陳 帥 王玉瑩 王利明

(河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

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多點(diǎn)位移計(jì)在隧道中巖墻圍巖位移穩(wěn)定性分析

陳 帥 王玉瑩 王利明

(河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

介紹了多點(diǎn)位移計(jì)的測(cè)試原理及埋設(shè)安裝方法，結(jié)合工程實(shí)例，從初始值選取、技術(shù)參數(shù)、量測(cè)數(shù)據(jù)處理等方面，闡述了多點(diǎn)位移計(jì)在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用，為隧道施工提供了依據(jù)。

隧道，多點(diǎn)位移計(jì)，圍巖，穩(wěn)定性

0 引言

在公路隧道施工中，現(xiàn)場(chǎng)一般采用新奧法設(shè)計(jì)和施工，隧道的開(kāi)挖使得隧道洞室附近的巖體發(fā)生一定的松動(dòng)與破壞，造成圍巖應(yīng)力相應(yīng)降低，從而不斷向隧道洞內(nèi)產(chǎn)生一定的塑性松脹，進(jìn)而將圍巖應(yīng)力傳遞到周邊巖體，鄰近的巖體也就產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形。這種塑性變形的范圍是向圍巖深部逐漸擴(kuò)展的，從而在隧道的周邊產(chǎn)生一定范圍的塑性松動(dòng)圈[1,2]。一般情況下，在隧道施工中除進(jìn)行常規(guī)的洞內(nèi)外觀察，地表下沉，拱頂下沉，周邊收斂等，隧道一般還進(jìn)行了圍巖巖體多點(diǎn)位移的測(cè)試。有關(guān)研究表明，隧道內(nèi)部位移的監(jiān)測(cè)不但對(duì)評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性研究至關(guān)重要，并且為隧道提供了合理經(jīng)濟(jì)的支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 多點(diǎn)位移計(jì)的測(cè)試原理及埋設(shè)安裝

1.1 多點(diǎn)位移計(jì)的測(cè)試原理

在隧道的監(jiān)控量測(cè)中，一般是通過(guò)鉆孔位移計(jì)量測(cè)洞內(nèi)巖土體不同深度處位移。相對(duì)于隧道圍巖收斂觀測(cè)來(lái)說(shuō)，多點(diǎn)位移計(jì)能量測(cè)到洞室圍巖內(nèi)不同深度上的軸向變形。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)資料不僅可分析判斷出隧道圍巖位移的松弛范圍和變化范圍，而且可以預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)出圍巖穩(wěn)定性，從而為修改隧道錨桿支護(hù)參數(shù)和隧道的理論分析提供參考。

多點(diǎn)位移計(jì)的量測(cè)要按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求通過(guò)錨固于鉆孔內(nèi)不同深度的錨頭，隨隧道基礎(chǔ)發(fā)生等量變位，與錨頭連接的測(cè)桿隨之發(fā)生等量移動(dòng)，安裝于鉆孔口的振弦式位移計(jì)傳感器就會(huì)產(chǎn)生等量相對(duì)位移[3]。其相對(duì)位移的計(jì)算公式如式(1)所示：

S=K(Fi-F0)

(1)

式中：S——發(fā)生的位移量，mm；

K——多點(diǎn)位移計(jì)的靈敏度系數(shù)，mm/F；

1.2 多點(diǎn)位移計(jì)的埋設(shè)和安裝[4-6]

DDWXR-5002型振弦式多點(diǎn)位移計(jì)由三個(gè)基本部分組成：

1)鉆孔灌漿錨頭(或其他形式錨頭)2個(gè)～6個(gè)(與測(cè)點(diǎn)相同)；

2)不銹鋼測(cè)桿及其保護(hù)管；

3)位移計(jì)測(cè)頭組件及其護(hù)罩。一般在垂直、水平或任意方向的鉆孔內(nèi)進(jìn)行安裝，這種方法能夠在隧道、工業(yè)廠房、地下洞室、水壩壩基及邊坡等不同深度層的位移進(jìn)行觀測(cè)，從而通過(guò)位移計(jì)量測(cè)鉆孔內(nèi)沿測(cè)桿埋設(shè)方向任意兩點(diǎn)間的相對(duì)位移。多點(diǎn)位移計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

1.2.1 鉆孔及洗孔

通過(guò)測(cè)量在設(shè)計(jì)位置處放點(diǎn)來(lái)確定出需要鉆孔的具體方位。根據(jù)隧道設(shè)計(jì)要求確定埋設(shè)高程、方位、角度，在設(shè)計(jì)定位的地方打孔，準(zhǔn)備埋設(shè)測(cè)量桿。一般埋設(shè)孔有兩個(gè)尺寸，其中測(cè)桿埋設(shè)最小孔徑約為65 mm，深度需按設(shè)計(jì)要求來(lái)定；保護(hù)筒埋設(shè)的最小孔徑約為135 cm，深度約為470 mm。為確保多點(diǎn)位移計(jì)安裝順利以及埋設(shè)鉆孔的孔壁光滑，該鉆孔采用XY-2PC地質(zhì)鉆機(jī)和金剛石鉆頭來(lái)進(jìn)行鉆孔，還需對(duì)在鉆進(jìn)過(guò)程中巖石發(fā)育較差的破碎帶巖體進(jìn)行部分注漿加固處理。在鉆孔結(jié)束后檢查鉆孔暢通情況，測(cè)量其鉆孔方位、深度、傾角是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并對(duì)巖芯進(jìn)行描述，做好鉆孔記錄。在多點(diǎn)位移計(jì)安裝前，采用導(dǎo)管通水從孔底向孔外進(jìn)行沖洗，保持的壓力約為1.0 MPa。

