强震后千枚岩隧道施工监控量测及分析

强震后千枚岩隧道施工监控量测及分析
王
路，陈寿根
（西南交通大学土木工程学院，四川成都610031）
【摘
要】漩坪隧道是“5·12”汶川大地震之后新建的一条公路隧道，隧址区地质条件复杂，岩性以强
风化千枚岩为主。

隧道在施工过程中，监控量测发挥了积极作用。

文章结合工程实例，详细介绍了隧道施工过程中监控量测的内容及方法，并基于现场监测数据和施工记录，对监测数据进行分析，得出一些结论，进而为锚喷支护和二次衬砌的参数调整提供依据。

【关键词】地震；
千枚岩；
隧道；
施工；
监控
【中图分类号】U456.3+1
【文献标识码】B
［定稿日期］2012－05－18［作者简介］王路（1987 ），男，硕士研究生。

省道S302线北川曲山至茂县界段灾后重建工程曲山任
家坪至禹里段漩坪隧道设计为单洞双向行车隧道，起讫桩号为K8+800 K9+870，隧道总长1070m ，为长隧道。

设计隧道纵面位于－2.852%下坡段。

隧道平曲线位于直线接R R =2000m 圆曲线接直线接R L =380m 圆曲线上。

隧道净宽9.0m ，净高5.0m 。

隧址区属深切割构造侵蚀中 低山地貌区，隧道穿越斜坡平台部位，沿近东西向展布，地势总体为洞身较高，进出洞口较低，洞身处于斜坡平台部位。

漩坪隧道岩性以千枚岩为主，灰色、灰绿色，千枚状构造，显微变晶结构、变余结构，主要矿物组成为绢云母、绿泥石、石英、钠长石，片理面具强丝绢光泽。

隧道围岩体涉及地层为含角砾粉土、粉质粘土、块石、含粉土碎石、志留系中上统茂县群第一亚组千枚岩，节理较发育。

1
监控量测方案设计
1.1
监测的作用
新奥法作为一种全新的隧道施工概念，其基本原理是运用各种手段（开挖方法、支护形式、监控量测等）抑制围岩变形，最大限度地发挥围岩自身的承载能力，使隧道施工更安全、更经济，而其经济性与安全性就是通过现场监控量测所获得的围岩、支护系统的应变和应力信息及时反馈应用于隧道设计和施工中来实现的。

因此，快速、准确地进行现场监控量测和信息反馈是应用新奥法施工的关键。

监控量测有以下几点作用：
（1）掌握隧道断面的变形，判断围岩力学行为的改变，从而对围岩是否稳定做出评价；
（2）确定支护类型、参数和时间，以及支护结构的工作情况；
（3）探究围岩的变形规律，为二次衬砌的施作提供准确的时间；
（4）搜集量测数据为理论解提供对比，并为后续工作提供参考及积累经验。

1.2
监测项目的选定及要求
目前我国公路隧道施工过程中的监控量测可以分为必
测项目和选测项目，参见表1。

表1
公路隧道监控量测项目序号项目
是否必测
1地质和支护状态观测是2周边位移是3拱顶沉降是4地表下沉
是5锚杆（索）内力和抗拔力否6围岩体内位移
否7围岩与初支间压力及初支与二衬间压力否8钢支撑压力
否9支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测否10
围岩弹性波测试
否
本隧道的监测项目主要为：地质和支护状态观测、周边位移和拱顶沉降。

1.2.1
地质和支护状态观测
地质和支护状态观测大致分为两大类：一是洞口周边及洞身浅埋段；二是洞内工段。

洞口周边及洞身浅埋段的观测应该包含：洞口处边坡的稳定状态；地表开裂和变形情况；洞口近接既有建筑物所受到的影响。

对洞内工段的观测更加全面细致，分为对掌子面的观测和对初支、二次衬砌的观测。

首先，在爆破、出渣之后及时对掌子面进行观测，利用数码成像或绘制地质素描图进行记录，填写掌子面地质状况记录表，与勘察设计资料作比对，进而做出正确的评价。

其次，还应对已施作锚喷支护的初衬、每一榀拱架的变形以及二次衬砌的工作状态进行详细记录。

1.2.2
周边位移和拱顶沉降在隧道开挖之后，准确量测周边位移和拱顶沉降能够反
映出围岩二次应力状态所发生的力学行为改变，判断隧道内空的稳定状态，从而为二次衬砌提供合理的施作时间。

