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        長(zhǎng)大隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)

        2014-11-17 02:43:34吳連波
        交通運(yùn)輸研究 2014年16期
        關(guān)鍵詞:測(cè)數(shù)據(jù)拱頂圍巖

        吳連波

        (深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心,廣東 深圳 518000)

        0 引言

        深圳市葵壩路新建工程位于龍崗區(qū)東部大鵬半島,西接葵涌街道延安路,東至壩光化工園區(qū),路線全長(zhǎng)5.81km,道路等級(jí)為城市II級(jí)主干道。該工程2號(hào)隧道左洞長(zhǎng)4850m,右洞長(zhǎng)4792m,屬于長(zhǎng)大隧道。

        整個(gè)隧道隧道圍巖為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí),圍巖跨度變化大。因前期勘察設(shè)計(jì)深度不夠,必須依據(jù)“新奧法”設(shè)計(jì)原理,及時(shí)掌握隧道開挖后圍巖發(fā)揮的自身承載能力。隧道開挖后,對(duì)隧道圍巖開挖面進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)同時(shí)研究其變化規(guī)律,根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果及時(shí)修改設(shè)計(jì)參數(shù),指導(dǎo)二次襯砌施工時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了隧道工程的動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)與信息化施工。

        1 監(jiān)控量測(cè)目的

        依據(jù)“新奧法”的基本原理和設(shè)計(jì)要求,在全隧道實(shí)施監(jiān)控量測(cè),其主要目的為:

        (1)掌握圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài),利用量測(cè)結(jié)果修改設(shè)計(jì),指導(dǎo)施工;

        (2)預(yù)見(jiàn)事故和災(zāi)情,以便及時(shí)采取措施,防患于未然;

        (3)積累資料,以為后續(xù)新奧法設(shè)計(jì)提供類比依據(jù);

        (4)為確定隧道的施工安全提供可靠的信息;

        (5)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理和必要的計(jì)算判斷后,進(jìn)行預(yù)測(cè)與反饋。

        2 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目

        根據(jù)隧道監(jiān)控量測(cè)的項(xiàng)目可分為應(yīng)測(cè)項(xiàng)目與選測(cè)項(xiàng)目,應(yīng)測(cè)項(xiàng)目為核心,主要包括:

        (1)地質(zhì)及支護(hù)狀況觀察;

        (2)周邊位移;

        (3)拱頂下沉;

        (4)地表下沉。

        選測(cè)項(xiàng)目是根據(jù)不同地質(zhì)、工程性質(zhì)等具體條件和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)取得的數(shù)據(jù)類型而選擇的測(cè)試項(xiàng)目,其中包括:

        (1)圍巖內(nèi)部位移量測(cè)(地表設(shè)點(diǎn)、洞內(nèi)設(shè)點(diǎn));

        (2)圍巖壓力及兩層支護(hù)間壓力;

        (3)格柵鋼架內(nèi)力及外力;

        (4)支護(hù)、襯砌應(yīng)力量測(cè);

        (5)錨桿軸力量測(cè)等。

        結(jié)合葵壩隧道設(shè)計(jì)要求及實(shí)際地質(zhì)情況,本文展開必測(cè)項(xiàng)目的論述。

        3 量測(cè)方法

        3.1 控制量測(cè)點(diǎn)的布置

        葵壩隧道采用上下臺(tái)階法開挖,拱頂下沉、周邊位移為必測(cè)項(xiàng)目,隧道斷面上所布置的A、B、C、D、E測(cè)點(diǎn)如圖1所示。

        圖1 周邊位移及拱頂下沉量測(cè)點(diǎn)布置圖

        3.2 地質(zhì)及支護(hù)狀況觀察

        本文所測(cè)地段位于隧道右線掌子面YK5+295處。此段為隧道洞身段,洞頂埋深26.0m,為低山地貌,地形較陡峻??傮w而言,本段隧道的圍巖穩(wěn)定性較好,自穩(wěn)能力較強(qiáng),設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

        隧道爆破開挖后,應(yīng)立即實(shí)施初期支護(hù),同時(shí)通過(guò)地質(zhì)羅盤配合鐵錘等工具,觀察圍巖的穩(wěn)定情況,并對(duì)圍巖巖性、巖質(zhì)、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和方向、有無(wú)松散坍塌和剝落掉塊現(xiàn)象、有無(wú)地下水及滲水等進(jìn)行記錄和描述,特別是對(duì)圍巖等級(jí)進(jìn)行判斷。

