淺埋隧道大斷面圍巖量測

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展, 對交通運輸能力的要求越來越高。鐵路建設(shè)以其占地少、運量大及長途運輸能力強等優(yōu)勢,已成為拉動國民經(jīng)濟增長的支柱產(chǎn)業(yè)、帶動地方經(jīng)濟發(fā)展的龍頭。在山嶺、丘陵地區(qū)的鐵路建設(shè)中,隧道方案以能縮短行車里程,提高線型標(biāo)準(zhǔn)、保障運營安全,保護生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點,得到普遍應(yīng)用。隨著隧道工程越來越多，超長隧洞、超大斷面、超差地質(zhì)條件隧道的應(yīng)用也就越來越廣。但由于地下隧道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，巖性參數(shù)的不確定性，使得隧道穩(wěn)定性問題更為重要。這就對隧道施工技術(shù)提出了更高的要求。

在隧道施工過程中采用圍巖量測監(jiān)控技術(shù),對圍巖變化情況及支護結(jié)構(gòu)進行量測,及時提供圍巖穩(wěn)定程度與支護結(jié)構(gòu)可靠性的安全信息,預(yù)見事故及險情,作為調(diào)整與修改支護設(shè)計的依據(jù),并在復(fù)合式襯砌中,依據(jù)測量結(jié)果確定二次襯砌施做的時間,以達到監(jiān)控隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)的變化不超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

在某隧道施工中，由于隧道開挖斷面大,初期支護后圍巖暴露的時間相對較長,為此,應(yīng)用了圍巖量測技術(shù),全過程監(jiān)督圍巖的變形和初期支護變形的動態(tài), 通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與研究,選擇適宜的支護措施, 指導(dǎo)合理安排工序,及時修改支護參數(shù),確保了工程的安全與質(zhì)量,提高了施工效益并節(jié)約了施工成本。

某特長大斷面黃土隧道采用新奧法設(shè)計和施工,現(xiàn)場監(jiān)控量測已列入設(shè)計文件,并在施工過程實施�，F(xiàn)場監(jiān)控量測是判斷圍巖和隧道的穩(wěn)定狀態(tài)、保證施工安全、指導(dǎo)施工順序、進行施工管理、提供設(shè)計信息的重要手段。而隧道圍巖收斂量測是判斷圍巖動態(tài)的最主要的量測項目, ,其量測設(shè)備簡單、操作方便,對圍巖動態(tài)監(jiān)測的效果也很好。

本文通過某隧道施工的實踐，通過利用圖表對量測數(shù)據(jù)進行分析，有很強的可操作性和

工程指導(dǎo)性。監(jiān)控量測的主要任務(wù)是在施工過程中使用不同的儀器對圍巖進行測量并對量測數(shù)據(jù)進行回歸分析，研究圍巖的穩(wěn)定性，指導(dǎo)隧道施工。本文旨在為量測斷面出現(xiàn)的不同的穩(wěn)定情況進行原因分析，為隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析處理提供簡單快捷、合理可靠的處理方法。

隧道圍巖在開挖前認為是均勻的介質(zhì),在隧道開挖后原來的應(yīng)力平衡體系遭到破壞,圍巖為保持穩(wěn)定,重新進行應(yīng)力分配,同時產(chǎn)生圍巖變形,在開挖后,施作初期支護是柔性的,這樣早期初期支護的受力并不大,隨著應(yīng)力的進一步釋放和初期支護支撐能力的進一步加強,則具有足夠支護強度的支護體系和圍巖變形壓力,在一定時間內(nèi)就會達到平衡,在平衡點附近圍巖變形總量和變形速率,對于不同的圍巖和不同的開挖斷面形式一般都有一個確定的范圍,在平衡點的附近,圍巖作用于支護體系的壓力最小。

在隧道施工過程中，對圍巖和支護系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進行監(jiān)測，為噴錨支護和二次砼襯砌的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)，把量測的數(shù)據(jù)經(jīng)整理和分析得到信息及時反饋到設(shè)計和施工中，進一步優(yōu)化設(shè)計和施工方案,施工監(jiān)控量測應(yīng)根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件、圍巖類別、圍巖應(yīng)力分布情況、隧道跨度、埋深、工程性質(zhì)、開挖方法、支護類型等因素確定。包括收斂量測和周邊位量測，收斂量測是隧道施工監(jiān)控量測的重要項目，收斂值是最基本的量測數(shù)據(jù)。周邊位移是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反映。通過周邊位移量測，可以根據(jù)變形速率判斷圍巖穩(wěn)定程度和二次襯砌施作的合理時機，以及指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2.1圍巖量測的目的

