大断面围岩量测

浅埋隧道大断面围岩量测随着国民经济的飞速发展, 对交通运输能力的要求越来越高。

铁路建设以其占地少、运量大及长途运输能力强等优势,已成为拉动国民经济增长的支柱产业、带动地方经济发展的龙头。

在山岭、丘陵地区的铁路建设中,隧道方案以能缩短行车里程,提高线型标准、保障运营安全,保护生态环境等优点,得到普遍应用。

随着隧道工程越来越多，超长隧洞、超大断面、超差地质条件隧道的应用也就越来越广。

但由于地下隧道结构的复杂性，岩性参数的不确定性，使得隧道稳定性问题更为重要。

这就对隧道施工技术提出了更高的要求。

在隧道施工过程中采用围岩量测监控技术,对围岩变化情况及支护结构进行量测,及时提供围岩稳定程度与支护结构可靠性的安全信息,预见事故及险情,作为调整与修改支护设计的依据,并在复合式衬砌中,依据测量结果确定二次衬砌施做的时间,以达到监控隧道围岩与支护结构的变化不超过设计标准。

在某隧道施工中，由于隧道开挖断面大,初期支护后围岩暴露的时间相对较长,为此,应用了围岩量测技术,全过程监督围岩的变形和初期支护变形的动态, 通过对监测数据的分析与研究,选择适宜的支护措施, 指导合理安排工序,及时修改支护参数,确保了工程的安全与质量,提高了施工效益并节约了施工成本。

1概述某特长大断面黄土隧道采用新奥法设计和施工,现场监控量测已列入设计文件,并在施工过程实施。

现场监控量测是判断围岩和隧道的稳定状态、保证施工安全、指导施工顺序、进行施工管理、提供设计信息的重要手段。

而隧道围岩收敛量测是判断围岩动态的最主要的量测项目, ,其量测设备简单、操作方便,对围岩动态监测的效果也很好。

本文通过某隧道施工的实践，通过利用图表对量测数据进行分析，有很强的可操作性和工程指导性。

监控量测的主要任务是在施工过程中使用不同的仪器对围岩进行测量并对量测数据进行回归分析，研究围岩的稳定性，指导隧道施工。

本文旨在为量测断面出现的不同的稳定情况进行原因分析，为隧道监控量测数据的分析处理提供简单快捷、合理可靠的处理方法。

2围岩量测的实施方案隧道围岩在开挖前认为是均匀的介质,在隧道开挖后原来的应力平衡体系遭到破坏,围岩为保持稳定,重新进行应力分配,同时产生围岩变形,在开挖后,施作初期支护是柔性的,这样早期初期支护的受力并不大,随着应力的进一步释放和初期支护支撑能力的进一步加强,则具有足够支护强度的支护体系和围岩变形压力,在一定时间内就会达到平衡,在平衡点附近围岩变形总量和变形速率,对于不同的围岩和不同的开挖断面形式一般都有一个确定的范围,在平衡点的附近,围岩作用于支护体系的压力最小。

在隧道施工过程中，对围岩和支护系统的稳定状态进行监测，为喷锚支护和二次砼衬砌的参数调整提供依据，把量测的数据经整理和分析得到信息及时反馈到设计和施工中，进一步优化设计和施工方案,施工监控量测应根据隧道工程地质条件、围岩类别、围岩应力分布情况、隧道跨度、埋深、工程性质、开挖方法、支护类型等因素确定。

包括收敛量测和周边位量测，收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目，收敛值是最基本的量测数据。

周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映。

通过周边位移量测，可以根据变形速率判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机，以及指导现场施工。

2.1围岩量测的目的围岩变形量测的目的在于通过变形观测和对变形数据的回归分析来判定达到这一平衡点的时间和在平衡点附近的围岩变形及支撑情况,从而向设计和施工反馈信息,以便及时施作二次衬砌充分利用围岩的自承能力,在保证安全的前提下采取最经济的支护体系。

2.2量测仪器、原理、内容、方法、频率和时间2.2.1量测仪器量测隧道围岩收敛的仪器多采用收敛计,本次围岩量测采用的是JSS30A型系列数显收敛计，该收敛计的特点是结构新颖，操作简单，测量精度高，体积小，重量轻，密封性好，适用于量测围岩周边任意方向两点间的距离微小变化。