如果隧道变形超过允许值时，周边位移和拱顶沉降还能对其做出及时预警，正确指导现场的设计与施工。

另外，量测周边位移和拱顶沉降所预埋的点位应在同一断面内。

1.3监测使用仪器及监测频率
隧道内主要监控量测项目及量测频率参见表2［2］。

表2主要监控量测项目及量测频率
项目名称方法及工具测点布置要求
量测间隔时间
1 15d16d 1个月1 3个月3
个月后
地质和支护状态观测
岩性、结
构面产状及
裂隙观察
开挖及初期支护后进行每次爆破后进行周边位移SWJ－Ⅳ型收敛计
拱顶沉降水准仪、水准尺和钢尺
IV级每20m1个断面，
V级每10m1个断面
1 2次/d1次/2d1 2次/周1 3次/月
1 2次/d1次/2d1 2次/周1 3次/月1.4监测实施方法
预埋监测点的布设应该根据断面形状、大小以及开挖方
式而采取不同的形式，同时还应与施工现场的情况相协调。

结合本项目的实际开挖情况，周边收敛位移和拱顶沉降的布
点参见图1。

图1隧道断面的测点布置
图2拱顶下沉量测示意
测点埋设完成之后，量测点的初读数应在12h内或下次
爆破前完成。

读数完成之后，应用醒目颜色喷漆喷于测点周
围以示提醒，注意保护。

量测时，将钢尺在拱顶测点作为标
尺，后视点可设在稳定衬砌上，用精密水准仪进行观测，通过
计算求出连续两次量测的拱顶高程，将前后两次量测的数据
H'
i
、H
i
相减得拱顶下沉值ΔH i［3］。

拱顶下沉的量测原理参
见图2。

拱顶沉降与隧道施工共用高程控制网。

对监测结果进
行分析，可以得出单次沉降曲线，并可对其进行拟合，进而对
最终沉降做出预测，指导施工。

为使测量数据精确，消除温
度造成的误差，应将所有仪器在隧道内静置10min左右，并
用温度计测定温度之后方可开始测量。

实测位移值U不应大于隧道的极限位移U0，并按位移
管理等级施工［4］，参见表3。

一般情况下，宜将隧道设计的
预留变形量作为极限位移，而设计变形量应根据监测结果不
断修正。

表3位移管理等级
管理等级管理位移（mm）施工状态
ⅢU＜U0/3可正常施工
ⅡU0/3＜U＜2U0/3应加强支护
ⅠU＞2U0/3应采取特殊措施
2监测结果分析
取得足够的现场观测数据之后，可以绘制隧道变形的
“位移－时间”图、“速率－时间”图。

通过这些图表数据可较
直观地反映出围岩变形情况并初步判断开挖后围岩是否趋
于稳定。

若不能趋于稳定，则需要根据的变形特点，采取不
同的临时加固方案或永久加固方案［5、6］。

本文此处选取K9+245和K9+275两个比较有代表性的
断面进行数据分析。

监测结果参见图3 图8，每一数据均
为三次测量平均所得。

结果显示，震后千枚岩隧道变形有如下特点：
“速率—时间”图显示，隧道开挖后短期内收敛速率较
大，水平收敛速率通常达到10mm/d左右，围岩处于急剧变
形状态，毛洞自稳能力差，时间效应明显，但该收敛速率在初
支后迅速趋于减小。

同时开挖之后围岩变形持续时间较长，
开挖之后所形成的临空面，即使有初支约束，变形也很难达
到收敛状态，一般在埋点后3 4周基本趋向稳定。

一些隧
道施工中拱顶下沉量和水平收敛值在刚开挖的一周内完成
90%左右［7］，而该千枚岩隧道在开挖一周后，变形量通常仅
占总变形量的50%左右。

隧道在掘进过程中，上台阶正趋于稳定的围岩由于受到
下台阶开挖的影响，变形加速特征较明显，如参见图7和
图8。

图3K9+245断面拱顶下沉速率—时间关
系图4K9+245断面水平收敛速率—时间关
系
图5K9+275断面拱顶下沉速率—时间关
系图6K9+275断面水平收敛速率—时间关
系
图7K9+245断面拱顶下沉位移—时间关
系图8K9+275断面拱顶下沉位移—时间关系
强震后千枚岩隧道施工过程中，初支之后围岩变形量较
大。

累计平均变形量在80mm以上，最大变形量在台阶结合
处。

另外，千枚岩遇水软化甚至泥化，容易出现大变形或者
塌方等不良地质现象。

3结束语
（1）由于监测断面处千枚岩节理较发育，风化严重，岩体
自身的单轴抗压能力比较低，为极软岩。

相对于其单轴抗压
能力来说，断面处130m左右的埋深对于此处岩体所产生的
地应力已经很大，故初支之后变形较大。

在下台阶开挖之
后，围岩变形速率有一个阶跃提升的过程，但随后又趋于收
敛，说明在此类围岩条件下，开挖对围岩的扰动很大，应严格
执行回填注浆，及时施作仰拱以形成封闭环，减小隧道周边
变形量。

（2）强震后千枚岩隧道应根据监控量测结果预留一定变
形量，合理的变形量有利于发挥初期支护和围岩的自稳定
性，对于防止初支破坏和护拱开裂以及控制工程成本都有重
要意义。

