新宝塔山隧道出口段施工监测与控制.pdf

隧道/地下工程 收稿日期:2011-03-11新宝塔山隧道出口段施工监测与控制赵彦旭(中铁二十一局集团有限公司兰州730000)摘要新宝塔山隧道施工条件较为复杂:地层岩性差、不良地质条件多、新建隧道与既有隧道相邻、穿越较多的地表建筑物、存在局部覆土较浅地段等。介绍了与既有隧道相邻的出口段的拱顶沉降及净空收敛、初期支护与围岩之间的压力、初期支护混凝土应力、钢拱架内力和围岩内部位移量测，从而及时掌握隧道施工中的相互影响程度，以便修改施工参数，合理安排施工工序，大大降低隧道施工中的风险。监测数据对于确保隧道的施工安全具有很重要的现实意义，并对未来临近隧道施工对既有小间距隧道的设计施工也具有较好的参考价值。关键词隧道出口段小间距隧道施工监测中图分类号TU445 4文献标识码A文章编号1009-4539(2011)05-0094-04Monitoring and Control of New Baota Mount Tunnel Outlet ConstructionZhao Yanxu(China Railway 21stBureau Group Co Ltd，Lanzhou 730000，China)AbstractNew Baota Mountain Tunnel is constructed in complex geological conditions such as poor lithological composi-tion，adverse geological condition，new-made tunnel adjacent to constructed tunnel，lots of surface constructions above tun-nel，and shallow soil covering section The displacement of tunnel vault and clearance convergence of tunnel，pressure be-tween initial support and the surrounding rock，the concrete stress of initial support，and the internal force of steel arch andmeasurement of the displacement of internal surrounding rock are introduced so as to get informed with the mutual influenceto revise construction parameter，make proper arrangement of construction processes and reduce the risks of tunnel construc-tion The results show that the monitoring and measurement is important to the design and construction of closely spacedtunnelsKey wordstunnel;outlet of tunnel;closely spaced tunnels;monitoring and measurement of construction1引言近年来，地下工程监测应用范围不断扩大，一些重大关键性项目都注重了监测工作。监控量测信息广泛的应用于介质力学参数反演、施工和地质超前预报(孙广忠，朱维申等，1996);隧道衬砌支护合理时间的设置(孙钧，1995;何满朝，1996);信息化设计和施工(李世辉，1999);吴凯华(1988)提出应用灰色预测法对监测位移进行分析;孙建华等(1992)提出实测数据的 Logstice 曲线拟合方法;王彦武(1999)介绍了山西省太旧高速公路北茹隧道进行围岩变形监测的手段和监测结果，提出了通过收敛变形计算拱顶下降的公式，通过隧道拱顶下沉量来预测围岩的失稳和评支护效果;齐俊修(2000)通过对北京昌平县十三陵抽水蓄能电站排风洞尾水洞隧道围岩的收敛观测结果进行分析，得出围岩收敛位移与围岩稳定的判据;董勇(2002)对孤山隧道信息监测中的测点布置、回归分析、信息反馈等做了详细的介绍。张成(2000)等介绍了当今隧道三维变形非接触监测的 5 种方法 以电子经纬仪进行的三维解析测量、全站仪的自由三维工作站、三维近景摄影测量、无线遥感技术、利用光纤检测技术等进行隧道三维变形量测;康宁(2000)以东港城市隧道工程为背景，详细介绍了围岩与衬砌间压49铁道建筑技术RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY2011(5)隧道/地下工程 力地实测数据，分析了该压力随时间和开挖过程产生变化和调整的规律;杨学意(2000)量测了围岩与衬砌间压力和砌混凝土内部压力，分析了压力最大值发生地所在位置以及压力沿观测断面的分布规律，指出了圆形断面隧道发生危险的位置。新宝塔山隧道施工条件较为复杂:地层岩性差、不良地质多、新建隧道与既有隧道相邻、穿越较多的地表建筑物、存在局部覆土较浅地段等。