2.2.2工作原理收敛计是利用机械传递位移的方法，将两个基准点间的相对位移转变为数显位移计的两次读数差。

当用挂钩连接两基准从而点A、B预埋件时，通过调整调节螺母，改变收敛计机体长度可产生对钢尺的恒定张力，保证量测的准确性及可比性，机体长度的改变量，由数显电路测出。

当A、B两点间随时间发生相对位移时，在不同时间内所测读数的不同，其差值就是A、B两点间的相对位移值。

当两点间的相对位移值超过数显位移计有效量程时，可调整尺孔销所插尺孔，仍能继续用数显位移计读数。

2.2.3量测内容根据现场实际情况,本次量测主要测净空水平收敛,为日常施工管理提供有关数据资料。

隧道开挖支护时,及时埋入量测件,严格按设计测量断面间距、测点布置, 并及时获得初始读数。

2.2.4量测方法使用前准备首次使用收敛计时，应先进行调零。

调零方法为：①顺时针方向旋转调节螺母，至转不动时为止，按下开关键显示屏数字为0.00，如果数字不为零时，按下清零键此时显示屏数字会全部清零，为保证对零的准确性，可重复对零2～3次。

使用方法(1)检查预埋件测点有无损坏，枪支并将测点灰尘擦净。

(2)用手握住收敛计主体,拉出尺头挂钩放入测点孔内，将收敛计拉至另一端测点，并将尺架挂钩挂职入测点孔内，选择合适的尺孔，将尺孔销插入，用尺卡将尺与联尺架固定。

(3)调整调节螺母，仔细观察，使塑料窗口上的刻线对在张力窗口内标尺上中间任意一条白线中，每次都应对在同一白线上。

每次测量时,要求收敛计所置位置和平行度保持不变。

收敛计达到一定拉力后,轻轻放开,并稍微给个振动力,看其是否恢复到原来拉力,若有误差,需继续调整调节螺母,直到拉力达到预定值为止。

这时,记下钢尺在联尺架端时的基线长度和数显读数,相加即得两点间距离。

为提高测量精度，每条基线应重复测量三次取平均值。

2.2.5量测频率及时间净空变化的测试频率,依据位移速率和测点距开挖面距离确定,一般按表1选定。

即元件埋设初期测试频率为1~2次/d;随着围岩渐趋稳定,量测次数可减少;当出现围岩不稳定征兆时,应增加量测次数。

表1净空位移与拱顶下沉量测频率由位移速率决定的量测频率和由测点距开挖面的距离决定的量测频率之中,原则上采用两次频率之中较高者。

当位移趋向一定值时,亦可不采用表1的数值。

2.3现场量测断面布置及质量要求2.3.1现场量测断面布置在隧道正洞每个量测断面布置2条净空水平收敛量测线,测点布置示意图②量测断面间距应根据《铁道部120号文》要求, ,确定各级围岩量测断面的间距为:Ⅵ级围岩地段5m;Ⅴ级围岩地段10 m。

2.3.1现场量测质量要求①快速设点。

隧道开挖后,为尽早获得围岩开挖后初始阶段的变形动态,尽快埋设测点,②测点应牢固可靠,易于识别并妥善保护。

③一次量测的时间尽可能短。

④量测仪器要有足够的精度。

(1)喷锚支护施作2 h后即埋设测点,进行第一次量测数据采集，初始读数应在开挖后12 h 读取,最迟不得超过24 h,而且在下一循环开挖前,必须完成初期变形值的读取。

(2)测试前检查仪表设备是否完好,如发现故障应及时修理或更换;确认测点是否松动或人为损坏,只有测点状态良好时方可进行测试工作。

(3)测试中按各项量测操作规程安装好仪器仪表,每测点一般测读3次。

3次读数相差不大时,取算术平均值作为观测值,若读数相差过大则应检查仪器仪表安装是否正确、测点是否松动,当确认无误后再按前述监控量测要求进行复测。

每次测试都要认真做好原始数据记录,并记录掘进里程、支护施工情况以及环境温度等,保持原始记录的准确性。

量测数据应在现场进行粗略计算,若发现变位较大时,应及时通知现场施工负责人,以便采取相应的处理措施。

(4)测试完毕后检查仪器、仪表,做好养护、保管工作;及时进行资料整理,监控量测资料必须认真整理和审核。

2.3围岩监控量测现场实施方案(1)围岩监控量测的依据《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》(TBJ108 92)。