圍巖變形量測的目的在于通過變形觀測和對變形數(shù)據(jù)的回歸分析來判定達到這一平衡點的時間和在平衡點附近的圍巖變形及支撐情況,從而向設(shè)計和施工反饋信息,以便及時施作二次襯砌充分利用圍巖的自承能力,在保證安全的前提下采取最經(jīng)濟的支護體系。

量測儀器、原理、內(nèi)容、方法、頻率和時間

2.2.1量測儀器

量測隧道圍巖收斂的儀器多采用收斂計,本次圍巖量測采用的是JSS30A型系列數(shù)顯收斂計，該收斂計的特點是結(jié)構(gòu)新穎，操作簡單，測量精度高，體積小，重量輕，密封性好，適用于量測圍巖周邊任意方向兩點間的距離微小變化。

2.2.2工作原理

收斂計是利用機械傳遞位移的方法，將兩個基準(zhǔn)點間的相對位移轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)顯位移計的兩次讀數(shù)差。當(dāng)用掛鉤連接兩基準(zhǔn)從而點A、B預(yù)埋件時，通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺母，改變收斂計機體長度可產(chǎn)生對鋼尺的恒定張力，保證量測的準(zhǔn)確性及可比性，機體長度的改變量，由數(shù)顯電路測出。當(dāng)A、B兩點間隨時間發(fā)生相對位移時，在不同時間內(nèi)所測讀數(shù)的不同，其差值就是A、B兩點間的相對位移值。    當(dāng)兩點間的相對位移值超過數(shù)顯位移計有效量程時，可調(diào)整尺孔銷所插尺孔，仍能繼續(xù)用數(shù)顯位移計讀數(shù)。

    2.2.3量測內(nèi)容

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,本次量測主要測凈空水平收斂,為日常施工管理提供有關(guān)數(shù)據(jù)資料。隧道開挖支護時,及時埋入量測件,嚴格按設(shè)計測量斷面間距、測點布置, 并及時獲得初始讀數(shù)。

2.2.4量測方法

使用前準(zhǔn)備

首次使用收斂計時，應(yīng)先進行調(diào)零。調(diào)零方法為：①順時針方向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母，至轉(zhuǎn)不動時為止，按下開關(guān)鍵顯示屏數(shù)字為0.00，如果數(shù)字不為零時，按下清零鍵此時顯示屏數(shù)字會全部清零，為保證對零的準(zhǔn)確性，可重復(fù)對零2～3次。

使用方法

(1)檢查預(yù)埋件測點有無損壞，槍支并將測點灰塵擦凈。

(2)用手握住收斂計主體,拉出尺頭掛鉤放入測點孔內(nèi)，將收斂計拉至另一端測點，并將尺架掛鉤掛職入測點孔內(nèi)，選擇合適的尺孔，將尺孔銷插入，用尺卡將尺與聯(lián)尺架固定。

(3)調(diào)整調(diào)節(jié)螺母，仔細觀察，使塑料窗口上的刻線對在張力窗口內(nèi)標(biāo)尺上中間任意一條白線中，每次都應(yīng)對在同一白線上。每次測量時,要求收斂計所置位置和平行度保持不變。收斂計達到一定拉力后,輕輕放開,并稍微給個振動力,看其是否恢復(fù)到原來拉力,若有誤差,需繼續(xù)調(diào)整調(diào)節(jié)螺母,直到拉力達到預(yù)定值為止。這時,記下鋼尺在聯(lián)尺架端時的基線長度和數(shù)顯讀數(shù),相加即得兩點間距離。為提高測量精度，每條基線應(yīng)重復(fù)測量三次取平均值。

2.2.5量測頻率及時間

凈空變化的測試頻率,依據(jù)位移速率和測點距開挖面距離確定,一般按表1選定。即元件埋設(shè)初期測試頻率為1~2次/d;隨著圍巖漸趨穩(wěn)定,量測次數(shù)可減少;當(dāng)出現(xiàn)圍巖不穩(wěn)定征兆時,應(yīng)增加量測次數(shù)。