既有宝塔山隧道在出口 K502+250 +679 03 段与新建隧道线间距为 15 30 m，净距较小，是施工中需要重点关注的内容。本文通过对拱顶沉降及净空收敛、初期支护与围岩之间的压力、初期支护混凝土应力、钢拱架内力和围岩内部位移的量测，及时掌握洞室施工中相互影响程度，及时修改施工参数，合理安排施工工序，从而大大降低隧道施工中的风险，这对于确保隧道的施工安全具有很重要的现实意义，并对未来临近隧道施工对既有小间距隧道的设计施工也具有重要的指导意义。2新宝塔山隧道概况新宝塔山隧道位于陕西延安市境内，地处陕北黄土高原梁峁沟壑区，地表植被一般，第四系覆盖层较厚，地势陡峻，地形起伏较大，高程范围1 002 1 152 m。隧道最大埋深约 146 m，最小埋深 2 m。隧道起讫里程 DK500+516 DK502+677，全长2 161 m。新宝塔山隧道在 DK502+612 DK502+677 段距既有线宝塔山隧道出口段较近，线间距由 15 30 m，其中在既有宝塔山隧道出口处，围岩净距仅有 5 6 m，净距较小。隧道经过区出露主要地层为第四系上更新统风积黏质黄土和下伏的侏罗系砂岩夹页岩。黄土湿陷类型主要为非自重，湿陷等级 级，湿陷土层厚度约为 10 m。砂岩夹页岩为隧道洞身通过的主要地层，厚大于 10 m，成分以石英、长石、云母为主，中细粒结构，中厚层状构造，岩质一般，岩体尚完整，产状近于水平，节理较发育。3拱顶沉降及净空收敛拱顶沉降及净空收敛量测采用成都西铁院的SJW 型收敛计，量测精度为 0 01 mm。如图 1所示，在隧道初期支护施作完毕后，于隧道拱腰及拱墙部位埋设净空收敛监测点，在拱顶埋设下沉监测点，对初支阶段隧道净空收敛和拱顶沉降进行观测。图 1拱顶沉降及净空收敛量测线布置示意对 DK502+535 到 DK502+660 里程 13 个断面进行了监测，对各测点的拱顶下沉时间曲线进行了回归分析，通过曲线收敛情况判定隧道的稳定性。监测结果表明，拱顶下沉值最大值处于 5 62 12 86 mm间，大部分测点的拱顶下沉值为 6 9 mm。与一般单线铁路隧道的量测值相比，这一拱顶下沉值属于中等偏小。在结束量测时量测断面的拱顶下沉累计最大为 12 86 mm，已趋于稳定，在且在结束量测时拱顶下沉速率为 0 25 mm/d 左右，说明此时该量测断面的围岩-支护系统己达稳定，支护措施能满足实际需要。图 2 为 DK502+655 断面隧道净空收敛和拱顶沉降时间曲线。从图可以看出，隧道在开挖后初期有较明显变形以及在后期逐步趋于稳定的过程，回归分析表明指数函数能够很好的拟合变形随时间的变化曲线。4初期支护与围岩之间的压力围岩压力是指引起地下空间周围岩体体和支护变形或破坏的作用力。在正常情况下量测值较大约为 0 4 1 0 MPa。通过数值比较，可迅速地得出在通常的范围内是否具有一般的安全度，施工作业是否正确以及对围岩状况进行评价。如果围岩59铁道建筑技术RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY2011(5)隧道/地下工程 压力大，但围岩变形量不大，表明支护过早，尤其是仰拱封底，需待围岩应力进一步释放再施作仰拱。如果围岩压力大，且变形大，应加强支护，且考虑是否失稳。图2DK502+655 断面隧道净空收敛和拱顶沉降时间曲线图 3 为断面 DK502+655 及 DK502+568 所测得的围岩压力时间曲线。在断面 DK502+655m 断面处除左侧拱腰外其余部位均为压应力，两侧压力不对称，临近既有隧道侧的压力大于另外一侧的压力，这主要是由于新建隧道的开挖使得靠近既有隧道侧的围岩承载能力减弱，围岩应力发生重分布，作用的衬砌上的力加大引起的。远离既有隧道侧由于变形而发生应力释放，围岩压力减小，拱腰部位的围岩压力出现负值说明压力受力较小，由于混凝土收缩使得压力盒侧面受力而出现负值，这与其距离洞口位置、埋深等因素有关。图 3围岩压力时间曲线5钢拱架内力钢支撑在锚喷支护体系中起到了提高初期支护强度和刚度的作用，通过对钢支撑受力情况的数据采集可以验证钢支撑类型的选用是否安全，并能评价钢支撑的支护效果，根据受力状况可以了解围岩变化是否趋向稳定。如图 4 所示，施工中在钢架的内缘布设表面应变计，以测试钢架内侧的受力情况。图 4 为断面 DK502+655m 和 DK502+568 的钢架应力时间曲线。从图可以看出，钢拱架受力在前期受力变化很大，说明钢拱架的存在约束了围岩的松弛和塑性区的扩大，在后期呈收敛趋势，说明钢拱架的设计荷载能够满足要求，靠近中间岩柱处拱肩受力相对大些，也比较符合洞口段小净距隧道69铁道建筑技术RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY2011(5)隧道/地下工程 上下台阶开挖的受力特点。值得注意的是，临近既有隧道侧应力明显大于另外一侧，其中 DK502+655 断面处临近既有隧道左侧拱墙的最大应力为 55 23MP，DK502+568 断面处临近既有隧道侧拱墙的最大应最大应力为71 2 MP。钢架在支护体系中作用是很显著的，尤其对于临近既有隧道一侧受力更大，在设计和施工中应加强施作。图 4钢架内侧应力时间曲线6围岩内部位移围岩内部位移发生的模式因围岩条件、施工方法的不同而呈现不同形式，对其进行研究时要结合具体的地质条件进行综合判断。