岩溶区特长隧道施工监控量测及分析.pdf

第 27卷增刊重 庆 交 通 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Vo. l 27Supp.l 2008年 11月JOURNAL OF CHONGQING JI AOTONG UN I VERSI TYNATURAL SCI ENCENov . 2008 岩溶区特长隧道施工监控量测及分析 收稿日期 2008 -07-07 作者简介 刘小连 1977-, 男, 湖南衡阳市人, 硕士研究生, 主要从事道路及隧道设计与线形规划工作。 刘小连 1, 朱清航2, 王 震1, 尚文涛1 1. 重庆交通大学 土木建筑学院, 重庆 400074; 2 . 辽宁省公路勘测设计公司, 辽宁 沈阳 110166 摘要 结合黔江 - 彭水段渝湘高速公路正阳隧道施工现场监测, 对岩溶区特长隧道开挖岩体变形规律进行了探讨, 揭示了隧道开挖后围岩变化趋势, 强调进行现场稳定性监测的必要性。通过对周边收敛量测、 拱顶下沉量测、 地表 沉降监测等量测项目所得的位移- 时间曲线进行分析, 总结出 正常型、 跳跃型、 突变型位移- 时间曲线的特 征。监测分析数据表明, 该隧道围岩处于稳定状态, 为该区段顺利贯通提供可靠的技术保证。 关 键 词 监控量测; 变形; 回归分析; 施工 中图分类号 U456. 3 文献标志码 A 文章编号 1674-0696 2008 0S-0913-04 SiteM onitoring and Analysis of Construction of Super Long Tunnels in KarstsAreas LIU Xiao-lian 1, ZHU Qing-hang2, WANG Zhen1, SHANGW en -tao 1 1. School ofCivilEngineering 2. L iaoning ProvincialH ighway Survey defor mation;regression analysis; construction 0 引 言 1工程地质及水文地质条件 正阳隧道在地质构造上位于灈河坝 大集场 紧束向斜的北西翼, 以及灈河坝向斜与次级构造黔 江向、 背斜的共同转折部位, 出口处位于肖箕滩断裂 带的影响带, 受褶皱构造和断层构造的影响, 岩层大 多单斜陡立, 层间错动局部发育。 该山体地貌属于构造剥蚀溶蚀, 经历了海拔 600m左右、 800m左右两个溶夷谷地的垅岗谷地型 岩溶组合地貌和脊状低中山地貌单元, 其中三迭系 地层一般组成高差在 80 100 m左右的溶蚀山丘及 洼地, 构成垅岗谷地型岩溶组合地貌的中心; 二迭系 地层多组成浑圆高大的山体, 构成垅岗谷地型岩溶 组合地貌的边缘; 志留系地层多组成鳍脊状山和坪 状山。 隧道山体碎屑沉积岩中主要为隔水的页岩地 层, 有的地表沟谷有溪水, 地下水主要是风化带网状 裂隙水。砂岩地层由于裂隙发育, 裂隙水相对丰富, 在砂岩出露区域, 地表有下降泉。碳酸盐岩分布区, 岩体中裂隙、 岩溶发育, 溶裂隙张开度较大, 岩溶裂 隙水、 溶洞暗河水较发育。岩溶裂隙、 溶洞暗河成为 地表水排泄, 地下水运移的主要通道, 根据在洞身含 燧石灰岩地层中所做的注水试验, 计算裂隙渗透系 数 K 2 . 2 18 . 6 m /d , 表明裂隙透水性隧裂隙的发 育情况变化较明显, 局部透水性很强。 2隧道衬砌支护结构 隧道净宽 10. 5m, 高度 5. 0m, 三心圆曲墙式衬 砌断面。隧道采用新奥法设计与施工, 符合衬砌支 护根据围岩类别、 地形及埋置深度等设置了不同参数 [ 1], 详见表 1 。 表 1 隧道复合式衬砌支护设计参数 衬砌类型围岩级别 初期支护 锚杆钢筋网喷射混凝土钢拱架 二次衬砌辅助施工 S5a浅埋、 偏压 D 25注浆锚 L 3m纵 50 100环 8钢筋网 20 20 cm 双层 C20喷射混凝土 厚 26 cm 18工字钢 间距 50 cm 拱部、 仰拱 45 cm 钢筋混凝土 长管棚 S4b 22药卷锚杆 L 3 . 