（3）在岩土工程的问题中具有很多不确定性，影响工程
的因素极多。

在采取新奥法开挖隧道时，监控量测实时信息
反馈就显得尤为重要。

将实时监测运用到设计施工的动态
管理当中是隧道建设必不可少的，通过数据的反馈以确定支
护的类型和参数、初支的变形预留量，能够有效预防变形过
大或者坍塌事故的发生，从而提高了隧道掘进的效率，保证
了工期，同时为以后类似工程累积了经验。

（4）强震后千枚岩隧道应严格遵循“管超前、严注浆、短
开挖、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则。

在监控量测指
导下实施隧道的开挖与支护工作，开挖中应尽可能采取弱爆
破，以减少对围岩的扰动。

（下转第186页）
除主梁正弯矩区段的桥面铺装，修补主梁底面，粘贴正弯矩区段碳纤维；（3）凿除挂梁桥面铺装粘贴挂梁底部碳纤维；（4）凿除其余桥面铺装及主梁顶部混凝土保护层；（5）布置负弯矩补强钢筋，粘贴钢板；（6）安装伸缩缝，预埋泄水孔，现浇桥面铺装和桥头搭板；（7）维修栏杆扶手。

4.2混凝土的凿除和浇筑
原桥面铺装裂缝先注胶灌缝，胶液完全固化后方可凿除施工。

旧混凝土的碳化层应彻底清除，且保证凿除面的粗糙程度，使新旧混凝土形成共同受力的整体。

凿除施工应遵循小锤轻击的原则，避免损伤主梁体；凿除区原结构的构造钢筋不能剪断，确需剪断的，浇筑混凝土前应予以原样修复。

混凝土应在梁外集中拌合、泵送，以尽量减小施工荷载对大桥的不利影响。

各加固构件的混凝土应一次浇筑成形；就地钻孔取样时，应采用微膨胀C50混凝土填孔。

4.3钻孔植筋
采用小振动工艺钻孔，以防振伤梁体。

纵向分散钻孔、植筋，严格控制钻孔与植筋的时间差，严禁超前钻孔。

孔位精确放样，除避让梁体原有配筋外，其偏移量不得大于5cm。

植筋前，采用压缩空气和丙酮擦拭的方法彻底清洁已成型孔，孔内注满胶液后旋转插入钢筋，以确保孔内胶体密实、无空隙。

4.4钢筋施工
准确放样并可靠固定补强钢筋，主筋放样容许位移偏差5mm，且应严格控制施工中的二次位移。

原有主筋和补强钢筋、补强钢筋之间的连接均采用 12钢筋帮焊，钢筋搭接长度必须满足要求；现场焊接应避免灼伤梁体原有主筋和混凝土。

钢筋保护层厚度须采取可靠措施予以保证。

4.5裂缝注胶
注胶前，彻底清除缝隙两侧25mm范围内混凝土表面的翻沫、灰尘等附着物。

牢固粘贴注入座，并确保座下无气孔。

裂缝封闭层的刮抹应一次完成，待封口胶自然固化后，再利用注浆枪填充裂缝内部。

最后的注胶过程要严格控制密闭性，注入压力保持在0.4MPa左右，确保胶液完全充满裂缝空隙。

4.6钢板粘贴
钢板粘贴面须进行打磨除锈和粗糙处理，打磨的纹路应与钢板受力方向垂直，打磨完成后用丙酮脱脂棉擦拭干净。

混凝土粘贴面须打磨出新鲜面，用环氧砂浆找平，清洗，擦拭干净。

粘贴钢板完成后，在胶液固化前采用超声波法探测粘贴密实度，不符合要求的，要剥离重粘。

粘贴合格的钢板，张紧螺帽，涂抹环氧树脂防锈层。

钢板粘结剂的施工配合比，应按照说明书的要求根据作业现场的温度、湿度确定。

4.7碳纤维粘贴
粘贴前，处理混凝土的蜂窝、麻面等病害，将表面打磨平整，清除浮灰并擦拭干净，涂抹打底胶和找平胶。

碳纤维从跨中向两侧粘贴，采用特制的滚筒沿纤维纵向多次滚压，挤除气泡，使浸润胶充分浸透片材。

碳纤维与混凝土之间的总有效粘贴面积不得低于95%。

施工中出现的空鼓面积小于10cm2时，采用针管注胶的方法补救；空鼓面积大于10cm2时，应将空鼓处的碳纤维布切除后粘贴补丁。

碳纤维粘贴纵向搭接长度不应小于10cm，横向搭接宽度不应小于2cm，同一截面上不允许出现二道以上搭接缝。

5结束语
经过对羊坝大桥加固后的跟踪观测，以增设补强钢筋、粘贴钢板和碳纤维为主要措施的加固方案，取得了良好的工程效果，完全达到了加固设计目标。

鉴于碳纤维片材所具有的无以比拟的自身优点，随着其研究的更进一步深入，以提高结构承载力为目的的粘贴片材技术的应用也必将得到进一步的拓展。

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