桃园二号隧道新奥法施工监测技术.pdf

2 0 1 1 年第 8期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng 3 9 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 3 9 0 4 桃 园二号隧道新奥法施工监测技术 程浩 ， 周建春 ( 华南理工大学 ， 广 州5 1 0 6 4 0 ) 摘要： 通过桃 园二号隧道新奥法施 工的现场监控量测， 掌握 围岩的动 态变形特征与稳定性状况， 对设计 和施 工的合理性进行评估和信息反馈 ， 及时发现险情和采取相关处治工程措施 ， 指 导高效施 工， 为保证 隧道 施 工安 全发挥 了重要 的作 用。 关 键词 ： 隧道 新奥 法 监控 量 测 施 工 中图分 类号 ： U 4 5 5 4 8 1 文 献标 识码 ： B 新奥法( N A T M) 作为一种 隧道施工方法 ， 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。监控量测是新奥法施工的核心， 也是隧道动 态反馈设计与信息化施工的精髓所在。在施工过程 中 通过现场监控量测 ， 及时掌握 围岩在开挖过程 中的动 态和支护结构的稳定状态， 提供有关隧道施工的全面 、 系统信息资料 ， 以便及时调整支护参数 ， 通过对量测数 据的分析和判断 ， 对 围岩支护体系的稳定状态进 行监控和预测 ， 并据此制订相应的施工措施 ， 以确保洞 室周边岩体的稳定以及支护结构的安全。 1 工程实例概况 桃园二号隧道是广州市增 ( 城 ) 一从 ( 化 ) 高速公 路上的一座上、 下行分离的四车道短隧道 ， 位于从化市 温泉镇桃园中田村。左线隧道长 1 7 7 m( Z K 5 5+ 4 5 5 一 Z K 5 5+6 3 2 ) ， 右线 隧 道 长 1 8 7 I n ( Y K 5 5+4 4 5 一 Y K 5 5 + 6 3 2 ) 。隧道按新奥法原理和 公路 隧道设计规范 ( J T G D 7 0 -2 0 0 4 ) 的技术标 准进行设计 ， 建筑 限界净 宽为 1 0 7 5 m， 限高 5 0 0 m。隧道进 口端( 增城端 ) 无 施工道路 ， 施工采取左 、 右洞分别从 出口端向进 口端单 向开 挖 。 隧道沿线山体海 拔高度为 9 1 22 1 1 2 m， 相对 高差约 1 2 0 0 m， 最 大埋深 5 0 0 m。隧道进 口斜坡 坡度较缓 ， 出口斜坡坡度较陡 ， 下伏基岩主要为侏罗系 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 - 0 4 ； 修 回日期 ： 2 0 1 1 0 5 1 8 作者简介 ： 程浩( 1 9 8 5 一) ， 男 ， 湖北 黄冈人 ， 硕士研究生 。 ( J ) 凝灰岩。隧道围岩级别 V类 ， 围岩软硬不均 ， 开挖跨度大 ， 稳定性差 ， 洞身 围岩为强风化凝灰岩 ， 偶 夹中 一 微风化凝灰岩 ， 富含孔 隙水。隧道 区地下水可 分为第四系坡残积土及强风化带孔隙水 、 基岩强 微 风化凝灰岩基岩裂隙水 ， 水量大小受裂 隙发育程度及 季节变化影响 ， 补 给来源主要为大气 降水下渗补给。 隧道区地表水主要为流溪河水系上游支流， 地表水 主 要接受地下水及大气降水 的补给 ， 顺地表汇人冲沟及 河流 。 2监控量测 的内容和 实施 根据相关规范设计要求和桃园二号隧道的实际情 况， 本次监控量测 内容分为必测项 目和选测项 目( 见 表 1 ) 。必测项 目是为 了确保在施工过程 中的围岩稳 定 和施 工安 全而 进行 的经 常 性 量 测工 作 ， 对监 视 围岩 稳 定 、 指导设 计 和施 工具 有重要 意 义 ； 选测 项 目是 必测 项 目的拓展和补充 ， 既可对 已完成 的支护实施有效监 控做出评价 ， 又可对未开挖地段提供参考信息 ， 指导未 来设计和施工， 以便更深入地掌握围岩稳定状态与支 护效果。