0m纵 120 100环 8钢筋网 20 20 cm 单层 C20喷射混凝土 厚 22 cm 格栅拱架 间距 120 cm 拱部 40 cm 超前 锚杆 S3 22药卷锚杆 L 2 . 5m纵 120 120环 6钢筋网 20 20 cm 单层 C20喷射混凝土 厚 10 cm 拱部 35 cm S2 22药卷锚杆 L 2 . 5m局部 6钢筋网 20 20 cm 局部 C20喷射混凝土 厚 6 cm 拱部 30 cm ST 2 22药卷锚杆 L 3 . 0m局部 6钢筋网 20 20 cm 局部 C20喷射混凝土 厚 8 cm 拱部 35 cm 1 监控量测实施 1 . 1 围岩和支护情况观察 在隧道掌子面每次爆破和初喷后, 通过肉眼观 察、 地质罗盘和锤击检查。监测内容主要为 [ 2] 观 察并描述隧道围岩地质、 地下水和衬砌支护情况。 具体有 围岩岩性。开挖过程中对岩性进行详细 记录和描述; 地质构造。准确测量地层产状, 对结 构面从产状、 间距、 宽度、 延展性、 连通性、 起伏状况、 充填情况 包括充填物类型和厚度、 性状 及地下水 出漏情况等方面进行记录, 并绘制素描图; 岩体结 构特性。从岩体力学角度, 根据对结构面及其组合 特点划分岩体结构类型; 支护变形破坏。记录施 工过程中围岩出现的各种支护变形破坏现象, 分析 其发生规律及控制因素; 地下水。包括地下水出 漏状况 渗水、 滴水和流水 、 出漏位置及流量 对于 滴水和流水情况, 用简易方法测量水的流量 。 1 . 2 周边收敛量测 周边位移量测是最基本的主要量测项目之一, 断面布设的间距为 类及以上围岩不大于 40 m; 类围岩不大于 25 m; 类围岩应小于 20 m。围岩 变化处适当加密, 在各类围岩的起始地段增设 1 2 对。当发生较大涌水时, 、 类围岩量测断面的间 距缩小至 5 10mm。 各测点在避免爆破作业破坏测点的前提下, 尽 可能靠近工作面埋设, 一般为 0 . 5 2 m, 并在下一 次爆破循环前获得初始读数。初读数在开往后 12 h 内读取, 最迟不超过 24 h , 而且在下一循环开挖前, 完成初期变形值得读数。测点布置根据施工方法、 地质条件、 量测断面所在位置、 隧道埋置深度等条件 确定。在地质条件良好, 采用全断面开挖方式时, 可 设一条水平测线。当采用台阶开挖方式时, 可在拱 腰和边墙部位各设一条水平测线。采用收敛计进行 数据采集 [ 3]。 1 . 3 拱顶下沉量测 与周边位移量测点布置在同一断面, 拱顶下沉 量测主要用于确认围岩的稳定性, 及时掌握隧道整 体的稳定情况。在每个量测断面的拱顶中心及两侧 埋设收敛预埋钩, 埋设同周边收敛量测。然后在预 埋钩上缠绕胶布, 再在胶布上黏贴全站仪反射贴片。 采用高精度全站仪及收敛计采集数据 [ 4]。 1 . 4 地表沉降监测 基点埋设在隧道开挖纵横向各 3 4倍洞径外 的区域, 埋设 2个基点, 以便互相校核, 参照标准水 准点埋设, 所有基点应和附近水准点联测取得原始 高程。在选定测点位置挖长、 宽、 深均为 200 mm 的 坑, 然后放入地表测点预埋件 自制 , 测点一般采 用 20 30mm的平圆头钢筋制成, 测点四周用混 凝土填实, 待混凝土固结后即可量测。 量测时用高精度全站仪进行观测。要求 观 测应在仪器检验合格后方可进行, 且避免在测站和 标尺有振动时进行; 尽量选择在每一天同一时间 内进行观测。观测坚持四固定原则, 即 施测人员固 定, 测站位置固定, 测量延续时间固定, 施测顺序固 定, 且应每隔 30 d用精密水准测量的方法进行基点 与水准点的联测, 其误差不得超过 0 . 5 n mm n 为测站数 。 2 监测结果分析 2 . 1 回归分析方法 由于偶然误差的影响使量测数据具有离散性, 难以据此进行分析, 有失一般性, 故有必要对量测数 914重 庆 交 通 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 27卷 据进行回归分析, 找出隧道围岩变形随时间变化的 规律, 以便为修改设计与指导施工提供科学依据。 