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1、一 周家湾隧道施工中围岩量测成果分析及应用随着国民经济的飞速发展,对铁道交通运输的要求越来越高。国家铁道网络工程的建设,尤其是高速铁路的建设,使得超长隧洞、超大断面隧洞的应用越来越广。这就对隧洞施工技术提出更高的要求。如何选择合适支护时间及支护方式,将影响施工进度与施工成本的控制。在隧道施工过程中采用围岩量测监控技术,对围岩变化情况及支护结构进行量测,及时提供围岩稳定程度与支护结构可靠性的安全信息,预见事故及险情,作为调整与修改支护设计的依据,并在复合式衬砌中,依据测量结果确定二次衬砌施做的时间,以达到监控隧道围岩与支护结构的变化不超过设计标准。在周家湾隧道施工中应用了围岩量测技术,全过程监督
2、施工中围岩的稳定性。通过对监测数据的分析与研究,选择适宜的支护措施,确保了工程的安全与质量,提高了施工效益并节约了施工成本。1引言随着改革开放的进一步深入以及经济的发展,对交通运输能力的要求不断提高,铁路建设以其占地少、运量大及长途运输能力强等优势,已成为拉动国民经济增长的支柱产业、带动地方经济发展的龙头。在山岭、丘陵地区乃至越江过河的铁路建设中,隧道方案以能缩短行车里程,提高线型标准、保障运营安全,保护生态环境等优点,得到普遍地应用,高速铁路隧道越修越长,断面越来越大。因此,在隧道施工中加强过程控制就显得更为重要。隧道的监控量测是隧道开挖过程中,使用量测仪表对围岩变化情况及支护结构的工作状态
3、进行量测,及时提供围岩稳定状态和支护结构可靠性的安全信息,预见事故与险情,作为调整和修改支护设计的依据,并在复合式衬砌中,依据量测结果确定二次衬砌施作时间。作为“新奥法”施工的重要组成部分,将量测纳入工序,是隧道施工的重要一环,由于隧道开挖断面大,初期支护后围岩暴露的时间相对较长,为此,掌握围岩的变形和初期支护变形的动态,指导合理安排工序,及时修改支护参数,确保工程的安全性和经济性。2工程概况31围岩量测目的提供监控设计的依据与信息,掌握围岩力学形态的变化和规律,掌握支护的工作状态信息并及时反馈,指导施工作业。预报及监测险情,作出工程预报,确定施工对策和措施;监视险情,以确保安全施工;校核地下
4、工程理论计算结果、完善工程类比法,为理论解析、数据分析提供计算数据和对比指标;为工程类比提供参考指标;为地下工程设计与施工积累经验资料。32量测频率及时间3.2.1量测频率净空变化与拱顶下沉量测的测试频率,依据位移速率和测点距开挖面距离确定,一般按表1选定。即元件埋设初期测试频率为12次/d;随着围岩渐趋稳定,量测次数可减少;当出现围岩不稳定征兆时,应增加量测次数。表1净空位移与拱顶下沉量测频率由位移速率决定的量测频率和由测点距开挖面的距离决定的量测频率之中,原则上采用两次频率之中较高者。当位移趋向一定值时,亦可不采用表1的数值。3.2.2结束量测时间当围岩达到基本稳定后,以1次/3d的频率量
5、测2周,若无明显变形,可以结束量测。33量测仪器内容方法数据处理及围岩稳定性判别标准3.3.1 周家湾隧道量测仪器及测点布置示意图3.3.2量测内容根据现场实际情况,进行了以下几项量测:洞内观察、地表下沉、拱顶下沉及周边收敛。3.3.3量测方法3.3.3.1洞内观察隧道在开挖后应进行地质观察,在支护完成后对已支护地段须进行观察。观测内容:节理裂隙发育程度及方向;开面的稳定状态,顶板有无坍塌现象;涌水情况:位置、涌水量、水压等;是否有底板隆起现象。支护围岩段观测:是否发生锚杆被拉断或垫板岩现象;喷混凝土是否发生裂隙、剥离或剪切拱架有无被压变形情况。3.3.3.4周边位移周边位移量测主要量测两侧边
