隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)1

一、烏鞘嶺隧道嶺脊段概況和設(shè)計思想二、監(jiān)控量測的目的和內(nèi)容三、監(jiān)控量測方法與結(jié)果四、量測數(shù)據(jù)的處理與應用

主要內(nèi)容一、烏鞘嶺隧道概況和設(shè)計思想

烏鞘嶺隧道是蘭新鐵路蘭州至武威段增建二線工程，兩座單線隧道，埋深400～1100m，線間距40m，隧道長20.05km。嶺脊區(qū)段隧道穿越F4、F5、F6、F7四條7587m范圍分布的區(qū)域性大斷層組成的寬大“擠壓構(gòu)造帶”，巖性主要為志留系板巖夾千枚巖、千枚巖和壓性斷層破碎的泥礫及碎裂巖。圍巖強度應力比僅為0.031～0.040。高地應力軟巖區(qū)段施工擠壓大變形顯著，變形控制困難，計劃工期2.5年，時間緊,顯示出顯著的烏鞘嶺特色。

烏鞘嶺高地應力軟巖區(qū)段隧道設(shè)計思想控制擠壓性圍巖大變形的設(shè)計理念有剛性和柔性法。剛性設(shè)計法僅在小埋深、低地應力的軟巖技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理。而柔性設(shè)計的先行導坑法、多重支護法、可縮式支護法和分階段綜合控制法其基本理念是相同的，都是容許圍巖變形，釋放地應力，減低支護壓力，同時又能約束圍巖松弛和過分變形，保持隧道穩(wěn)定的目的。但在技術(shù)手段上又有各自差異，從經(jīng)濟、工期上具有較大差距，例如先行導坑應力釋放法雖然擴挖隧道施工經(jīng)濟，但導坑本身施工仍然困難，增加支護工程量大；可縮式支護結(jié)構(gòu)工藝復雜，技術(shù)要求高，施工工期較長。針對烏鞘嶺隧道高地應力軟巖區(qū)段實際情況，采用柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計理念分階段綜合控制法。即首先選擇合理的斷面形狀，留足預留變形量，短錨管超前支護，中等長等系統(tǒng)錨桿和少量補強錨桿圍巖加固，多重支護，適當提高襯砌剛度和提前施作襯砌。F7斷層區(qū)段：正洞隧道為圓形斷面形式，加強第一次支護剛度的多重支護，較大剛度的鋼筋混凝土襯砌。嶺脊高地應力軟巖區(qū)段：采用橢圓形斷面，一次支護25cm，預留變形量25~35cm等作為多重支護，大剛度鋼筋混凝土襯砌。(一)量測目的二、監(jiān)控量測的目的和內(nèi)容1.提供監(jiān)控設(shè)計的依據(jù)和信息掌握圍巖力學形態(tài)的變化和規(guī)律；掌握支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。2.指導施工，預報險情作出工程預報，確定施工對策；監(jiān)視險情，確保施工安全。3.校核理論，完善工程方法4.為隧道工程設(shè)計與施工積累資料(二)監(jiān)測項目與內(nèi)容1.地質(zhì)和支護狀態(tài)現(xiàn)場觀察；2.巖體(巖石)力學參數(shù)測試；3.圍巖與結(jié)構(gòu)應力應變測試；4.圍巖壓力測試；5.圍巖性能物理探測；6.圍巖和結(jié)構(gòu)位移測試；7.爆破振動測試等。規(guī)范規(guī)定的監(jiān)控量測項目及量測方法三、量測方法與結(jié)果(一)地質(zhì)素描

結(jié)合隧道施工、同步進行洞內(nèi)圍巖地質(zhì)工作：它是隧道設(shè)計和施工過程中不可缺少的一項重要地質(zhì)工作，是圍巖工程地質(zhì)特性和支護措施的合理性的最直觀、最簡單、最經(jīng)濟的描述和評價。

1.巖性；2.結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征；3.巖體風化程度；4.地下水的特征、涌水量化數(shù)值；5.施工情況；6.不良地質(zhì)特征；7.支護情況等。地質(zhì)素描的內(nèi)容(二)位移監(jiān)測

隧道開挖后，深埋隧道位移、淺埋地表位移和隧道位移是圍巖施工動態(tài)的最顯著表現(xiàn)，最能反映出圍巖和支護的穩(wěn)定性。因此對坑道周邊位移的量測是最直接、最直觀、最有意義、最經(jīng)濟和最常用的量測項目。1.淺埋隧道的地表位移；2.拱頂下沉；3.相對收斂變形；4.隧底隆起變形；5.圍巖內(nèi)部變形；6.圍巖三維變形等。位移監(jiān)測內(nèi)容：位移－時間關(guān)系曲線0初期支護二次支護下臺階開挖位移時間位移-開挖面距離關(guān)系曲線位移距離上、下臺階開挖錨桿噴混凝土位移監(jiān)測結(jié)果：烏鞘嶺隧道大變形規(guī)律F4斷層區(qū)段右線隧道變形沿隧道縱向分布YDK170+250+500+750YDK171+000F4斷層+290+440+640+740主帶影響帶影響帶里程YDK174+500YDK175+000+500+900變形/mm斜井開口YDK175+330板巖占50%~80%千枚巖占60%~85%蘭州方向武威方向里程志留系板巖夾千枚巖區(qū)段右線隧道變形沿隧道縱向分布烏鞘嶺隧道大變形規(guī)律