这里应用一元非线性函数回归分析的最小二乘迭代 法, 对隧道监测数据进行回归分析 [ 5]。 回归分析步骤 首先, 确定函数类, 即确定 sx 所具有的形式。通常的做法是将数据 xi, yi i 0 , 1 , , m 先描绘在坐标纸上, 然后根据这些数据 点的分布规律与常见的已知非线性函数图形进行比 较, 选择一个最合适形状的曲线来确定 sx 的形 式。然后, 通过变量变换, 将非线性回归变为线性回 归, 按最小二乘法确定未知系数, 即得 sx 的表达 式。 根据原始量测数据绘制图形的形状及数学经 验, 本文拟采用函数 u Ae - B t 1 式中, A , B 为待定参数; t为时间, d 。 对一组数据 x x1, x2, x3, , xi, , xn; y y1, y2, y3, , yi, , yn, 引 入辅 助 变量y ln P, x 1 S 则式 1可化为 y lnA - Bx A B x 2 式中, A ln A ; B lnB 。 则待定参数可有下式求得 B - B, A e A 3 寻求, A , B 使得 Q n i 1 yi- A - B xi 2 m in 4 可得 Q A - 2 n i 1 yi- A- B xi 0 5 Q B - 2 n i 1 yi- A - B xixi 0 6 联立式 5、 式 6求解得 A y - Bx 7 B n i 1x iyi- 1 n n i 1x i n i 1y i n i 1x i 2 - 1 n n i 1x i 2 8 式中, x 1 n n i 1 xi; y 1 n n i 1 yi。 2 . 2 正常型曲线 正常型 位移-时间曲线, 即位移量随时间的延 长呈持续增长趋势。对拱顶下沉和周边收敛而言, 正常型 位移-时间曲线在量测初期增长速度较快, 之后渐渐趋于平稳。从图 1、 图 2中可以看出 隧道 净空收敛的变化曲线总体经历了快速增长缓慢增 长 波动 趋于稳定的过程。快速增长期一般在 10 15 d间 位移量占总位移量的 80 以上 , 在随 后的几天内围岩处于缓慢变化有时会伴有小的变形 波动, 1个月后基本趋于稳定 [ 6]。 图 1 拱顶下沉曲线 正常型 图 2 拱顶下沉速率曲线 从拟合曲线可以看出该断面拱顶下沉值虽然较 大, 但没有异常波动或明显拐点, 施做二次衬砌时的 初期支护拱顶变形速率已经满足规范要求, 其变化 已经稳定。 2 . 3 跳跃型曲线 跳跃型位移- 时间曲线, 即量测结果随时间的 延长呈上下起伏变化, 不易找到明显的变化规律或 趋势。图 3为隧道一断面初期支护各测线测值与时 间的关系曲线。 图 3 拱顶下沉曲线 跳跃型 915增刊 刘小连, 等 岩溶区特长隧道施工监控量测及分析 2 . 4 突变型曲线 突变型 位移-时间曲线, 即测值在某一时段急 剧增大或减小, 一般都是因为施工的急剧扰动, 或衬 砌结构局部的破坏失稳造成的。图 4为该类型曲线 变化示例。 图 4 拱顶下沉曲线 突变型 3 结 语 1结合正阳隧道工程现场监控量测的实际, 提 出地质和支护情况观察、 周边收敛量测、 拱顶下沉量 测和地表沉降监测是指导现场施工的实用量测手 段, 并针对监测数据回归分析后得到位移- 时间曲 线, 进行分析讨论。 2根据隧道现场监测所得到的位移-时间曲线 的不同特点, 经各量测项目的位移-时间曲线划分为 不同类型, 讨论了不同类型情况下的分析方法。 3结合地质情况分析曲线, 在含水量较大地 区, 隧道的拱腰、 拱脚及墙脚是危险部位, 尤其注意 拱顶的沉降量, 要控制在合理范围内。在分步开挖 施工中上、 下断面以及仰拱的开挖间隔时间不宜过 长, 应尽量缩短, 并及时施做仰拱, 形成一个封闭的 支护体系, 达到整体受力的目的。 参考文献 [ 1]JTG D 702004 , 公路隧道设计规范 [ S]. 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