表1　凈空位移與拱頂下沉量測頻率

由位移速率決定的量測頻率和由測點距開挖面的距離決定的量測頻率之中,原則上采用兩次頻率之中較高者。當(dāng)位移趨向一定值時,亦可不采用表1的數(shù)值。

2.3現(xiàn)場量測斷面布置及質(zhì)量要求

2.3.1現(xiàn)場量測斷面布置

在隧道正洞每個量測斷面布置2條凈空水平收斂量測線,

測點布置示意圖

�、诹繙y斷面間距應(yīng)根據(jù)《鐵道部120號文》要求, ,確定各級圍巖量測斷面的間距為:Ⅵ級圍巖地段5m;Ⅴ級圍巖地段10 m。

2.3.1現(xiàn)場量測質(zhì)量要求

①快速設(shè)點。隧道開挖后,為盡早獲得圍巖開挖后初始階段的變形動態(tài),盡快埋設(shè)測點,    

②測點應(yīng)牢固可靠,易于識別并妥善保護。

③一次量測的時間盡可能短。

④量測儀器要有足夠的精度。

(1)噴錨支護施作2 h后即埋設(shè)測點,進行第一次量測數(shù)據(jù)采集，初始讀數(shù)應(yīng)在開挖后12 h讀取,最遲不得超過24 h,而且在下一循環(huán)開挖前,必須完成初期變形值的讀取。。

(2)測試前檢查儀表設(shè)備是否完好,如發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)及時修理或更換;確認測點是否松動或人為損壞,只有測點狀態(tài)良好時方可進行測試工作。

(3)測試中按各項量測操作規(guī)程安裝好儀器儀表,每測點一般測讀3次。3次讀數(shù)相差不大時,取算術(shù)平均值作為觀測值,若讀數(shù)相差過大則應(yīng)檢查儀器儀表安裝是否正確、測點是否松動,當(dāng)確認無誤后再按前述監(jiān)控量測要求進行復(fù)測。每次測試都要認真做好原始數(shù)據(jù)記錄,并記錄掘進里程、支護施工情況以及環(huán)境溫度等,保持原始記錄的準(zhǔn)確性。量測數(shù)據(jù)應(yīng)在現(xiàn)場進行粗略計算,若發(fā)現(xiàn)變位較大時,應(yīng)及時通知現(xiàn)場施工負責(zé)人,以便采取相應(yīng)的處理措施。

(4)測試完畢后檢查儀器、儀表,做好養(yǎng)護、保管工作;及時進行資料整理,監(jiān)控量測資料必須認真整理和審核。

2.3　圍巖監(jiān)控量測現(xiàn)場實施方案

(1)圍巖監(jiān)控量測的依據(jù)

《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則》(TBJ108 92)。

(2)監(jiān)控量測的作業(yè)流程(圖1)

圖1　監(jiān)控量測作業(yè)流程

2.4　監(jiān)控量測資料的整理及反饋

根據(jù)量測數(shù)據(jù)繪制:①位移及位移速度隨時間的變化曲線;②位移及位移速度與開挖工作面距離的曲線。依據(jù)變形管理等級

(表3　變形管理等級)指導(dǎo)施工。

(2)觀察和量測發(fā)現(xiàn)異常時,應(yīng)及時修改支護參數(shù)。一般正常狀態(tài)必須同時滿足以下條件:①噴射混凝土表面無裂縫或有少量微裂縫;②位移速度在最初1~2 d允許有加速外,應(yīng)迅速減少。

(3)位移很快達到穩(wěn)定,且圍巖狀況比預(yù)計要好,應(yīng)適當(dāng)減弱設(shè)計參數(shù)。

(4)雙線隧道的二次襯砌施作時間滿足《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則》第3.6.5條有關(guān)規(guī)定。

4　監(jiān)控量測實施情況分析

4.2　量測結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計要求,本隧道以Ⅳ~Ⅵ級圍巖為量測重點。針對Ⅳ~Ⅵ級圍巖的量測結(jié)果進行分析,并選擇Ⅳ級圍巖DK106+546為例,繪制相關(guān)曲線(圖3~圖5)。

