張海剛
(中鐵十一局集團第五工程有限公司,重慶 400037)
在隧道現(xiàn)代信息化建設中,監(jiān)控量測的作用尤為突出,它直接影響到隧道的結(jié)構(gòu)形式、支護參數(shù)、施工方法、工期、造價等。然而,傳統(tǒng)的圍巖變形量測方法,在鐵路客運專線大斷面隧道施工中,由于測量時間長,抗施工干擾能力差,測量結(jié)果誤差大等因素,已不能滿足隧道快速、安全施工的需要,測量精度也得不到保證。
為了解決傳統(tǒng)量測方法存在的問題,確保監(jiān)控量測工作正常、有效開展,馬家莊隧道采用非接觸量測方法,既滿足了施工需要,測量精度也能滿足施工要求,為隧道施工安全、質(zhì)量、進度提供了準確有力的技術(shù)保證。
大西鐵路客運專線馬家莊隧道全長9 359 m(含明洞29 m),其中黃土Ⅳ級圍巖8 300 m,黃土Ⅴ級圍巖1 059 m;隧道設計開挖最大寬度為15.20 m,最大高度為12.98 m,最大開挖面積為161.64 m2,初期支護采用系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架和噴射混凝土聯(lián)合支護體系,二襯采用復合式襯砌;隧道最大埋深79 m,最小埋深17 m。隧道洞身全部位于濕陷性黃土地層中,施工方法多為三臺階七步開挖法。
傳統(tǒng)的隧道圍巖變形量測方法,多采用收斂儀量測圍巖的水平變形,用水準儀量測拱頂下沉。在量測水平收斂值時,將收斂儀兩端的掛鉤掛在預先埋設在邊墻兩側(cè)的掛鉤上,加載一定的拉力后進行讀數(shù),兩期觀測值的差值就是該段時期內(nèi)圍巖的收斂量。在量測拱頂下沉值時,預先在拱頂埋設量測樁,并用水準儀測量該量測樁的高程,兩期高程值之差就是該期拱頂下沉值。
傳統(tǒng)量測方法的優(yōu)點是儀器價格便宜,操作簡單,在施工干擾小的情況下操作比較方便,比較適用于小斷面隧道或者斜井。
其缺點是不適合大斷面隧道使用,當隧道跨度比較大時,操作比較困難,而且誤差比較大,測量結(jié)果容易受到人為因素的影響;水平收斂和拱頂下沉要分別量測,花費的時間多;容易和其他施工工序發(fā)生沖突,抗施工干擾的能力差;當有機械設備或其他障礙物停放在測線上時量測工作就無法進行,易影響施工進度;需要裝載機、梯子等輔助工具進行高空作業(yè),或需要量測人員到達危險區(qū)作業(yè),不利于量測人員的安全;量測的靈活性差,效率低下。
結(jié)合馬家莊隧道地質(zhì)條件和開挖方法等,擬訂監(jiān)控量測必測項目為洞內(nèi)和洞外觀察、淺埋地段地表下沉、拱頂下沉、水平收斂等項目;選測項目為隧底隆起和縱向位移等項目。
(1)洞內(nèi)觀察分為開挖工作面觀察和初期支護觀察2部分。開挖工作面觀察在每次開挖后進行,并及時繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖、填寫開挖工作面地質(zhì)狀態(tài)記錄表。對初期支護的觀察每天至少應進行1次,主要觀察噴射混凝土是否發(fā)生裂隙和剝離現(xiàn)象,鋼架是否受壓變形等。洞外觀察每天至少進行1次,主要觀察地表開裂、地表沉陷、邊仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲透情況等。
(2)地表下沉、凈空水平收斂和拱頂下沉量測采用相同的量測頻率,量測頻率見表1。
表1 量測頻率表
非接觸量測是將反射膜片貼在隧道測點處的預埋件上作為測點靶標,采用全站儀自由設站的方法(不需設站,只需整平),直接測存各測點的空間三維坐標(x(t),y(t),z(t)),將各次量測原始數(shù)據(jù)導入計算機,并通過圍巖收斂分析軟件對量測數(shù)據(jù)進行自動分析處理,輸出圍巖位移成果,如測線的位移趨勢圖及回歸分析圖、各測點在不同時間段的位移值等,并自動對成果進行分析,判斷圍巖的穩(wěn)定性,為支護提供參數(shù)。
與傳統(tǒng)接觸式量測方法相比,該方法操作簡單,測量數(shù)據(jù)精度高,同時具有快速、省力、數(shù)據(jù)處理自動化程度高等特點。
(1)全站儀(標稱精度不得低于2″、2 mm+2 ppm)必須經(jīng)過鑒定合格后方能使用,并且應定期或不定期對全站儀進行檢校。
(2)量測規(guī)范要求:測距取位至0.1 mm,角度0.1″,空間位置(X、Y、H)0.1 mm。
(3)觀測前儀器開箱適應洞內(nèi)溫度20~30 min,并且要修正溫度和氣象參數(shù)。
(4)測站位置應盡量靠近隧道中線,并使測站離最近監(jiān)控斷面的距離大于15 m,以確保監(jiān)控量測的精度。
(5)每站測量,應對各斷面的監(jiān)測點進行兩測回觀測(盤左、盤右為1個測回),并將測量成果直接存儲于全站儀的內(nèi)存中,便于后續(xù)處理。
(6)若遇外界干擾,則應暫停測量,確保儀器穩(wěn)定后再測量。
(7)為避免誤差對監(jiān)控量測成果的影響,應固定儀器和監(jiān)控人員。