1.2.2 錨頭及傳遞桿的安裝

將測(cè)桿順著保護(hù)筒筒底延長(zhǎng)，并用塑料護(hù)管套在測(cè)桿外，在保護(hù)筒的起始處，用兩個(gè)分配盤(pán)每隔1.5 m將測(cè)桿分配開(kāi)。之后的測(cè)桿可以每隔1.5 m用塑料扎帶扎在已套上塑料護(hù)管的測(cè)桿上，從而使測(cè)桿在進(jìn)入鉆孔時(shí)不會(huì)散開(kāi)。

測(cè)桿可以一直接長(zhǎng)至設(shè)計(jì)孔底，且在測(cè)桿與錨頭擰上前，先在塑料護(hù)管的最后接上一節(jié)內(nèi)有O形圈的小短塑料護(hù)管，從而達(dá)到阻擋泥砂進(jìn)入的目的，之后將測(cè)桿與錨頭帶膠擰牢。最后再檢查一下各部位的安裝是否牢固，試?yán)瓌?dòng)測(cè)桿位移計(jì)，則滑動(dòng)軸應(yīng)隨之一起運(yùn)動(dòng)，將保護(hù)筒的筒蓋蓋上。

1.2.3 多點(diǎn)位移計(jì)的安裝固定

將組裝好的多點(diǎn)位移計(jì)整體放入鉆孔，直至保護(hù)筒的筒底進(jìn)入鉆孔的孔底，確保保護(hù)筒要放置牢固。然后即可進(jìn)行砂漿的回填固結(jié)。在回填砂漿時(shí)需先將灌漿管插入孔底，然后從灌漿管內(nèi)注入砂漿，使砂漿要由下向上泛漿，逐級(jí)灌漿逐級(jí)慢慢拔出灌漿管，同時(shí)也應(yīng)逐級(jí)拔出排氣管，直到灌漿達(dá)到保護(hù)筒的底部。當(dāng)水泥砂漿泛到保護(hù)筒的底部之后，將灌漿管和排氣管從中拔出。最后在多點(diǎn)位移計(jì)安裝定位后，還應(yīng)及時(shí)測(cè)量出儀器初值，根據(jù)儀器的編號(hào)以及設(shè)計(jì)編號(hào)作好初始記錄并存檔，儀器的引出電纜必須嚴(yán)格保護(hù)。

2 工程概況

焦桐高速公路登汝段石門(mén)隧道地處登封市白坪鄉(xiāng)石門(mén)村附近，隧址位于嵩山山地南端，最大埋深約為37 m，為分離式隧道。隧道區(qū)多為剝蝕丘陵，屬于低山地貌，地形起伏，坡度相對(duì)比較緩。隧道圍巖為中風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化白云巖，局部夾泥灰?guī)r，巖體較破碎松散，層間結(jié)合差，呈薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分被粘土填充。隧道進(jìn)口段位于半山坡處，進(jìn)洞口地面由于采石開(kāi)挖，呈獨(dú)崖?tīng)?。其中進(jìn)口段坡度約為70°，出口段坡度約為40°。本隧道的巖石基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

該隧道左洞起止點(diǎn)樁號(hào)為K19+505～ K19+352，預(yù)埋式多點(diǎn)位移計(jì)安裝在該洞出口段中巖墻K19+387處，位于上臺(tái)階1 m左右處，該處圍巖類(lèi)別大部分以Ⅳ類(lèi)圍巖為主，中風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化白云巖，其中局部夾泥灰?guī)r，裂隙微發(fā)育，因此圍巖穩(wěn)定性較好。調(diào)查該區(qū)的地下水的賦存情況可知主要可分為孔隙水，基巖裂隙水兩類(lèi)，兩者對(duì)巖體的危害程度較輕或影響范圍較小。

3 數(shù)據(jù)采集及分析

3.1 初始值的選取

初始值的選取是指儀器在安裝埋設(shè)后，開(kāi)始正式工作前所取的監(jiān)測(cè)值。該值的確定直接會(huì)影響以后資料分析的正確性，因此確定不當(dāng)會(huì)引起系統(tǒng)性的誤差。為了確保安裝的位移計(jì)傳感器初始值選取的準(zhǔn)確性，必須在儀器安裝埋設(shè)完畢并注漿24 h后讀取初始值，分別對(duì)儀器進(jìn)行3次讀測(cè)，其差值小于1%F·S時(shí)的平均值，即可確定為初始值[7]。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)和測(cè)量結(jié)果

