萬(wàn)家寨引黃工程中的bm施工監(jiān)測(cè)

萬(wàn)家寨引黃工程中的bm施工監(jiān)測(cè)

1觀測(cè)儀器及觀測(cè)系統(tǒng)山西省萬(wàn)家寨引黃工程連接段7#隧道全長(zhǎng)13.52公里。施工期間，監(jiān)控儀器的安裝和持續(xù)觀測(cè)。這是萬(wàn)家寨引黃工程中唯一的一個(gè)持續(xù)觀察孔。由于地下工程圍巖和結(jié)構(gòu)的變形大部分發(fā)生在施工和運(yùn)行初期,因此,其意義自不待言。設(shè)計(jì)的永久性監(jiān)測(cè)儀器安裝于6個(gè)斷面,其中A、B、C、D、E斷面布置在隧洞出口前地質(zhì)和地形條件變化較大的628m洞長(zhǎng)范圍內(nèi),運(yùn)行期電纜將引到出口處觀測(cè)室內(nèi)觀測(cè);F斷面布置在距隧洞進(jìn)、出口約6.5～7.0km的中段泥灰?guī)r地層中,運(yùn)行期電纜通過(guò)220m深的電纜通道孔引到洞頂?shù)孛娴挠^測(cè)室內(nèi)觀測(cè);施工期間均在洞內(nèi)觀測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器計(jì)有土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)、滲壓計(jì)、水位計(jì)等9種112件,儀器為振弦式,均為美國(guó)基康(Geokon)公司產(chǎn)品。儀器分布情況見(jiàn)表1。設(shè)置這些觀測(cè)儀器的目的在于:了解圍巖壓力和變形、隧洞結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布;測(cè)定局部外水壓力,驗(yàn)證水力學(xué)特性;監(jiān)測(cè)工程的安全運(yùn)行。全部?jī)x器均由成都極星公司(意大利CMC公司的分包商)承擔(dān)安裝,并負(fù)責(zé)施工期間的觀測(cè)。在鉆爆法開(kāi)挖洞段,還配合新奧法施工進(jìn)行了圍巖收斂等項(xiàng)目的觀測(cè)。另外,由于在TBM施工中意外地遇到泥灰?guī)r全部泥化而形成的高含水粘性土地層,以及快速收斂(收斂速度達(dá)30～40mm/h)的泥灰?guī)r地層,為此專(zhuān)門(mén)布置了沉降和收斂變形監(jiān)測(cè)儀器。本文主要對(duì)永久性監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。2混凝土管片安裝鉆爆法施工洞段的觀測(cè)儀器較常見(jiàn),這里只介紹預(yù)制管片襯砌段儀器的安裝。(1)土壓力計(jì).土壓力計(jì)安裝在預(yù)制管片外側(cè)面預(yù)留的凹槽內(nèi),凹槽中央預(yù)留一個(gè)圓孔,用于穿過(guò)儀器桿和引出電纜。儀器在管片制作完成后安裝,先用水泥砂漿穩(wěn)住圓形盤(pán)體,然后在感應(yīng)膜一側(cè)用膨脹水泥砂漿涂敷到同管片外表面齊平。每個(gè)斷面上、下、左、右各一個(gè),共4個(gè)。(2)鋼筋計(jì).鋼筋計(jì)焊接在管片中央截?cái)嗟闹麂摻钌?內(nèi)、外層各一支,每個(gè)斷面8支。由于進(jìn)口儀器為英制,故?14鋼筋使用了1/2″(12.7mm)鋼筋計(jì),?20鋼筋使用了3/4″(19.05mm)鋼筋計(jì),資料分析時(shí)以實(shí)際截面積換算。鋼筋計(jì)安裝完成后,隨預(yù)制混凝土管片同程生產(chǎn)、蒸汽養(yǎng)護(hù)。(3)測(cè)縫計(jì).襯砌體為預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu),測(cè)縫計(jì)跨接在兩相鄰管片上,用來(lái)觀測(cè)接縫變形情況。在每個(gè)斷面同橫、豎軸呈45°方向的縱向縫上設(shè)置,每個(gè)斷面設(shè)4個(gè)。3數(shù)據(jù)分析3.1襯砌混凝土施工前后土壓力計(jì)特征本段從樁號(hào)57+116到56+934,長(zhǎng)182m(內(nèi)含59m明洞段),埋深較小,為巖、土過(guò)渡段,巖石較破碎,A、B斷面分別代表這兩種類(lèi)型。隧洞開(kāi)挖斷面為6.12m×6.12m馬蹄形,采用鋼格柵、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土和隨機(jī)錨桿一次支護(hù)。二次襯砌鋼筋混凝土厚40cm,成洞內(nèi)徑5.0m。該洞段埋設(shè)了土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)。在施工期間還進(jìn)行了三個(gè)斷面的收斂觀測(cè)。