        初期支護(hù)主要觀察分析初襯是否產(chǎn)生裂縫、剝離和剪切破壞,格柵支撐是否壓屈等。

        同時(shí)需對(duì)洞口地表沉陷、邊坡、仰拱穩(wěn)定情況進(jìn)行觀察,以便確定圍巖開挖掌子面的穩(wěn)定性和自穩(wěn)性,

        3.3 拱頂下沉及圍巖周邊位移量測(cè)

        判斷圍巖穩(wěn)定主要依據(jù)圍巖變形能力。隧道開挖后,需盡快鉆孔埋設(shè)測(cè)樁,測(cè)樁主要埋設(shè)在隧道的拱頂、拱腰和邊墻部位。埋設(shè)要快,一般在爆破后12h內(nèi),同時(shí)在下一個(gè)爆破前完成,并讀取初始量測(cè)數(shù)據(jù);埋設(shè)位置應(yīng)近掌子面且不超過(guò)2m,測(cè)點(diǎn)凈空水平收斂應(yīng)在同一水平線上。

        葵壩隧道采用WRM—3型鋼尺式收斂?jī)x量測(cè)收斂變形,具體收斂布置見(jiàn)圖2。

        圖2 收斂?jī)x布置

        3.4 地表下沉量測(cè)

        葵壩隧道設(shè)計(jì)圍巖大部分圍巖屬于Ⅲ級(jí),但局部處于軟弱、破碎、自穩(wěn)較差的Ⅳ、Ⅴ級(jí)。地表下沉量是關(guān)鍵量測(cè)項(xiàng)目。具體量測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

        圖3 地表下沉量量測(cè)點(diǎn)布置圖

        3.5 量測(cè)頻率

        隧道現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控量測(cè)頻率應(yīng)嚴(yán)格按照施工規(guī)范要求,以確保采集數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性及科學(xué)性。具體量測(cè)頻率見(jiàn)表1。

        表1 隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)頻率

        4 量測(cè)數(shù)據(jù)的整理和處理

        為進(jìn)一步及時(shí)掌握葵壩隧道圍巖的變形規(guī)律,對(duì)比分析同一斷面的量測(cè)數(shù)據(jù),并去除誤差過(guò)大的數(shù)據(jù),確保各量測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。根據(jù)采集的量測(cè)數(shù)據(jù)繪制時(shí)間位移曲線,并根據(jù)曲線類型擬合回歸曲線方程,以進(jìn)一步確定圍巖的變形趨勢(shì)。

        4.1 量測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析原理及曲線

        回歸分析是研究變量之間相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)推斷法。

        受偶然誤差的影響,量測(cè)數(shù)據(jù)具有離散性。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的變形隨時(shí)間而變化的散點(diǎn)圖出現(xiàn)上下波動(dòng)的現(xiàn)象,很不規(guī)則,難以進(jìn)行分析,必須應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,找出圍巖變形隨時(shí)間變化的規(guī)律,以便修改設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工。提供科學(xué)依據(jù)量測(cè)的數(shù)據(jù)只是針對(duì)某一個(gè)量測(cè)項(xiàng)目而得,即只有一個(gè)控制變量時(shí),稱為一元線性回歸模型。

        設(shè)有一組量測(cè)記錄數(shù)據(jù):

        以f(x)=a+bx為回歸方程,求回歸方程中的回歸系數(shù)a,b。

        采用最小二乘法,記平方和為:

        找出使Q(a.b)達(dá)到最小時(shí)的a、b作為其估計(jì),即:

        稱y=a+bx為經(jīng)驗(yàn)回歸(直線方程)或經(jīng)驗(yàn)公式?;貧w精度即誤差計(jì)算公式為:

        測(cè)量極限值即為在回歸曲線方程下xn所對(duì)應(yīng)的yn。

        一般來(lái)說(shuō),量測(cè)項(xiàng)目所量測(cè)的數(shù)值一般不可能都隨時(shí)間呈線性規(guī)律,除線性函數(shù)y=a+bx作為回歸方程外,還有相應(yīng)的回歸曲線方程,如:

        (2)對(duì)冪函數(shù)y=axb(或y=ax-b)(b>0)對(duì)兩邊取對(duì)數(shù) lny=lna+blnx ,變換為 y′=lny,x′=lnx,a′=lna 則有 y′=a±b′x′;

        (3)指數(shù)函數(shù)y=aebx或y=ae-bx(b>0),兩邊取對(duì)數(shù)lny=lna±bx令y′=lny,α′=lnα,得y′=a′±bx;

        (5)對(duì)數(shù)函數(shù)y=a+blnx,變換為x′=lnx,則有y=a+bx′。

        4.2 量測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

        量測(cè)當(dāng)天根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選核查后,繪制必測(cè)項(xiàng)目時(shí)間位移曲線,同時(shí)進(jìn)行回歸曲線方程分析。根據(jù)回歸分析處理結(jié)果,及時(shí)預(yù)測(cè)圍巖穩(wěn)定變形結(jié)果,并將結(jié)果及時(shí)反饋給現(xiàn)場(chǎng)隧道施工作業(yè)隊(duì)與設(shè)計(jì)人員,以指導(dǎo)下一步施工作業(yè)。

        5 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)分析

        本文重點(diǎn)結(jié)合上述理論分析葵壩隧道YK5+295處斷面情況。根據(jù)設(shè)計(jì),該處圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí),圍巖節(jié)理發(fā)育較差,埋深約為24m。根據(jù)采集到的該斷面拱頂下沉位移變形量,依據(jù)Excel繪出拱頂下沉位移與時(shí)間的對(duì)應(yīng)分散點(diǎn)后,繪出相關(guān)圓滑變化曲線,見(jiàn)圖4。

        圖4 YK5+295斷面拱頂下沉量累計(jì)曲線(單位:mm)

        根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)間位移曲線進(jìn)行回歸分析,確定回歸曲線方程為y=-16818ln(x)+17855,方差為0.657。拱頂24d理論下沉量為22.68mm,30d理論下沉量為24.32mm,預(yù)計(jì)最終沉降量為24.86mm,沉降速率小于0.08mm/d,收斂加速率小于0。依據(jù)公路隧道施工技術(shù)規(guī)范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以確定圍巖已基本穩(wěn)定,能夠進(jìn)行二次襯砌。

        6 結(jié)論

        (1)采用隨時(shí)監(jiān)控量測(cè)技術(shù),能夠快速準(zhǔn)確地量測(cè)隧道整個(gè)斷面的變形情況,及時(shí)掌握監(jiān)控圍巖的穩(wěn)定狀態(tài),較好地預(yù)測(cè)了現(xiàn)場(chǎng)圍巖變化情況。

        (2)運(yùn)用回歸分析量測(cè)數(shù)據(jù),可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)圍巖的最終變形量,評(píng)判圍巖等級(jí)及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。監(jiān)測(cè)表明葵壩隧道上下臺(tái)階法施工斷面各項(xiàng)位移已達(dá)到預(yù)計(jì)理論位移量的80%~90%,位移速度小于0.10~0.2mm/d、拱頂下沉速率小于0.07~0.15mm/d時(shí),可認(rèn)為圍巖基本穩(wěn)定,可施作二此襯砌。

        (3)通過(guò)監(jiān)控量測(cè),為新奧法施工、變更設(shè)計(jì)提供理論與現(xiàn)場(chǎng)依據(jù),降低工程造價(jià),提高經(jīng)濟(jì)效益,保證了工程的進(jìn)度和質(zhì)量,為深圳類似條件的隧道監(jiān)控量測(cè)提供了理論參考。

        [1]TJJ 042—94,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

        [2]王建宇.隧道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)和信息化設(shè)計(jì)[J],中國(guó)鐵道科學(xué),1987,2(8):7-13.

        [3]吳連波.隧道施工災(zāi)害計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2008.

        [4]關(guān)寶樹.隧道施工要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2004.

        [5]周愛(ài)國(guó).隧道工程現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2004.

        [6]李曉紅.隧道新奧法及其量測(cè)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

        [7]黃光成.公路隧道施工[M].北京:人民交通出版社,2001.

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