圍巖位移是隧道開挖過程中所引起的圍巖力學(xué)變化最直接的體現(xiàn),支護系統(tǒng)的破壞或圍巖的坍落都是位移發(fā)展超過某一限度的結(jié)果。在現(xiàn)場施工監(jiān)測中,位移量以及時間效應(yīng)是指導(dǎo)施工、評定圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

(1)量測曲線

無論是隧道圍巖位移和時間曲線,還是隧道周邊收斂位移和開挖面距離曲線,位移的變化特性大致相同。在量測斷面開挖過后10 d內(nèi),即距開挖面距離30m內(nèi),圍巖發(fā)生急劇變形,其變形量占圍巖總變形量的50%以上,之后逐漸減小,30 d以后圍巖變形基本趨于穩(wěn)定,隧道周邊位移速率平均值約為0.1 mm/d,在這個速率下,允許作二次支護。

(2)圍巖穩(wěn)定程度的3個階段

①急劇變形階段。該階段收斂位移速率>1.0mm/d。對于Ⅴ、Ⅵ級圍巖,該階段平均歷時(指開挖以后的時間)為15 d左右,最長30 d;Ⅳ級圍巖10 d,最長15 d,但位移速率相對較小;而Ⅱ、Ⅲ級圍巖則無此階段。

②緩慢增長階段。該階段收斂位移速率0.2~1.0 mm/d,對于Ⅴ、Ⅵ級圍巖,到達該階段的平均歷時為40 d,最長65 d;Ⅳ級圍巖為15 d。Ⅱ、Ⅲ級圍巖則無此階段。

③基本穩(wěn)定階段。當(dāng)收斂位移速率<0.2 mm/d時,可以認定進入基本穩(wěn)定階段。Ⅴ、Ⅵ級圍巖,到達該階段平均歷時50 d以上;Ⅳ級圍巖平均為18 d以上;對于Ⅱ、Ⅲ級圍巖,一般開挖后就基本穩(wěn)定,地質(zhì)較破碎,節(jié)理發(fā)育的局部需施作掛網(wǎng)噴射混凝土。二次支護(襯砌)應(yīng)在達到基本穩(wěn)定狀態(tài)即圍巖位移量已達總位移量的90%以上時再施作。

(3)洞內(nèi)狀況觀察

每次開挖后,由值班技術(shù)干部對開挖工作面進行觀察,并繪制地質(zhì)素描圖。對與設(shè)計不符的及時上報核實后,由設(shè)計、監(jiān)理、施工三方現(xiàn)場會勘后,對支護參數(shù)進行調(diào)整。

(4)以監(jiān)控質(zhì)量為目的的量測

截止2002年5月,共作錨桿拉拔實驗372組,抗拉拔力平均為132.3 kN,達設(shè)計的102.6%;共作噴射混凝土試件981組,28 d抗壓強度平均為21.7 MPa,達設(shè)計強度的121%;噴射混凝土厚度滿足設(shè)計要求,Ⅰ~Ⅳ級圍巖混凝土表面僅局部有小量微裂縫,Ⅴ、Ⅵ級圍巖及斷層帶段局部變形較大并出現(xiàn)裂紋,及時采取了加密錨桿或錨管加固圍巖和二次掛網(wǎng)補噴混凝土等施工措施,直至達到圍巖穩(wěn)定。

綜上所述,東秦嶺特長隧道設(shè)計選取的支護參數(shù)合理可靠,施工中針對不同地質(zhì)情況采取的施工方案切實可行,已施作的初期支護作用和效果明顯,根據(jù)監(jiān)控量測的結(jié)果選取二次襯砌的時機適當(dāng),符合隧道新奧法施工原理。

5　結(jié)語

圍巖監(jiān)控量測技術(shù)在隧道施工特別是長大隧道中的應(yīng)用是極其重要的,是指導(dǎo)施工方案、檢驗和修正隧道設(shè)計的重要依據(jù)。特別是在軟巖隧道施工中,為防止隧道塌方,保證施工安全,提供直觀的依據(jù),對隧道運營后的通車安全也有著長遠意義。

 

 

4量測數(shù)據(jù)分析和信息反饋將量測數(shù)據(jù)進行處理和分析,目前,國內(nèi)主要選用以下3種非線性曲線函數(shù)中精度最高者進行回歸分析,觀測數(shù)據(jù)不宜少于25個。