测点应布置在具有代表性 的地段 ， 隧道拱顶 下 沉 、 周 边 收敛 、 围岩 内部位 移测 点尽 量布 置在 同一 断 面 ， 锚杆轴力 、 钢支撑 内力、 二次衬砌应 力等测点应布 置 在 同一断 面上 ， 以便 监 测 结果 相 互 印 证 。监 测 断 面 测点 布 置见 图 1 所 示 。 3数据 的采集 与分析 隧道监控量测作为新奥法 的三大核心之一 ， 对评 价隧道施工方法 的可行性 、 设计参数 的合理性 、 积累建 设经验等具有重要意义。通过对实测数据的现场分析 处理 ， 及时向业主、 设计方 、 监理方及施工方提供分析 资料 ， 直接服务隧道施工 ， 为判断隧道围岩开挖后 的稳 4 0 铁道建筑 A u g u s t ， 2 0 1 1 围 岩 宕 瓣舅 澄 鹧： 锚 杆 轴 力 业 主 = 衬 砌 应 力 图 1 隧道监测断面布置示意 定 状况 和及 时把 握二 次支 护时 机提供 科学 依据 。 3 1 地 表沉 降观 测 桃园二号隧道出口为 V级围岩 ， 埋深较浅 ， 为坡残 积土 、 强风化凝灰岩 ， 遇水极易软化 、 崩解 ， 易引起 山体 滑塌。2 0 1 0年 2月 2 8日在隧道 出口地段 ( 中心桩号 Z K 5 5+ 6 0 5 ) 共 埋设 地表 沉 降测点 1 6个 ， 测点 间距 2 l 槲 黉 5 m。用 D S Z 2+F S 1 精密水准仪进行观测， 历时 6 6 d ， 从 获取 的量 测数 据来 看 ， 考 虑测 量误 差 ， 地 表无 明显 沉 降， 隧道的掘进是安全 的。以左线拱顶上方各测点为 例 ， 地表沉降时空变化 曲线见图 2 ， 其 中 4号点在隧道 中线 上 。从 图 2中 可 以看 出随 着 隧道 的开 挖 ， 地 表 测 点下沉 波 动较大 ， 上 断面开 挖对 地表 下沉 影响 显著 ， 下 断面 开挖 的影 响则 相 对 较 小 ； 在 经 过 3 5 d后 ， 地 表 沉 降基本稳定 ， 沉降值在 3 5 7 3 mm之间。 3 2开挖 段工作 面 的观察 每个开挖循环完成时立即进行地质观察 ， 绘 出地 质素描图。如遇特殊地质情况或危 险地段时 ， 应进行 不 间断观 察 。开挖段 工 作 面 的 观察 主要 有 ： 掌子 面 结 构面产状及稳定状态 、 围岩级别是否与设计相符 、 岩层 节理裂隙、 断层分布和形状、 涌水情况 、 是否有仰拱隆 起现 象 。对于 已施作 初 期 支 护 地 段 ， 还需 加 强对 围岩 动态情况的观察 、 锚杆的受力变形情况 、 喷射混凝土是 否发 生裂 隙和剥 离 现象 、 拱 架 有无被 压坏 变形 等 。 2 01 0 - 0 3 - 0 1 2 0 1 0 - 0 3 - 0 9 2 0 1 0 -0 3 -1 7 2 0 1 0 - 0 3 - 2 5 2 0 1 0 - 0 4 - 0 2 2 0 1 O O 4 1 0 2 0 1 0 - 0 4 -1 8 2 0 1 O O 4 - 2 6 2 0 1 0 - 0 5 -0 4 日期( 年一 月一日) 图 2 地表下沉 时空变化 曲线 删 趟 值 摒 2 0 1 1 年第 8期 桃 园二号隧道新奥法施工 监测 技术 4 1 ： j ： j j j j i ! ! j ! ! ! ! ! ! ! ! ! ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： L_-一 一右线上台阶距监测断面距离 扒 l卜二， j， 1 ： 卜 - ：、 、 1 i J ， ： ： ： I ： ： ： ， 一： ： ： 一 ： ： ： ， ， 厂 一 ： ， I I i l l I l i ； l I ， 一 - 一 一t +叫一卜卜一卜 _一卜 一 1：0 ： ， ； g 咖 趟 喧 摒 2 O 1 o - 1 o - O 4 O -o O 一1 o _1 o _l o _ 1 o - 1 o _ 2 4 o _ 1 2 9 1 日期f 年一 月一日) 图 + 监测断 面拱顶下沉 和周边 收敛 时空变化曲线 3 3 隧道 拱顶 下沉 及周 边收敛 量 测 通常情况下， 浅埋隧道的拱顶下沉和周边 收敛是 判断围岩是否稳定的重要标志 ， 为二次衬砌的施作提 供依据 。 年 1 0月 ， 当上台阶预 留核心土开 挖至 + 里程 时 ， 桃 园二号 隧 道右 洞 掌 子 面往 大里程方向附近 ( + +5 ) 出现多处 裂缝 ， 裂缝均出现在行车方向左侧 ， 呈环 向状 ， 整体 向 大里程方向错位 ， 最大裂缝宽达 。据此， 施工单 位随即对掌子面进行喷射混凝土封闭处理 ， 并对 + + 段采用工字钢套拱及米字拱架等 临时加 固处理。为保证初期支 护的变形不再继 续扩 大， 施工单位随后又喷射混凝土封闭裂缝 ， 采取小导管 单液水泥注浆加 固措施， 小导管呈梅花状布置 ， 环向问 距 约 。从 图 3所示 的拱 顶 下沉 及 周 边 收敛 监 测 结果来看 ： 量测中拱顶下沉及周边 收敛变化基本相似， 周边收敛值略低于拱顶下沉变形量值 ， 其 中拱顶下沉 变形在初期速率很大 ， 在小导管注浆 阶段又有一次显 著的变化 ， 变形进一步扩大。但随着小导管浆液的硬 化和其他支护系统发挥作用 ， 在经过大约 后 围岩 堇 辑 零 变形得到基本控制 ， 拱顶下沉及周边 收敛逐渐趋 于稳 定 ， 说 明采用的方法及辅助措施是适当的， 可继续进行 洞 口段的下台阶开挖作业和二次衬砌的施作 。 钢支 撑 内力和 二次衬 砌应 变 量测 桃园二号隧道钢支撑 内力监测间距初步定为 ： 类 围岩 ， 类 围岩 ， 特殊地质情况适 当加密 ， 监测频率根据施工具体情况 调整。代表性选 测断 面 + 在施工过程 中， 工字钢拱架各测点监测到 的内力总体呈现 出“ 上大下小 ” 的走势 ， 如 图 4所示。 其 中拱部处 内力稳定值为 之间， 左 、 右 两侧拱腰部位的内力稳定值分别为 3 和 5 5 ， 下台阶开挖后左 、 右两侧拱脚部位 的内力稳定值分别 为 和 5 ， 总体上都处于可控范围内， 说 明 初 期支 护基 本 能适应 围岩 的变 形 。 二次衬砌混凝 土应变计埋设在 + 断面 上 ， 5个测 点 呈 对 称 布 置 。从 测 得 的二 次 衬 砌 应 变 时 空变化曲线( 图) 可知 ， 自 年 1 O月 3 埋设后 ， 二衬应变一直处于缓慢变化过程 ， 变化值较小并很快 趋于稳定 ， 说 明该断面二次衬砌 中的钢筋 和混凝土受 ： i 一 ； ； ； _J一 o - a _， -a u 叫 J i r I， ： _ -O 一 左 拱胛钢夏挥 内力受 化 曲线 ， 一 拱顶钢支撑内力变化曲线 ， 一右 拱脚钢支撑 内力变 化 曲线 - 一 左 拱腰钢支撑 内力变 化 曲线 一左拱腰钢支撑内力变化曲线 一右 线上台阶距监测断 面距离 _ 、 - 一 丫 ： ： j 上 r ： r - - _ - 0 ， 一 ? o 一 o -_ 6 ： ： ： ： 一 ： ： ： ： 1 o - 0 7 一 1 o 8 2 0 l 1 0 4 2 0 1 1 1 1 O 一 1 l 一 1 8 2 O 1 0 1 l 2 5 图 + 监测断 面钢支撑 内力 时空变化曲线图 吕 咖 喧 摒 如 加 m 0 4 2 铁道建筑 量 叔 通 图 5 Z K 5 5+5 6 5监测 断面二次衬砌应变 时空变化 曲线 力较为正常 ， 所采用的二次衬砌支护参数是安全的。 3 5 锚杆轴力量测 通过锚杆拉拔力检测 ， 可以测定锚杆 的锚固力是 否达到设计要求 ， 判断 围岩变形发展趋势 ， 评价锚杆的 支护效果 。