F7斷層YDK176+800+200+400+600+800YDK177+000變形/mm影響帶主帶影響帶里程F7斷層區(qū)段右線隧道變形沿隧道縱向分布烏鞘嶺隧道大變形規(guī)律烏稍嶺隧道分區(qū)段最大變形速率與累計變形量統(tǒng)計

烏鞘嶺隧道齡脊段分區(qū)段變形量測技術(shù)指標統(tǒng)計表大變形規(guī)律最大變形速率與累計變形的關(guān)系

在隧道工程監(jiān)控量測中，除累計變形外，變形速率是另外一個進行圍巖穩(wěn)定性評價的重要判別指標。研究最大變形速率與累計變形的關(guān)系也是在施工初期階段進行最終變形預測的方法之一。最大變形速率與累計變形的關(guān)系最大變形速率/mm預留變形量(mm)包括：1.錨桿軸力監(jiān)測；2.鋼架應力監(jiān)測；3.支護應力監(jiān)測；4.二襯混凝土應力監(jiān)測(三)應力監(jiān)測

系統(tǒng)錨桿的主要作用是限制圍巖的松弛變形。錨桿長短影響施工效率、也影響圍巖加固效果。故應通過錨桿監(jiān)測驗證錨桿設(shè)計長度。1.錨桿軸力

錨桿軸力量測的布置圍巖內(nèi)部位移測孔布置(a)三測孔(b)五測孔(c)七測孔錨桿軸力測試結(jié)果錨桿拉力峰值位置分布錨桿拉力峰值位置分布錨桿軸力量測結(jié)果2.鋼架、支護、襯砌混凝土應力拱腳收斂基線邊墻收斂基線B1B2Y1Y2G水平收斂錨桿軸力圍巖壓力初支砼應力及鋼架應力拱頂下沉二襯接觸壓力及二襯砼應力(a)變形、壓力、應力測點(b)三維位移測點橢圓形斷面測點布置圖圍巖壓力、接觸壓力及支護襯砌應力量測結(jié)果(MPa)3.圍巖壓力（接觸壓力）監(jiān)測應力大小，既反映了支護的工作狀態(tài)，又反映了圍巖施加于支護的形變壓力情況，因此，圍巖壓力的量測就成為必要。二次襯砌所承受的圍巖壓力，及襯砌與支護層之間的接觸壓力量支護(噴射混凝土或模筑混凝土襯砌)與圍巖之間的接觸測，可明確襯砌的受力情況，驗證設(shè)計理論。右線DK175＋475斷面圍巖壓力分布及時間曲線(a)橫斷面分布(MPa)(b)壓力時間曲線0.7220.0690.1670.1350.0950.0420.037

通過對實測支護壓力終值的統(tǒng)計分析，可得荷載側(cè)壓力系數(shù)。具體統(tǒng)計公式為：對F4斷層的2個量測斷面及志留系千枚巖地層的7個量測斷面進行統(tǒng)計分析，得側(cè)壓力系數(shù)結(jié)果如表所示。嶺脊千枚巖地層實測側(cè)壓力系數(shù)結(jié)果匯總

初期支護與二次襯砌的圍巖壓力比例始終是隧道界討論的熱點問題之一，作為“荷載—結(jié)構(gòu)”模式計算中的重要計算參數(shù)，它關(guān)系到二襯受力狀態(tài)及穩(wěn)定程度。根據(jù)實測初支圍巖壓力和二襯接觸壓力進行統(tǒng)計分析，可得出實測二襯分擔壓力比例，具體計算公式為：二襯分擔壓力比例分布11.2%65.0%61.5%72.4%13.8%17.6%40.0%初支二襯四、量測數(shù)據(jù)分析與反饋地表沉降量測區(qū)間量測區(qū)間上半下半(2~5)DH+h3上半下半D450Hh1h2(一)凈空位移分析與反饋單線隧道初期支護極限相對位移(%)1.根據(jù)位移量測值或預計最終位移值判斷雙線隧道初期支護極限相對位移(%)

國外有關(guān)位移管理標準規(guī)范變形管理等級注：U——實測位移值；U0——最大允許位移值。

極限位移性質(zhì)拱頂下沉拱腳水平收斂墻腰水平收斂毛洞隧道50111781304初支后隧道227710770二襯后隧道228742812極限位移性質(zhì)拱頂下沉墻腰水平收斂毛洞隧道400660初支后隧道136272二襯后隧道140280烏鞘嶺嶺脊千板巖地層區(qū)段隧道極限位移單位(mm)烏鞘嶺F7斷層區(qū)段隧道極限位移單位：(mm)管理等級管理位移施工狀態(tài)ⅢU＜150可正常施工Ⅱ150≤U≤300應加強支護或二次襯砌ⅠU≥300停工，并及時采取加固措施注：U—隧道開挖后隧道總變形量烏鞘嶺隧道嶺脊段位移控制基準(單位:mm)

從變形曲線可分為三個階段：(1)變形急劇增長階段——變形速率大于1mm/d時；(2)變形速率緩慢增長階段——變形速率1~0.2mm/d時；(3)基本穩(wěn)定階段——變形速率小于0.2mm/d時。2.根據(jù)位移速率判斷巖體破壞前變形曲線可分為三個階段：(1)基本穩(wěn)定區(qū)(2)過渡區(qū)(3)破壞區(qū)變形速率逐漸增大，即＞0。表明圍巖已進入危險狀態(tài)，須停工，進行加固。3.根據(jù)位移－時間曲線(位移時態(tài)曲線)形態(tài)判斷烏鞘嶺隧道分區(qū)段極限位移取值