對數(shù)函數(shù):u=A+B/lg(1+t)

指數(shù)函數(shù):u=A(1-eBT)

雙曲函數(shù):u=t(/A+Bt)

式中:u為位移值;A為隧道凈高;B為隧道凈寬;t為監(jiān)測時間。

回歸結(jié)果表明:對數(shù)函數(shù)用于初期支護變形可取得較高的回歸精度;初支基本穩(wěn)定后因?qū)��?shù)函數(shù)為發(fā)散型函數(shù),與實測值有較大偏差,而此時采用指數(shù)函數(shù)可獲得較滿意的結(jié)果;雙曲函數(shù)則可預(yù)計最終位移值U∞=1/B。位移特征曲線見圖2。

4　數(shù)據(jù)處理工程實例

4. 1　數(shù)據(jù)回歸分析

4. 2　根據(jù)最終變位量修改開挖斷面尺寸

4. 3　根據(jù)圍巖收斂位移速率預(yù)報險情

4. 4　根據(jù)圍巖收斂速率確定2次襯砌構(gòu)筑時機

4. 5　結(jié)果統(tǒng)計

　　通渝隧道新奧法監(jiān)控量測經(jīng)現(xiàn)場實測與數(shù)據(jù)回歸

分析后可得出如下結(jié)論:

圍巖收斂位移量測能較好地跟蹤監(jiān)測隧道圍巖變形過程,2條測線———1條垂直線、1條水平線能直觀地反映隧道主要部位變形的特征。2)對同一類測線,Ⅱ類圍巖的變形量最大,Ⅲ類圍巖次之,Ⅳ類圍巖的變形量最小,表明了圍巖類別越低,變形量相對較大的規(guī)律。3)隧道圍巖的位移收斂變形呈現(xiàn)一定規(guī)律,而Ⅱ、Ⅳ類圍巖的變形符合負指數(shù)函數(shù)方程,而Ⅲ類圍巖的變形則符合雙曲線函數(shù)方程。4)隧道圍巖收斂一般經(jīng)過3個階段,第1階段為急劇變形期,第2階段為緩慢變形期,第3階段為基本穩(wěn)定期,通過對通渝隧道監(jiān)控量測所得原始資料進行處理,經(jīng)回歸分析統(tǒng)計后,得到各類圍巖變形3個階段的時間取值范圍如表2所列,說明通渝隧道量測時間以40~50 d為宜。

5　結(jié)　論

隧道圍巖收斂位移量測是監(jiān)控量測的重要項目,其可以明顯的體現(xiàn)圍巖變形情況,也是判斷圍巖動態(tài)的最重要的量測項目。圍巖收斂的位移數(shù)據(jù)通過回歸分析可以預(yù)測最終變形量是否超出容許變形量的范圍而影響隧道的凈空尺寸,又可以判斷圍巖是否出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài),以便采取相應(yīng)的措施保證隧道斷面輪廓和圍巖的穩(wěn)定。在通渝隧道的施工中,監(jiān)控量測工作始終與施工進度相配合,通過量測及時預(yù)報了個別圍巖失穩(wěn)的趨勢,為確定2次襯砌施工時機提供了可靠的科學(xué)依據(jù),為安全施工提供了有利的保障。

 

4量測的數(shù)據(jù)處理

根據(jù)量測資料編制Excel程序可繪制位移量、位移速度隨時間變化的曲線、位移量與開挖面距離關(guān)系曲線，找出位移-時間回歸分析,以確定圍巖位移的穩(wěn)定性特征。如果圍巖變化逐漸趨于穩(wěn)定，沒有異常變化,可進行二次襯砌施工；如位移變化異常,則需采取措施防范事故發(fā)生。當(dāng)周邊收斂速度為0.1-0.2mm/d,拱頂下沉速度為0.1mm/d以下時,則我們認為圍巖已經(jīng)達到穩(wěn)定,可進行下道工序施工。