在測(cè)量的過(guò)程中可依照主要儀器的技術(shù)參數(shù)來(lái)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，以確定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和合理性。主要技術(shù)參考參數(shù)如表2所示，測(cè)得的前十天的數(shù)據(jù)成果匯總?cè)绫?所示。

表2 主要技術(shù)參考參數(shù)

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)成果匯總

3.3 量測(cè)數(shù)據(jù)分析處理

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析研究，繪制出相應(yīng)的觀測(cè)變化過(guò)程線性圖如圖2所示。這樣，可以直觀地了解和分析監(jiān)測(cè)中巖墻圍巖深部位移的變化情況和周邊圍巖的時(shí)態(tài)變化關(guān)系。

從K19+387監(jiān)測(cè)斷面中圍巖內(nèi)位移的日常監(jiān)測(cè)數(shù)值來(lái)看，由于當(dāng)安裝石門(mén)隧道左洞中巖墻處的多點(diǎn)位移計(jì)時(shí)，同一里程處的石門(mén)隧道右洞的下臺(tái)階已經(jīng)開(kāi)挖結(jié)束，從圖2曲線可以看出剛開(kāi)始圍巖內(nèi)位移變化速率緩慢增長(zhǎng)，且向石門(mén)隧道右洞發(fā)展，逐漸趨于穩(wěn)定，圍巖測(cè)點(diǎn)位移持續(xù)增長(zhǎng)到最大值0.23 mm，隨著左洞下臺(tái)階的開(kāi)挖，圍巖測(cè)點(diǎn)位移開(kāi)始向左洞隧道的臨空面發(fā)展，且變化幅度較大，可以看到2 m測(cè)點(diǎn)處錨頭多點(diǎn)位移計(jì)的位移達(dá)到1.15 mm，1.5 m測(cè)點(diǎn)錨頭處的多點(diǎn)位移計(jì)的位移值達(dá)到1.38 mm，不超過(guò)圍巖變形破壞的臨界值，處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?jiàn)離洞周壁面越近測(cè)點(diǎn)位移越大，離洞周壁面越遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)位移越小，說(shuō)明在開(kāi)挖以后，越靠近臨空面，圍巖的位移變化值越大。在上下臺(tái)階開(kāi)挖的過(guò)程中，隧道中巖墻處的內(nèi)部位移變化起伏不大，圍巖總體比較穩(wěn)定，可以說(shuō)明在這種圍巖條件下，采用上下臺(tái)階的開(kāi)挖方式是合理經(jīng)濟(jì)的作業(yè)方式。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本工程埋設(shè)的多點(diǎn)位移計(jì)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整記錄了隧道中巖墻處內(nèi)部圍巖位移變形的全過(guò)程，能夠用于內(nèi)部圍巖的穩(wěn)定性分析研究，這是用其他的觀測(cè)方法或者實(shí)驗(yàn)儀器難以獲得的，而且對(duì)于其他諸如用周邊收斂等觀測(cè)方法所獲得的隧道圍巖變形數(shù)據(jù)的處理以及估計(jì)隧道的最終變形位移量等有很大的指導(dǎo)意義，對(duì)其他類(lèi)似圍巖等級(jí)的隧洞工程開(kāi)挖方式的選取有較大的參考價(jià)值。

2)多點(diǎn)位移計(jì)在隧道的安裝過(guò)程中需要保證安裝質(zhì)量和灌漿質(zhì)量，并在后期的量測(cè)過(guò)程中及時(shí)量測(cè)，加強(qiáng)對(duì)儀器線纜的保護(hù)，防止后期所測(cè)數(shù)據(jù)的失真，從而影響分析。

[1] 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,2001.

[2] 呂康成.隧道工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3] 王 鑫.信息化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)在公路隧道中的應(yīng)用[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2008.

[4] 高 軍，趙運(yùn)臣.隧道變形監(jiān)測(cè)新技術(shù)的應(yīng)用研究[J].西部探礦工程，2001(3)：101-103.

[5] 李海發(fā).隧道巖體多點(diǎn)位移測(cè)試[J].山西建筑，2000，26(1)：145-146.

[6] 孫根民，郝長(zhǎng)生.軟巖地區(qū)多點(diǎn)位移計(jì)埋設(shè)及變形特性技術(shù)研究[J].西部探礦工程，2005(3):102-103.

[7] 高鵬偉，羅曉薇.振弦式多點(diǎn)位移計(jì)在穿黃隧道工程F3斷層施工中的應(yīng)用[J].海河水利，2010(3)：50-52.

Rock-wall surrounding rock displacement stability analysis of MDMI in tunnel

Chen Shuai Wang Yuying Wang Liming

(HenanTrafficScience&TechnologyAcademyCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The paper introduces testing principles and embedding installation methods of MDMI. Combining with engineering examples, starting from aspects of original value selection, technical parameters and measurement data processing, it describes the application of MDMI in tunnel surrounding rock stability analysis, which has provided some guidance for tunnel construction.

tunnel, Multi-Displacement-Monitoring Instrument(MDMI), surrounding rock, stability

1009-6825(2016)20-0189-03

2016-05-04

陳 帥(1989- )，男，碩士，助理工程師

U451.2

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