新宝塔山隧道研究段处于 V 级围岩条件下，主要采用上下台阶法进行开挖，围岩内部位移的发展相似。断面 DK502+655 处的隧道拱顶、左边墙和右边墙处围岩内部位移时间曲线如图 5 所示。可以看出，距离临空面越远的点其位移值越小，4 m 点的位移值基本上不变化。在开挖后前4 d内位移增大比较明显，之后增速明显减小，位移值逐渐趋于稳定。各点的位移速率在 4 d 后趋向于零，围岩变形基本趋于稳定。通过围岩内部位移变化规律可以将洞周围岩划分为三个区域:靠近临空面的位移值变化最大区域为松动区，位移量次之的区域为强度下降区，位移量最小的区域对应于弹性区。4 m 深点处围岩位移数值在0 mm 左右，3 m 深点处围岩位移数值均小于 0 3 mm，说明锚杆已达到所需深度，能有效加固围岩。图 5DK502+655 围岩内部位移时间曲线7结论(1)宝塔山隧道各监测断面洞周收敛位移变形量均较小，远小于规范要求的净空收敛位移，而且基本上都趋于减小或稳定。总的看来，各监测断面距离新隧道掌子面越近，影响越明显，并有滞后的现象，并随掌子面远去，影响越弱。从累积收敛位(下转第 106 页)79铁道建筑技术RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY2011(5)隧道/地下工程 79仰拱预制块安装、后方仰拱块注浆、运输轨道安装与正常掘进相同，采用后配套装备进行仰拱预制块安装，采用楔块塞填，灌筑细石砼，不满处压注水泥砂浆。在达到强度后敷设运输轨道。8步进速度理论计算TBM 步进选用的步进推力油缸、举升油缸和后配套牵引油缸伸缩速度为 12 cm/min，则步进各步用时如下:(1)步进推力油缸伸长1 8 m(主机推进油缸同时伸长)用时:1 8 m 100/12=15 min(2)举升油缸伸举升 10 cm(后支撑支腿同时伸长)用时:10 cm/12=1 min(3)步进推力油缸收缩1 8 m(主机推进油缸同时收缩、后配套牵引油缸同时伸长)用时:1 8 m 100/12=15 min(4)举升油缸伸收缩 10 cm(后支撑支腿同时收缩)用时:10 cm/10=1 min每循环再考虑其他因素影响考虑1 min，则步进一个循环用时 32 min。步进施工的同时，与其同步的工序只有仰拱块安装、仰拱块底部回填注浆、轨道延伸等，在 32 min内每循环仰拱块安装、仰拱块底部回填注浆、轨道延伸都可以完成。每月考虑 2 d 时间进行连续皮带机的延伸连接，1 d 时间的电缆延伸，故步进每月按 27 d 考虑，每天考虑 4 h 用于机械设备的检查。根据以上循环时间计算 TBM 步进月进度为:20 h 60 27 d/32 min 1 8 m=1 822 5 m。9结束语随着 TBM 在长大隧道的越来越广范的应用，特别是 TBM 与钻爆相结合(钻爆采用辅助导坑的方式处理破碎围岩，TBM 步进通过后再掘进)的形式，使得 TBM 步进距离会更大，为此，TBM 步进技术的研究与应用就有着重要的意义。西秦岭隧道通过对步进方式的研究，保证了快速的步进，在第一阶段的步进中，最高班进度(每天二班，每班 12 h)1005 m，最高日进度 173 m，第一阶段步进长2 113 m，25 d 完成了步进，平均进度达84 5 m，超过了施组 1 500 m/月的指标，实现 TBM 快速步进的目标檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪。(上接第 97 页)移的回归分析结果来看，最终实测值与回归分析的预测值比较接近，变形基本上已趋于稳定。(2)对于新建隧道初期支护阶段的应力和围岩内部位移量测值与允许值相比较看，量测值小于允许值，表明隧道围岩是稳定的，支护、衬砌效果是可靠的，临近隧道在新建隧道施工后，除了对新建隧道进行必要的量测外，要加强对既有隧道的量测工作，防止新建隧道施工对既有隧道的衬砌造成破坏。参考文献1朱维申，何满潮 复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学 M 北京:科学出版社，19962孙广忠 工程地质与地质工程M 北京:地震出版社，19933孙广忠 地质工程理论语实践M 北京:地震出版社，19964孙钧 地下工程设计理论与实践 M 上海:上海科学技术出版社，19965李世辉 隧道支护设计新论 典型类比分析法应用和理论 M 北京:科学技术出版社，19996吴凯华 岩土隧洞量测位移的灰色预测与反分析C 第三届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集，19987孙建华 北京地铁浅埋暗挖法监测资料的进一步研究 J 隧道及地下工程，1992(4)8王彦武 太阳高速公路北茹隧道围岩变形监测 J 岩石力学与工程学报，1999(4)9刘占魁，刘宝许 隧道工程监测技术与位移反分析测点优化布置 J 包头钢铁学院学报，2002(1)10董勇 孤山隧道信息监测与反馈J 河港工程，2002(1)11张成平，刘维宁 隧道净空三维变形非接触监测方法的国内外动态 C 中国土木工程学会隧道及地下工程分会第十一届年会论文集，200012康宁 东港隧道的施工监测 J 岩石力学与工程学报，1998(4)601铁道建筑技术RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY2011(5)