5結(jié)束語

3.1　周邊收斂

在桃墅嶺隧道典型地段布設(shè)了12個周邊收斂監(jiān)測斷面,其中III級圍巖布設(shè)了8個斷面,IV級圍巖布設(shè)了個2斷面,V級圍巖布設(shè)了個2斷面。通過對周邊收斂數(shù)據(jù)分析、整理后可知: III級圍巖收斂變形的累計最大值為-0.86~-2.46mm,最大日收斂量-0.64~0.99mm/d;IV級圍巖收斂變形的累計最大值為-2.17~-3.00mm,最大日收斂量-0.85~-1.50mm/d;V級圍巖收斂變形的累計最大值為3. 93 ~ - 5. 68mm,最大日收斂量-1.50mm/d;圍巖收斂變形的累計最大值以水平測線為主。

3.2　拱頂下沉

在桃墅嶺隧道典型地段布設(shè)12個拱頂下沉監(jiān)測斷面,III級圍巖布設(shè)了個8斷面,IV級圍巖布設(shè)了個2斷面,V級圍巖布設(shè)了個2斷面。通過對拱頂下沉數(shù)據(jù)分析、整理后可知: III級圍巖拱頂下沉的累計最大值為2.00~3.70mm,最大日拱頂下沉量0.60~-1.90mm/d;IV級圍巖拱頂下沉的累計最大值為2. 40 ~ 2. 80mm,最大日拱頂下沉量-1.80~-1.90mm/;V級圍巖拱頂下沉的累計最大值為3. 70 ~ - 5. 30mm,最大日拱頂下沉量-1.00~-1.30mm/d;圍巖拱頂下沉的累計最大值以中測點為主。

4　回歸分析

通常對量測資料進行非線性回歸分析�；貧w分析是處理測讀數(shù)據(jù),最終繪制典型曲線的一種較好的方法�；貧w分析是對一系列具有內(nèi)在規(guī)律的測試數(shù)據(jù)進行處理,通過處理和計算得到兩個變量間的函數(shù)式關(guān)系。用這個函數(shù)式作出的曲線代表測試數(shù)據(jù)的散點分布,并能推算出因變量的極限值。采用回歸分析時,根據(jù)測試數(shù)據(jù)散點分布規(guī)律,可選用下列之一函數(shù)式關(guān)系函數(shù)。

(1)對數(shù)函數(shù),例如:

u=a·ln(1+t)　或　u=a+b/ln(1+t)

(2)指數(shù)函數(shù),例如:

u=ae-b/t　或　u=a(1- e-bt)

(3)雙曲線函數(shù),例如:

u=t/(a+bt)　或　u=a[1-1/(a+bt)2]

本次采用雙曲線函數(shù)對拱頂下沉和周邊收斂的量測數(shù)據(jù)進行回歸分析。根據(jù)分析的結(jié)果及時進行信息反饋以及預(yù)測圍巖的穩(wěn)定性,為二次施作提供依據(jù)。根據(jù)桃墅嶺隧道周邊收斂與時間關(guān)系曲線、拱頂下沉與時間關(guān)系曲線的形態(tài),選取了6個典型斷面的周邊收斂和拱頂下沉進行回歸分析。其中YK0+580周邊收斂的回歸曲線(回歸分析的極限值4.38mm,相關(guān)系數(shù)0.9968)見圖3,拱頂下沉曲線(回歸分析的極限值2.735mm,相關(guān)系數(shù)0.9852)見圖4。

3.1數(shù)據(jù)計算

(1)收斂值及收斂速度的計算:收斂值

3.3數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

根據(jù)各點的累計位移及變形曲線,分析位移情況,當(dāng)位移曲線發(fā)生突變或變形速率增大時,應(yīng)密切注意圍巖的穩(wěn)定情況,提早做好加強準(zhǔn)備,防止出現(xiàn)意外,當(dāng)變形累計量已達允許收斂量的70%或接近,且收斂速度無明顯下降時,應(yīng)立即采取措施,加強初期支護。當(dāng)發(fā)現(xiàn)收斂速度明顯下降,收斂速度小于0.2mm/d,且收斂量已達總收斂量的80%時,可以安排進行二次襯砌。對觀測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的同時,還要結(jié)合現(xiàn)場的觀察情況進行綜合分析判斷,要根據(jù)隧道施工的總體安排,決定對圍巖進行加強支護或確定施做二次襯砌。

