1.3施工方法Ⅴ级围岩采用管棚注浆或小导管注浆超前支护留核心土环状开挖法施工，人工开挖或弱爆破开挖。Ⅳ级围岩采用台阶法施工。2．监控量测内容及断面布置2．1量测内容及量测频率隧道监控量测工作内容,可分为直接指导工程施工的必测项目和进行科学研究的选测项目两部分内容,其两者是相辅相成的。必测项目中的量测数据,有的可以直接为隧道施工服务,如地表沉降量测,有的是通过利用类比的方法判别承载结构是否稳定,如拱顶下沉、周边位移。选测项目是着重对承载结构内部各种作用机理可以量化的部分得出相关数据,为以后理论研究提供原始数据,同时为评价承载结构受力状况提供参考。根据乔庄隧道的地质、水文特性以及施工要求，量测内容的重点除了规范规定的4项必测内容之外根据研究的需要,进行了初期支护的喷射混凝土层应力和钢拱架应力的量测工作，另外，由于隧道的两端洞口围岩均为=5\*ROMANV级，围岩强度底，自稳能力差，岩性变化大，如施工工艺不当易造成围岩失稳，因此在隧道洞口进行了地表沉降的量测。具体的量测内容及频率见表2表2乔庄隧道主要监控量测项目及量测频率2.2量测断面的布置代表性断面以及测点的布设的选取，是监控量测的首要工作。根据《公路隧道序号项目名称量测元件量测频率1-15d16d-1个月1-3个月＞3个月1净空收敛JSS30型收敛计1-2次/天1次/天1-2次/周1-3次/月2拱顶下沉水准仪1-2次/天1次/天1-2次/周1-3次/月3隧道内目测观察───全长度，各开挖面，每次爆破后进行4锚杆抗拔力锚杆拉拔器每30m一个断面，每个断面测试5根5地表沉降水准仪1-2次/天1次/天1-2次/周1-3次/月6钢拱架应力钢板应变计1-2次/天1次/天1-2次/周1-3次/月7喷混凝土应力混凝土应变计1-2次/天1次/天1-2次/周1-3次/月施工技术规范》TJT042-94要求，在施工过程中，按照10－50m的标准选定断面，以及拱顶，拱肩，施工地板上1.5m等典型位置布置测点。乔庄隧道设计中将拱顶下沉和围岩净空收敛量测的断面间距初步定为，=5\*ROMANV级和=4\*ROMANIV级均为20m；根据隧道围岩的实际情况确定了两个安装断面进行初期支护的喷射混凝土层和钢拱架应力量测；对于隧道洞口地段，由于覆盖层小于40m，而且围岩类别较低，埋设了地表沉降观测断面，其布点均按规范进行。各测点及量测元件的布置见图2图2监控量测点布置图3应变计布置详图3．数据的采集与分析为了能对围岩及支护结构的性态作较全面的分析,并且能获得完整的数据,同时又使各项数据间能相互比较、相互验证,因此必测项目和选测项目的各项量测内容应尽量布置在同一个断面上。各量测断面的测点应在靠近开挖面及时安装，范围控制在2m以内，并在工作面开挖后12ｈ内和下一次开挖之前测取初始读数。在实际的安装埋设中，有时因为施工干扰或避免测点遭到破坏，测点安装位置会离开挖面远些，此时在利用此数据分析判别时，应考虑围岩初期的变形释放。量测频率也可以根据施工具体情况调整,由产生的最大位移速率来确定。乔庄隧道已测数据表明,量测时间以30～50ｄ为宜。3．1隧道拱顶下沉及净空收敛量测隧道拱顶是隧道周边上的一个特殊点，其位移情况具有较强的代表性，通过对隧道拱部下沉的绝对值量测,了解断面变形情况、判断拱顶的稳定性,该手段是防止塌方的有效措施之一，因此应加强拱顶位移的监测；洞内净空位移收敛量测是目前洞内监测的主要内容之一,因为周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反映,量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息，而且还可以根据变位速率判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机。乔庄隧道代表性断面ZK42+665的拱顶下沉和净空收敛曲线见图4，图5。图4ZK42+665断面位移值与时间的关系曲线图5ZK42+665断面位移速率与时间的关系图4、图5表明,隧道围岩的自稳性较好,稳定所需天数在30ｄ之内,总变形量不大,在4～6ｍｍ之间,末次量测时，当日变形速率在0～0.01ｍｍ/ｄ左右,对于隧道施工很有利。根据隧道已开挖地段实测数据,拱顶下沉和水平收敛曲线可分为3个阶段:1)急剧变形阶段(变形速率较大,一般在开挖及初期支护后7ｄ内,其当日变形速率1ｍｍ/ｄ);2)缓慢变形阶段(变形速率开始减缓,一般在30ｄ之内,其当日变形速率0.2ｍｍ/ｄ(水平收敛)和0.15ｍｍ/ｄ(拱顶下沉));3)稳定变形阶段(开挖及初期支护35d之后,当日变形速率趋于零,变形逐渐稳定)。通过对此变形阶段的合理划分,可以为判断隧道围岩开挖后的稳定状况和及时把握二次支护时机提供科学依据。3．2隧道内目测观察及锚杆抗拔力检测通过肉眼观察、地质锤和地质罗盘测量,描述和记录围岩地质情况、岩层产状、断层破碎带、褶皱、地下水及支护效果,对围岩稳定性进行评价,判断围岩类别是否与设计相符,必要时拍照,测量地下水流量,每一量测断面要有一张记录表并填图。通过锚杆抗拔力检测,可以测定锚杆的锚固力是否达到设计要求,判断所使用的锚杆长度是否适宜以及检查锚杆安装质量。采用快速量测法,使用设备为ＭＬ型锚杆拉力计,检测值根据设计要求的锚固力不小于50KN作为标准,采用非破坏性试验。3．3地表沉降观测乔庄隧道入口为=5\*ROMANV级围岩，隧道埋深较浅，围岩稳定性差，在隧道入口地段（ZK42+358～ZK42+365）共埋设地表下沉测点7个,具体布置见图2，测点间距为2～5m。用水准仪和塔尺进行地表下沉的观测,历时65天，从获取的量测数据来看,最大值为2ｍｍ,考虑测量误差,地面无明显沉降，不会对洞室周围建筑物产生大的影响。3．4喷射混凝土层和钢拱架应力量测乔庄隧道出入洞口为=5\*ROMANV级围岩，其余为=4\*ROMANIV级围岩。各级围岩地段的初期支护形式如表3所示。根据实际地质情况，在乔庄隧道左线选取了两个断面进行初期支护的应力量测（ZK42＋665，ZK42＋798）。选取的两个断面中，ZK42＋665断面埋深为58m，地表处于一个大的冲沟范围内，地形呈左高右低走势，存在偏压现象。该断面附近洞段岩性主要为泥岩和泥质粉砂岩互层，岩体呈典型的块碎石状镶嵌结构，受地质构造影响严重，节理裂隙普遍发育，同时隧道内有大量的地下水渗入，与设计图纸中的“隧道区地下水水量贫乏”地质情况不符，施工中时有掉块现象，围岩稳定性较差，因而该断面在隧道软弱围岩段中具有典型代表性。表3乔庄隧道初期支护参数采用XJH-2型振弦式混凝土应变