安裝在圍巖和一次支護(hù)之間的土壓力計(jì)觀測(cè)值顯示了兩種趨勢(shì):一是二次支護(hù)鋼筋混凝土澆筑后因體積膨脹發(fā)生了壓力峰值,此后逐漸變小,直至出現(xiàn)負(fù)值;二是土壓力的大小明顯隨季節(jié)變化。以A-A斷面為例,其觀測(cè)值見(jiàn)表2。埋設(shè)于二次襯砌混凝土中的8支鋼筋計(jì)(上、下、左、右各2支)顯示,各斷面均為小偏心受壓。只有在冬季時(shí),頂拱和底拱內(nèi)側(cè)鋼筋受拉,折算彎矩小于6kN·m。應(yīng)變計(jì)測(cè)值反映了同樣的變化趨勢(shì)。上述觀測(cè)結(jié)果表明,由于初期支護(hù)施作及時(shí),避免了圍巖的有害松動(dòng),因此二次襯砌基本沒(méi)有承受?chē)鷰r荷載。同時(shí)也說(shuō)明,土壓力計(jì)反映的僅僅是圍巖和襯砌之間的相互作用,并不是圍巖的主動(dòng)壓力。土壓力為負(fù)值系因?yàn)榛炷潦湛s致使儀器工作面同感應(yīng)膜分離所致。3.2施工之前的支護(hù)過(guò)程本段從樁號(hào)56+934到56+930,長(zhǎng)4m,埋深加大,左側(cè)和上部巖石較破碎。C斷面設(shè)于該段內(nèi),安裝了土壓力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)和多點(diǎn)位移計(jì)。土壓力計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)的觀測(cè)值如實(shí)反映了松動(dòng)圍巖產(chǎn)生的壓力在初期支護(hù)上積聚,以及通過(guò)支護(hù)體變形使這種壓力獲得釋放的多次調(diào)整過(guò)程,說(shuō)明了適時(shí)施作初期支護(hù)對(duì)調(diào)整圍巖壓力、保持圍巖穩(wěn)定的重要作用。其變化規(guī)律為:當(dāng)圍巖壓力升高時(shí),圍巖被壓緊,錨桿應(yīng)力計(jì)拉力下降;當(dāng)圍巖壓力釋放時(shí),圍巖變形趨向于松弛,錨桿應(yīng)力計(jì)拉力上升。在TBM掘進(jìn)之前,緊靠掌子面的上方和左右兩側(cè)各埋設(shè)了1套含有2m、5m、10m三個(gè)測(cè)點(diǎn)的多點(diǎn)位移計(jì)。多點(diǎn)位移計(jì)完整地記錄了TBM開(kāi)始掘進(jìn)及掘進(jìn)過(guò)程中圍巖的變形過(guò)程:隨著掌子面前端支撐作用的逐步解除,圍巖明顯地向洞內(nèi)空間收斂;掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到一倍洞徑時(shí)完成了最終收斂量的77%,達(dá)到二倍洞徑時(shí)完成了93%,符合一般規(guī)律;但是其變形量非常微小,圍巖表面變形最大值分別為1.859、1.037、0.711mm,平均為1.20mm,僅為隧洞開(kāi)挖直徑的0.025%。這說(shuō)明,同鉆爆法相比,TBM掘進(jìn)對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響極小。3.3圍巖壓力在管片受力和變形本段從樁號(hào)56+930到43+596長(zhǎng)13336m,最大埋深465m。隧洞開(kāi)挖斷面直徑4.82m,預(yù)制管片襯砌內(nèi)徑4.14m,管片厚0.25m。管片同圍巖之間有35～145mm的豆礫石回填灌漿層。預(yù)制管片為四分環(huán)六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu),安裝后自底到頂分層回填灌漿。本段的D、E、F觀測(cè)斷面主要安裝了土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)和測(cè)縫計(jì)。土壓力變化規(guī)律為:灌漿時(shí)增大,灌漿結(jié)束幾天后降低甚至為負(fù)值(底拱除外),補(bǔ)灌漿時(shí)壓力再次加大。由于土壓力計(jì)安裝在管片的外側(cè),不可能直接感受到圍巖壓力。但這也恰好說(shuō)明,圍巖壓力在初期沒(méi)有直接作用到襯砌體上。鋼筋計(jì)觀測(cè)結(jié)果表明,D、E、F三個(gè)斷面的頂拱和側(cè)拱均為軸心受壓或小偏心受壓,而底拱斷面則存在顯著的負(fù)彎矩。在灰?guī)r段的D、E斷面其值約為7～17kN·m,泥灰?guī)r段的F斷面約為26～50kN·m,均小于設(shè)計(jì)值。底部管片產(chǎn)生彎矩的主要原因是軌道運(yùn)輸荷載和底拱重復(fù)灌漿的聯(lián)合作用(D、E斷面底拱處土壓力均為正值,F斷面未設(shè)土壓力計(jì))。隧洞襯砌結(jié)構(gòu)和彎矩分布見(jiàn)圖1。這三個(gè)斷面多點(diǎn)位移計(jì)的測(cè)值非常小,為-0.171～0.159mm。