4對圍巖量測技術(shù)中問題的認識

圍巖量測技術(shù)是新奧法施工中判定圍巖穩(wěn)定的有效手段,充分利用圍巖量測技術(shù),可以有效地防止塌方,保證支護穩(wěn)定和施工安全。開挖支護后,圍巖穩(wěn)定與否,支護強度是否足夠,變形何時穩(wěn)定,都只有靠圍巖量測這一手段來判定,這是有理論依據(jù)的。

經(jīng)過實踐和實際觀測,我們發(fā)現(xiàn),Ⅱ-Ⅲ級圍巖在開挖后,圍巖非常穩(wěn)定,變形很小,穩(wěn)定時間長,在實際施工中可減少或取消對圍巖的變形觀測。

對于較差的Ⅳ-Ⅴ級圍巖地段,圍巖量測是十分必要的。地質(zhì)條件差,不可預(yù)見因素很多,突發(fā)事件—如塌方發(fā)生的可能性較大,在圍巖量測中常會出現(xiàn)變形過大及變形不止的現(xiàn)象,在這種情況下,應(yīng)堅持早襯砌的原則,確保施工安全,防止塌方發(fā)生,而不能機械地按照新奧法施工要求,在圍巖變形“明顯下降,收斂量達總收斂量80-90%,收斂速度<0.2mm/d”時施做二次襯砌。

(2)由于圍巖軟弱和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性,有時會出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象,這時僅靠圍巖量測儀是不夠的,為全面反映圍巖的變

形情況,還要靠現(xiàn)場觀察和借助水平儀觀

測等手續(xù)。

我們總會遇到一個問題:何種支護體系既滿足施工的要求,而且又很經(jīng)濟。對于這個問題,通過隧道新奧法施工,我們認為對于不同的圍巖一般按每兩米一個斷面觀測拱頂下沉,每10m進行一次三點收斂量測的觀測形式是滿足施工要求的。但如此形成的支護體系,也不是絕對安全的,在初期支護完成之后,仍可能出現(xiàn)較大的變形,于是就產(chǎn)生了:當(dāng)既定的支護體系不足以有效的控制圍巖變形逐步增大時, 如何采取補助措施。為了避免它的出現(xiàn),一

是做好預(yù)防,二是采取加強支護措施。

5結(jié)語

總之,通過該隧道圍巖量測實踐,我們對圍巖量測技術(shù)有了更加深刻的認識,對于圍巖量測技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用積累了一些經(jīng)驗,我們認為利用圍巖量測技術(shù)指導(dǎo)隧道施工是科學(xué)的、是切實可行的、是經(jīng)濟合理的;圍巖量測技術(shù)在隧道施工中具有不可替代的指導(dǎo)作用。

3.1　周邊位移相對值分析

周邊位移相對值是指兩測點間實測位移累計值(或用回歸分析推算的最終位移值)與兩測點間距離之比,或拱頂實測位移值與隧道寬度之比。如例1中水平收斂兩測點間間距L=6 637.74 mm,水平收斂位移終值u=7.592 mm,則周邊位移相對值為:u/L=7.592/6 637.74=0.11%,此值應(yīng)小于隧道周邊允許位移相對值,如果測得的周邊位移相對值超過允許位移相對值,說明初期支護設(shè)計參數(shù)偏小,應(yīng)增加噴層厚度,或增加錨桿數(shù)量和長度加強支護。如果測得的周邊位移相對值遠小于允許位移相對值時,可降低其他地段初期支護設(shè)計參數(shù)。

3.2　圍巖收斂基本穩(wěn)定的判斷

GB 50086-2001錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范規(guī)定,圍巖達到基本穩(wěn)定的條件是:1)隧洞周邊水平收斂速度小于0.2 mm/d;拱頂或底板垂直位移速度小于0.1 mm/d;2)隧洞周邊水平收斂速度以及拱頂及底板垂直位移速度明顯下降;3)隧洞位移相對值已達到總相對位移量的90%以上。條件1)中位移速度是指至少7 d觀測的平均值,其值可由量測記錄表中直接得到;條件2)位移速度明顯下降,可由時間—位移曲線直觀看出,或由回歸方程的二階導(dǎo)數(shù)d2udt2<0說明變形速率不斷下降,位移趨于穩(wěn)定;d2udt2=0說明變形速率保持不變,發(fā)出警告,及時加強支護;d2udt2>0說明變形速率加快,已進入危險狀態(tài),需立即停工,采取有效措施進行加固。