監(jiān)控量測斷面間距嚴格按照監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程和鐵道部(2010)120號文件要求,Ⅳ級圍巖不得大于10 m,Ⅴ級圍巖不得大于5 m。三臺階開挖法每個斷面布設7個量測點,即1個拱頂下沉點和6個水平收斂點,測點與測線布置見圖1。
圖1 三臺階開挖法測點與測線布置
(1)拱頂下沉測點和凈空變化測點必須布置在同一斷面上,測點應盡量對稱布設,即“同面等高”。
(2)測點采用Leica4×4 cm反射膜片,粘貼在埋設于圍巖中的鋼板(圖2)上,鋼板粘貼反射膜片的一面要經(jīng)過防銹處理,并清理干凈,反射膜片可以用強力膠粘附于鋼板上。
(3)監(jiān)控量測布點應在噴設混凝土前預埋,并保證測點鋼筋伸入圍巖40 cm,嚴禁將測點焊在鋼架上。
(4)量測點預埋鋼筋應采用φ20 mm以上的鋼筋。拱頂下沉、水平收斂量測點初始值要在開挖并施作拱部初期支護后3~6 h內(nèi)完成,其他量測項目應在開挖后12 h內(nèi)取得初讀數(shù),最遲不得超過24 h,且在下一循環(huán)開挖前必須完成。
(5)量測點要用紅色油漆做統(tǒng)一標識并且懸掛標識牌(圖3),上面要標明斷面里程、埋設日期以及責任人。
(6)測點應牢固可靠、易于識別,并采取有效措施進行保護。監(jiān)控量測樁上嚴禁懸掛電線、管線等雜物。如果測點被破壞,應在被破壞測點附近補埋,及時獲得初始值繼續(xù)觀測。
圖2 測點預埋件正面(單位:cm)
圖3 量測點及標識牌
拱頂下沉和水平收斂隨時間變化分析:以DK713+860斷面為例,開挖方法為三臺階七步開挖法,該斷面的圍巖級別為IV級,主要為第四系中更新統(tǒng)風積黏質(zhì)黃土,棕黃色,土質(zhì)不均,局部含零星小礫石,巖體受構(gòu)造影響較微,節(jié)理發(fā)育,巖體較破碎。開始觀測日期為2011年8月25日,截止于2011年9月10日,拱頂下沉總沉降量為63.6 mm,水平收斂總位移量分別為:上臺階28.43 mm,中臺階23.86 mm,下臺階14.73 mm,位移隨時間變化曲線見圖4。
圖4 位移隨時間變化曲線
從圖4中可以看出,隧道圍巖變化曲線總體經(jīng)歷了快速增長—緩慢增長—趨于穩(wěn)定的過程??焖僭鲩L期一般在開挖后10 d左右,在仰拱施工封閉成環(huán)后,處于緩慢變化,14 d以后趨于穩(wěn)定,可進行二襯施工。在隧道開挖過程中,隨著開挖步驟的進行,隧道圍巖拱頂下沉量不斷增加,在整個施工過程中,拱頂沉降量最大,并且下臺階開挖及仰拱開挖對拱頂沉降影響最大。當仰拱開挖后,邊墻混凝土有個別地段出現(xiàn)拉裂的情況,這需要在施工管理過程中嚴格控制開挖速度與安全距離,加快封閉速度。
通過馬家莊隧道監(jiān)控量測方案的實施,已初步掌握了一些變形規(guī)律和成果,真正地起到指導施工的作用。
(1)三維非接觸式圍巖量測技術(shù)在馬家莊隧道圍巖變形觀測中,顯示出方便、準確、靈活、快速、適應性強的特點,比傳統(tǒng)的接觸式圍巖量測技術(shù)具有優(yōu)勢,尤其在大跨度隧道中,優(yōu)勢更加明顯。
(2)采用三臺階七步開挖法施工時,圍巖與支護變形有以下規(guī)律:開挖中臺階時,D點和C—E基線位移會發(fā)生突變,中臺階墻部初期支護施作完成后,變形趨于平緩;開挖下臺階時,D點和B—F基線位移會發(fā)生突變,下臺階墻部初期支護施作完成后,變形趨于平緩;開挖隧底時,D點和A—G基線位移會發(fā)生突變,仰拱初期支護施作完成,支護全環(huán)閉合后,變形趨于穩(wěn)定。
(3)三臺階七步開挖法施工應做好工序銜接,工序安排應緊湊,盡量減少圍巖暴露時間,避免因長時間暴露引起圍巖失穩(wěn)。各分部平行開挖,平行施作初期支護,及時封閉成環(huán)。
(4)監(jiān)控量測工作必須緊跟開挖、支護作業(yè)進行布點和監(jiān)測,量測數(shù)據(jù)及時分析反饋,必要時應根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整支護參數(shù)和預留變形量,保證施工安全。
(5)當圍巖變形較大或突變時,應停止掌子面掘進,加強支護,在保證安全和滿足凈空要求的前提下,可盡快調(diào)整閉合時間,盡量縮短臺階長度,確保初期支護盡快閉合成環(huán),仰拱和二襯及時跟進,盡早形成穩(wěn)定的支護體系。同時,加大監(jiān)控量測頻率,加強地表巡查和地表觀測。
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[5]劉旭全,等.監(jiān)控量測技術(shù)在客運專線大斷面黃土隧道中的應用[J].鐵道標準設計,2007(S1):117-119.
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