(2)监控量测的作业流程(图1)图1监控量测作业流程2.4监控量测资料的整理及反馈(1)根据量测数据绘制:①位移及位移速度随时间的变化曲线;②位移及位移速度与开挖工作面距离的曲线。

依据变形管理等级(表3变形管理等级)指导施工。

(2)观察和量测发现异常时,应及时修改支护参数。

一般正常状态必须同时满足以下条件:①喷射混凝土表面无裂缝或有少量微裂缝;②位移速度在最初1~2 d允许有加速外,应迅速减少。

(3)位移很快达到稳定,且围岩状况比预计要好,应适当减弱设计参数。

(4)双线隧道的二次衬砌施作时间满足《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》第3.6.5条有关规定。

4监控量测实施情况分析4.2量测结果分析根据设计要求,本隧道以Ⅳ~Ⅵ级围岩为量测重点。

针对Ⅳ~Ⅵ级围岩的量测结果进行分析,并选择Ⅳ级围岩DK106+546为例,绘制相关曲线(图3~图5)。

围岩位移是隧道开挖过程中所引起的围岩力学变化最直接的体现,支护系统的破坏或围岩的坍落都是位移发展超过某一限度的结果。

在现场施工监测中,位移量以及时间效应是指导施工、评定围岩稳定性的重要指标。

(1)量测曲线无论是隧道围岩位移和时间曲线,还是隧道周边收敛位移和开挖面距离曲线,位移的变化特性大致相同。

在量测断面开挖过后10 d内,即距开挖面距离30m内,围岩发生急剧变形,其变形量占围岩总变形量的50%以上,之后逐渐减小,30 d以后围岩变形基本趋于稳定,隧道周边位移速率平均值约为0.1 mm/d,在这个速率下,允许作二次支护。

(2)围岩稳定程度的3个阶段①急剧变形阶段。

该阶段收敛位移速率>1.0mm/d。

对于Ⅴ、Ⅵ级围岩,该阶段平均历时(指开挖以后的时间)为15 d左右,最长30 d;Ⅳ级围岩10 d,最长15 d,但位移速率相对较小;而Ⅱ、Ⅲ级围岩则无此阶段。

②缓慢增长阶段。

该阶段收敛位移速率0.2~1.0 mm/d,对于Ⅴ、Ⅵ级围岩,到达该阶段的平均历时为40 d,最长65 d;Ⅳ级围岩为15 d。

Ⅱ、Ⅲ级围岩则无此阶段。

③基本稳定阶段。

当收敛位移速率<0.2 mm/d时,可以认定进入基本稳定阶段。

Ⅴ、Ⅵ级围岩,到达该阶段平均历时50 d以上;Ⅳ级围岩平均为18 d以上;对于Ⅱ、Ⅲ级围岩,一般开挖后就基本稳定,地质较破碎,节理发育的局部需施作挂网喷射混凝土。

二次支护(衬砌)应在达到基本稳定状态即围岩位移量已达总位移量的90%以上时再施作。

(3)洞内状况观察每次开挖后,由值班技术干部对开挖工作面进行观察,并绘制地质素描图。

对与设计不符的及时上报核实后,由设计、监理、施工三方现场会勘后,对支护参数进行调整。

(4)以监控质量为目的的量测截止2002年5月,共作锚杆拉拔实验372组,抗拉拔力平均为132.3 kN,达设计的102.6%;共作喷射混凝土试件981组,28 d抗压强度平均为21.7 MPa,达设计强度的121%;喷射混凝土厚度满足设计要求,Ⅰ~Ⅳ级围岩混凝土表面仅局部有小量微裂缝,Ⅴ、Ⅵ级围岩及断层带段局部变形较大并出现裂纹,及时采取了加密锚杆或锚管加固围岩和二次挂网补喷混凝土等施工措施,直至达到围岩稳定。