吳 潔,雷 蕾,李海峰
(1.成都信息工程大學(xué) 物流學(xué)院 成都市 610103; 2.中鐵西南科學(xué)研究院 成都市 610031)
王家灣隧道位于陜西省延安市安塞縣王家灣鄉(xiāng),施工過程中易發(fā)生塌方和圍護(hù)結(jié)構(gòu)大變形等,嚴(yán)重威脅施工人員的安全,開展隧道監(jiān)控量測工作十分必要[1]。與傳統(tǒng)的隧道監(jiān)控量測相比,王家灣隧道采用非接觸監(jiān)控量測,利用電腦全站儀布置測點,結(jié)合隧道施工監(jiān)測信息化平臺系統(tǒng)分析處理,得出隧道拱頂?shù)淖兓椭車乃轿灰屏?,結(jié)合預(yù)警基準(zhǔn)和現(xiàn)場情況,指導(dǎo)施工[2],保障施工安全。在王家灣隧道的監(jiān)測工作,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
(1)確保施工安全
以變形量測(必測項目)的反饋最為直接,及時發(fā)現(xiàn)不安全征兆,采取相應(yīng)措施,確保施工安全,規(guī)避或減少損失。
(2)確保結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定
針對某些特殊隧道或段落,除施工過程中的嚴(yán)格要求外,增設(shè)長期應(yīng)力量測(選測項目)項目,收集和掌握隧道的長期穩(wěn)定性,及時采取措施。
(3)通過監(jiān)測反饋-指導(dǎo)施工-優(yōu)化設(shè)計
通過監(jiān)控量測工作的具體認(rèn)真落實,及時反饋信息,結(jié)合實際施工情況進(jìn)行分析,進(jìn)而指導(dǎo)施工和設(shè)計的優(yōu)化。
(4)為信息化設(shè)計和施工提供依據(jù)
積累大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,指導(dǎo)下一步隧道信息化設(shè)計和施工[3]。
根據(jù)設(shè)計圖要求,隧道采用三臺階法施工,其點位布設(shè)按圖1進(jìn)行布置[4]。
三臺階法圖1 拱頂下沉還和水平收斂測點布置圖
(1)拱頂下沉和水平收斂測點應(yīng)布置在同一斷面上。
(2)初支應(yīng)與圍巖密貼,測點埋設(shè)在鋼架、格柵等初期支護(hù)上。
(3)測點應(yīng)在初支支護(hù)后立即埋設(shè),測點需在開挖后8h內(nèi)埋設(shè)完成,初始讀數(shù)應(yīng)在測點埋設(shè)12h內(nèi)讀取。
(4)拱頂下沉測點應(yīng)埋設(shè)在拱頂軸線附近,數(shù)值采用絕對高程,周期性復(fù)核后視點,保證其數(shù)據(jù)可靠性。
測點應(yīng)在隧道開挖前布設(shè),橫向間距為2~5m,按圖2所示進(jìn)行布置,在隧道中線附近測點應(yīng)適當(dāng)加密,隧道中線兩側(cè)測量范圍應(yīng)不小于H0+B。
圖2 地表沉降橫向測點布置圖
拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測采用全站儀配合反射膜片進(jìn)行。
測點埋設(shè):采用直徑不小于20mm的螺紋鋼,尾端(隧道洞內(nèi)方向)進(jìn)行45°斜切形成斜切面或者端部焊接鋼板,斜切面處或鋼板上面粘貼測量專用反射膜片(不小于1cm×1cm)。
標(biāo)識要求:測點布設(shè)以后,在測點位置用紅色油漆做醒目標(biāo)識,每個斷面左右側(cè)各布設(shè)1個標(biāo)示牌,及時記錄展示相關(guān)信息,監(jiān)測點上嚴(yán)禁懸掛物品。
保護(hù)要求:測點及時進(jìn)行布設(shè),并做好保護(hù),防止破壞?,F(xiàn)場監(jiān)測與施工必須緊密配合,施工現(xiàn)場應(yīng)提供監(jiān)測工作時間,保證監(jiān)測工作的正常進(jìn)行,監(jiān)測測點的埋設(shè)計劃應(yīng)列入工程施工進(jìn)度控制計劃中。