這是由于儀器安置需要經(jīng)過(guò)鉆孔、安裝、灌漿等多道工序,而TBM掘進(jìn)速度很快,因此滯后較多,開(kāi)始觀測(cè)時(shí)已經(jīng)向前掘進(jìn)了1km多。所以,它們反映的僅是圍巖的后期變形和其他因素的影響。測(cè)縫計(jì)反映的是預(yù)制管片接縫的開(kāi)合度,全年在0.01～0.108mm之間,數(shù)值很小,可忽略不計(jì)。3.4沉降和收斂觀測(cè)2001年6月,隧洞施工在樁號(hào)48+895～48+778之間時(shí),圍巖變成了軟塑狀,并伴有泥水,掘進(jìn)中泥化物自行從刀盤(pán)和管片的孔洞中擠入隧洞內(nèi)。管片襯砌環(huán)被泥化物直接包覆,豆礫石和水泥灌漿都無(wú)法進(jìn)行。經(jīng)研究決定,謹(jǐn)慎操縱機(jī)器并用人工方法配合出碴,勉強(qiáng)通過(guò)了該地層。設(shè)計(jì)人員得知這一情況后,立即分析圍巖泥化成因,并對(duì)該段安排了沉降和收斂觀測(cè):在隧洞腰線處設(shè)置內(nèi)徑收斂觀測(cè)設(shè)備,在隧洞底部設(shè)置兩個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn),并進(jìn)行了連續(xù)5個(gè)月的觀測(cè)。從沉降和收斂觀測(cè)資料看,在隧洞腰線處設(shè)置的內(nèi)徑收斂最大值達(dá)20.2mm,雖然主要發(fā)生在2001年的7、8月間,但直到最后一次觀測(cè)仍有變化;而設(shè)置在隧洞底部的兩個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn),其沉降變化最大值分別達(dá)15.7mm和19.4mm,且其中一點(diǎn)為最后一次觀測(cè)值。據(jù)此有理由認(rèn)為,該洞段圍巖尚處在變化之中。同時(shí),從鉆孔勘探和取樣試驗(yàn)資料看,泥化圍巖存在含水量大、物理性質(zhì)差異大和干密度低等問(wèn)題。在隧洞投入運(yùn)行時(shí)水荷載增加(根據(jù)正常水深計(jì)算,每延米水重約為10t)的情況下,極有可能造成結(jié)構(gòu)變形?；谏鲜龇治?設(shè)計(jì)人員對(duì)隧洞泥化段進(jìn)行了固結(jié)灌漿加固處理,處理較為徹底,效果良好。4關(guān)于項(xiàng)目的一些理解4.1tbm施工的圍巖本工程C-C斷面三支多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)隧洞表面變形平均值為1.2mm,這說(shuō)明TBM施工的隧洞,圍巖以彈性變形為主,除松散破碎的圍巖外,一般不發(fā)生松動(dòng)變形。TBM機(jī)頭長(zhǎng)度約為開(kāi)挖直徑的2倍,預(yù)制管片襯砌時(shí),圍巖變形的大部分已經(jīng)完成。但當(dāng)圍巖具有流變特性時(shí),則例外。4.2雙管片灌漿與地面、頂拱灌漿相結(jié)合由TBM開(kāi)挖和襯砌過(guò)程可知,襯砌環(huán)在TBM后護(hù)盾尾部組裝時(shí)僅承受自重荷載;離開(kāi)護(hù)盾后將首先承受吹填豆礫石的重力荷載;隨后承受緊接著進(jìn)行的底拱灌漿荷載。而側(cè)面、頂拱灌漿則在距機(jī)頭約200～300m處分層推進(jìn)。按平均日進(jìn)尺30～50m計(jì),灌漿荷載經(jīng)4～10天才會(huì)全部施加于側(cè)面、頂拱。豆礫石是用空氣壓縮機(jī)吹填的,據(jù)測(cè)定其空隙率約為0.407～0.458,在水泥漿液充填前屬可壓縮的散粒體。因此直到完成全斷面灌漿并凝固后,管片襯砌體才會(huì)同灌漿層一起承受?chē)鷰r荷載。上述延時(shí)過(guò)程對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)是十分有利的,根據(jù)本工程D、E、F三個(gè)斷面的土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)和多點(diǎn)位移計(jì)的觀測(cè)結(jié)果分析的彎矩圖(圖1)有助于說(shuō)明這一點(diǎn)。4.3四環(huán)層結(jié)構(gòu)的安裝速度快，相應(yīng)的失效誤差調(diào)整合理預(yù)制管片設(shè)計(jì)應(yīng)考慮圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng),以及延時(shí)加載等有利因素,但底拱管片則應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。4.4tbm安裝應(yīng)變計(jì)的觀測(cè)效果TBM施工給觀測(cè)儀器安裝及監(jiān)測(cè)提出了一些新的問(wèn)題:(1)多點(diǎn)位移計(jì)在隧洞的起始斷面安裝,或在淺埋段從地