通過以上步驟的工作,可以完成對監(jiān)控觀測數(shù)據(jù)的分析(包括:繪制收斂—時間曲線、回歸分析、量測成果的分析),分析步驟程序化,操作簡單,不須利用第三方軟件,在Excel內(nèi)可較好地完成監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析工作,可避免繁瑣的手工計算,可使監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析更準(zhǔn)確、更快捷、更及時、更方便觀測數(shù)據(jù)的管理,為隧道施工及時提供反饋及預(yù)測信息。

4.1通過時間位移曲線判定

平緩型曲線：一般是圍巖較好，施工工藝合理的地段，量測時受到外界的影響較小。

突變型曲線：當(dāng)時間-位移曲線出現(xiàn)突變時，要判斷突變點引起的原因，若是由于量測的或計算的失誤、水準(zhǔn)點或測點的松動等，應(yīng)盡量在修正后繼續(xù)量測，根據(jù)量測的結(jié)果判定其穩(wěn)定性；若是由于圍巖的變形引起的突變，就要加強對量測斷面的量測，關(guān)注量測斷面測點的變化趨式，突變后累計位移變形量較小，位移速度變小趨于穩(wěn)定，則可認為圍巖基本穩(wěn)定，但由于突降暴雨，爆破的原因使圍巖位移加速變化，圍巖失穩(wěn)，則應(yīng)及時加強支護，避免坍方。

S型曲線：在量測初期，圍巖位移變化正常，但由于下雨，使圍巖自重加大，粘結(jié)力變小，致使位移速度加大，經(jīng)過一段時間后圍巖會基本穩(wěn)定；如果下雨時間持續(xù)過長或者爆破的原因而使圍巖受到較大擾動，支護承受不起圍巖的壓力，可能出現(xiàn)坍方，應(yīng)及時加強支護。

特殊型曲線：基本上出現(xiàn)在隧道受偏壓地段，拱頂測點不下沉反而上升。一般是由于特殊地質(zhì)情況或施工因素造成，當(dāng)拱頂超挖懸空，而兩側(cè)圍巖很大的擠壓，拱頂就可能上升。若以后監(jiān)控量測圍巖曲線平緩，且變化速率趨于穩(wěn)定，則說明圍巖基本穩(wěn)定。若上升的速度過快，位移過大，判斷圍巖不穩(wěn)定，此種情況要加強支護。

4.2用數(shù)學(xué)方法對量測數(shù)據(jù)進行回分析結(jié)果進行判定

位移量測是監(jiān)控量測中的重點，也是最能反映圍巖的變形及受力狀態(tài)，本文只以位移量測數(shù)據(jù)為例進行分析，在監(jiān)控量測的過程中，盡量排除不利因素的影響，例如量測掛鉤上有噴射砼，水準(zhǔn)點（或基點）和量測掛鉤受到機械或其它因素的擾動，以確保數(shù)據(jù)的可靠性，通過整理好的數(shù)據(jù)，繪制位移-時間、位移-距離、速度-時間關(guān)系曲線圖，同時對量測數(shù)據(jù)進行回歸分析判定。預(yù)測累計位移量，確定圍巖的狀況。龍泉下堡嶺隧道工程自開挖以來，巖面封閉及時，支護有效，沒有發(fā)生較大的塌方事故。以K27+180斷面圍巖周邊位移監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理分析為例說明（拱頂下沉和周邊位移數(shù)據(jù)處理分析方法相同）。

5.1數(shù)據(jù)回歸分析

5.2曲線分析

利用時間、開挖距離、收斂速度和收斂值繪制出位移-時間、位移-距離和時間-速度曲線，從曲線圖可以看出圍巖收斂由顯著變形-緩慢變形-基本穩(wěn)定。

在對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行回歸分析時，通過對指數(shù)、對數(shù)和雙曲線函數(shù)實測數(shù)據(jù)的處理和分析結(jié)果的比較，采用精度較高的函數(shù)分析，使分析方法更科學(xué)、更合理；通過正確、合理地對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的處理和分析,能夠確保隧道順利開挖、支護和二次襯砌。同時也能帶來可觀的經(jīng)濟和時間效益。