采用快速量测法 ， 使用设备为 Z Y 一 3 0型锚 杆拉力计 ， 平均每 2 0 m检测一个 断面， 检测值根据 级围岩段单根要求抗拔力不小于 8 0 k N、 V级围岩衬 砌段要求单根抗拔力不小于 5 0 k N作为标准 ， 采用非 破 坏性 试验 方法 。 3 6围岩 内部位移 量 测 通过围岩内部位移 的量测 ， 判断隧道围岩松弛范 围。根据现场实测数据 ， 隧道整体变形较小 ， 稳定情况 比较好 ； 围岩内位移值也不大 ， 围岩内变形随着深度的 增 加 有减小 的趋 势 。 4 结束语 监控量 测 是隧 道新 奥法 施 工 的 重要 内容 ， 在 桃 园 二号隧道出口段施工 中， 自始至终坚持“ 勤量测 ” 的原 则 ， 跟踪掌握围岩和支护的动态变化， 确保隧道施工的 安全性和经济性。通过量测及时对个别 围岩失稳趋势 暑 咖 毯 虐 擗 的区段提供了预报 ， 为施工单位及时调整 支护参数及 确定二次衬砌的施作时间提供 了依据 ， 达 到了科学指 导施工和完善设计的 目的， 也为今后类 似工程 的施工 提供 了借鉴。 参 考 文 献 1 徐林生 娄 山关 隧 道新奥 法施 工监 测研 究 J 公 路 ， 2 0 0 8 ( 3 )： 2 2 2 2 2 3 2 戴刚 新 奥法隧道 围岩 施工监 控量 测技 术 J 铁道建 筑 ， 2 0 0 6 ( 7)： 3 1 - 3 2 3 喻能根 云雾 山隧道施 工监测技 术 J 施 工技 术 ， 2 0 1 0 ， 3 9 ( 1 ) ： 4 1 - 4 4 4 孙 明磊 ， 李文江 ， 刘 志春 监控量 测技术在 强风化 膏溶 角砾 岩隧道施工 中的应用 J 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 5 7 - 6 0 5 应松 ， 柴旺 ， 毛遂 ， 等 水盘高速公路隧道施工监控技术 要点 分析 J 现代隧道技术 ， 2 0 0 9 ， 4 6 ( S 1 ) ： 4 7 5 2 6 肖林萍 ， 赵玉光 ， 李 永树 单拱大跨 隧道信 息化施 工监控 量 测技术研究 J 中国公路学报 ， 2 0 0 5 ， 1 8 ( 4 ) ： 6 2 6 6 7 张先军 ， 王玉锁 ， 叶跃 忠 西格岭 隧道施 工监控量 测技 术研 究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 5 7 - 5 9 ( 责任审编王天威) e石 ； ! ! 石 石 石 f 石 石 张家 口至集 宁铁 路开 通纪 实 2 0 1 1年 4月 2 8 日， 张 家 口至 集 宁铁 路 开通 仪 式 在集宁南站 隆重举行 。作 为 国家中长期铁 路 网规 划 的重点项 目， 张 家口至集 宁铁路 为 内蒙古大草原 至京津冀地区再添一个新的铁路 出口， 对 于畅通 内蒙 古 自治区出区达海通道、 完善路 网建设、 缓解京兰通道 运 能 紧 张 和 拉 动 内 蒙 古 自治 区 经 济 发 展 具 有 重 要 意 义。 此 次开通 的 张 家 口至 集宁铁路 ， 位 于华北 北部 ， 线 路 呈 东西走 向 ， 线路 东端 始 自河 北省 张 家 口市张 家 口 南站 ， 利用既有京包铁路至孔家庄站 ， 在孔家庄站西侧 完成 张集 线与 京 包线客 货 疏 解后 ， 向西 经 河 北省 万全 县、 尚义县进入 内蒙古 自治区境 内， 经内蒙古 自治区乌 兰察 布 市兴和县 、 察哈 尔右翼前 旗 ， 在 新 建 古营盘站接 入京包线 ， 改造既有京 包线引入 集宁 南站 ， 线路 全长 1 7 8 0 8 k m， 新 建 万 全 西、 小蒜 沟、 友 谊 水 库 、 兴 和 、 庙 梁 、 西土城 、 古 营盘 7个 车站 ， 改建孔 家庄 、 集 宁 南 2个 车站 。 摘 自 人民铁道报