破壞與松動處理要求:如果測點被破壞,應(yīng)在被破壞測點附近補(bǔ)埋,重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;如果測點出現(xiàn)松動,則應(yīng)及時加固,重新讀取初讀數(shù)。
地表沉降監(jiān)測可采用全站儀進(jìn)行,沉降測點埋設(shè)時先在地表鉆孔,然后埋入沉降測點,外露1~2cm,四周用混凝土填實。測點一般采用直徑20~30mm,長50~100cm半圓頭鋼筋制成。
王家灣隧道最大埋深約220m,最淺埋深約20m,進(jìn)口里程DK266+945,出口里程DK274+233,全長7288m。王家灣隧道開挖工法為三臺階開挖法,洞內(nèi)主要穿越粉質(zhì)黏土,全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖,圍巖主要為IV級和V級,初支采用格柵鋼架。
王家灣隧道地處中朝古地臺鄂爾多斯盆地伊陜斜坡區(qū),區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對簡單。褶皺和斷裂不發(fā)育,地勢東高西低,總體上為一傾向西~西北的單斜構(gòu)造。隧址區(qū)廣布白堊系下統(tǒng)砂巖,斜層理極其發(fā)育。區(qū)域上無大的構(gòu)造活動,無大型褶皺和斷層,地質(zhì)構(gòu)造簡單。隧道沖溝底部有流水,水面高程約為1302m。地表水主要為大氣降水及基巖裂隙水滲出形成地表徑流,主要由大氣降水補(bǔ)給,以蒸發(fā)、地表徑流及滲入為排泄條件,水量較少,受季節(jié)性降水影響大,雨季水量大且集中,非雨季無水或水量較少。
王家灣隧道2號斜井正洞DK271+340~840段隧道長500m,隧道洞身地層砂巖,全風(fēng)化,呈角礫狀松散結(jié)構(gòu):強(qiáng)風(fēng)化,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),厚層至巨厚層狀交錯層理結(jié)構(gòu),巖質(zhì)較軟,節(jié)理裂隙發(fā)育,呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。勘測期間存在基巖裂隙水,埋深為14.7m,水位高程1302.67m,水位變幅2.0~5.0m,水面埋深位于開挖面以上,局部斜層理破碎地段可能會賦存較多地下水,主要受地下水徑流補(bǔ)給,水量較大,隧道圍巖等級V級。
監(jiān)控量測小組進(jìn)行圍巖量測,數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)2016年10月6日10:32 DK271+590處水平收斂變化較大,在重新復(fù)測確認(rèn)后,上傳數(shù)據(jù)。預(yù)警信息如下:
(1)DK271+590黃色預(yù)警,日收斂值1.68mm。
(2)DK271+590黃色預(yù)警,累計收斂值46.51mm。
(1)處理機(jī)制
2016年10月6日,蒙陜指揮部在11:48收到王家灣隧道2號斜井正洞大里程方向DK271+590黃色預(yù)警,工區(qū)立即組織工程技術(shù)部、質(zhì)量安全部到現(xiàn)場,會同鐵四院(湖北)工程監(jiān)理項目部、中鐵十八局集團(tuán)MHTJ-5標(biāo)項目經(jīng)理部到王家灣隧道2號斜井進(jìn)行現(xiàn)場察看,對黃色預(yù)警情況和現(xiàn)場應(yīng)急處理措施進(jìn)行研究討論。
圖3 DK271+590斷面預(yù)警處理情況圖
(2)原因分析
經(jīng)過現(xiàn)場查看和數(shù)據(jù)對照得出原因主要為該段位于強(qiáng)風(fēng)化,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),厚層至巨厚層狀交錯層理結(jié)構(gòu),巖質(zhì)較軟,節(jié)理裂隙發(fā)育,呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu),局部斜層理破碎地段可能會賦存較多地下水,主要受地下水徑流補(bǔ)給,水量較大;隧道埋深約11.4m,地層砂巖,全風(fēng)化,呈角礫狀松散結(jié)構(gòu);該段落格柵鋼架尚未封閉成環(huán)。
(3)預(yù)警處理
針對上述情況經(jīng)由業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、施工單位研究并制定處理措施,對現(xiàn)場處理提出按照“勤量測、早封閉、快支護(hù)”的原則,對開裂段落進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),確保施工和結(jié)構(gòu)安全的要求。同時,要求監(jiān)控量測組對加固圈拱頂沉降、周邊收斂變形加密測量,并同步開展王家灣隧道相關(guān)里程段相應(yīng)部位應(yīng)力測試及分析工作。
圍巖變形情況:斷面DK271+590仰拱封閉前拱頂、周邊收斂累計變形量分別為72.5mm、20.26mm、52.73mm,如圖4~圖6,拱頂累計值約41d后趨于穩(wěn)定,左洞典型斷面周邊收斂累計值27d后趨于穩(wěn)定,右側(cè)洞典型斷面周邊收斂累計值41d后趨于穩(wěn)定;累計值-時間曲線總體呈“廠型”,即變形監(jiān)測曲線的變化大致分為三個階段:快速上升階段,緩慢上升階段,平穩(wěn)階段。
圖4 DK271+590斷面拱頂變形累計值
圖5 DK271+590左側(cè)洞斷面收斂一變形累計值
圖6 DK271+590右側(cè)洞斷面收斂變形累計值
從圖中所示數(shù)據(jù)情況可以看出:拱頂變形在仰拱初支封閉后,變形得到有效抑制,但是周邊收斂在加固圈形成后變形量還占總變形量的85%,說明加固圈的支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗當(dāng)前圍巖的應(yīng)力,使用格柵鋼架初支能保證釋放圍巖的應(yīng)力,允許圍巖有一定變形;拱頂在加固圈形成后變形量還占總變形量的72.5%,并且拱頂位置圍巖應(yīng)力大于拱腰位置圍巖應(yīng)力,說明目前隧道斷面受力不是最優(yōu)狀態(tài),可以優(yōu)化隧道截面曲率,使隧道結(jié)構(gòu)受力得到優(yōu)化。
施工過程中通過及時的監(jiān)測信息反饋指導(dǎo)施工,確保了結(jié)構(gòu)自身的安全穩(wěn)定,從而有效地將施工控制在安全范圍之內(nèi)。根據(jù)王家灣隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出以下幾點變形規(guī)律:
(1)下部開挖過程中會出現(xiàn)較明顯的沉降或收斂。
(2)工序之間的銜接不及時也會造成較明顯的沉降或收斂。
(3)在開挖仰拱完成初支成環(huán)后2~3d內(nèi),沉降與收斂會得到逐步控制,變化量基本穩(wěn)定。
(4)拱頂變形在仰拱初支封閉后,變形得到有效抑制,但是周邊收斂在加固圈形成后變形量還占總變形量的85%,說明加固圈的支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗當(dāng)前圍巖的應(yīng)力,使用格柵鋼架初支能保證釋放圍巖的應(yīng)力,允許圍巖有一定變形;拱頂在加固圈形成后變形量還占總變形量的72.5%,并且拱頂位置圍巖應(yīng)力大于拱腰位置圍巖應(yīng)力,說明目前隧道斷面受力不是最優(yōu)狀態(tài),可以優(yōu)化隧道截面曲率,使隧道結(jié)構(gòu)受力得到優(yōu)化。
(5)隧道圍巖開挖過程中,變形監(jiān)測曲線的變化大致分為三個階段:快速上升階段,緩慢上升階段,平穩(wěn)階段。左側(cè)洞開挖過程會對右側(cè)洞產(chǎn)生影響,右側(cè)洞典型斷面收斂值趨于穩(wěn)定的時間長于左側(cè)洞。