6、墙收敛值。测点如下:在类围岩中,每隔50m布置一个断面;类、类围岩每隔20m布设一个断面。每个断面布置3对测点,在楔形体范围内大致布置于上、中、下,每组两个测点保持在水平位置。3.3.4量测数据处理采用隧道净空变化值(收敛值)作为信息反馈值。收敛值指隧道周边两测点连线方向上相对位移值,为此必须将其换算为两测点的绝对位移值,换算方法按几何关系:3.3.4量测数据处理采用隧道净空变化值(收敛值)作为信息反馈值收敛值指隧道周边两测点连线方向上相对位移值,为此必须将其换算为两测点的绝对位移值,换算方法按几何关系:(ui-uj)cosAij+(vi-vj)sinAij=Dij(3)式中ui、uj、vi、
7、vji、j两测点绝对位移的水平和垂直分量;Aijij连线与水平方向夹角,按逆时针方向为正;Dij基线ij方向的收敛值。采用一元非线性回归方程。指数方程:u=a(1-e-bt) (4)当量测时间t1=t2时,则解得回归系数a=u21/(2u1-u2)b= 1/tlnu1/(u2-u1) (5)当量测时间t2=2t1,则用拉格朗日插值方程求解2t1时的量测值u,之后再用两倍时差求解a、b值,u= (t3-2t1)u2+(2t1-t2)u3/(t3-t2)(6)得出回归方程后,可以绘出位移时间曲线,得出某一时刻位移速率,从位移时间形态、位移速率与某临界值相比较,确定采用何种支护结构及支护结构施作时间
8、。3.3.5围岩稳定性判别标准位移-时间曲线的形态,根据岩体的流变特性,岩体破坏前的变形曲线分成3个区段。分别如下。基本稳定区:变形速率不断下降,d2u/dt0时,曲线出现反弯点,表明围岩已达到危险状态,必须立即停工加固。4 量测结果及成果分析42周家湾隧道位移-时间曲线图43成果分析4.3.1周家湾隧道中泥岩及砂岩总的收敛变形量较小,在开挖初期应力变形释放较快,随时间延长,变形持续增加,但增加量级逐渐减小。反应出软质岩石的高压缩性和流变性之特点。5本次工程运用中所取得的成果周家湾全隧道按设计均为、级围岩和、加强围岩,按设计其开挖及初次支护形式采取中壁法施工.按工序分为6部进行开挖与初次支护。
9、此施工方法耗费工期长,工序复杂,材料使用量大。周家湾隧道通过科学的量测监控,准确的掌握了整个洞室开挖及初期支护围岩位移变化情况;及时的调整与优化开挖及初期支护方案。将原设计所采用分部开挖(CD中壁法施工)加临时加强支护调整为分台阶法施工。为此,由原一个开挖、支护循环时间从3640h,缩减为2022h,且取消了所有临时支护(节省了18工字钢及22砂浆锚杆),整个开挖、支护工序提高了约45%的效率,同时初期支护节省了10%的费用。6结束语通过本次大断面铁路隧道施工中危岩量测监控研究,隧道施工量测对隧道完善优化开挖、初次支护设计具有显著指导作用;为红层丘陵隧道大断面开挖、初次支护搜集了可贵的资料和经
10、验,提高了施工效益和节约了施工成本。隧道开挖后所引起的围岩力学形态变化，是一个复杂的过程。对于翅何了解围岩力学形态变化和锚喷临时支护结构的工作状态，提高施工过程中的安全性和经济性，是软弱围岩地质条件下施行大断面掘进的一个突出的问题。在和尚坪隧道出口软弱围岩段施工实践中，从开工起便坚持围岩量测工作，试图从中摸索出一点规律，为大断面掘进提供一个安全和最佳支护的可靠信息。现将和尚坪隧道出口n类围岩段量测数据的取得与反馈指导大断面掘进情况述下:二 围岩量测在东秦岭特长隧道施工中的应用摘要围岩量测是隧道“新奥法”施工三要素之一。结合东秦岭隧道出口段围岩量测实施方案,详细阐述围岩量测在隧道施工中的应用技术
11、以及量测的数据处理和分析方法。关键词铁路隧道围岩量测1概述东秦岭特长隧道采用新奥法设计和施工,现场监控量测已列入设计文件,并在施工过程实施。现场监控量测是判断围岩和隧道的稳定状态、保证施工安全、指导施工顺序、进行施工管理、提供设计信息的重要手段。2围岩量测的实施方案2.1 量测仪器配置(表1)2.2围岩量测的主要任务和质量要求(1)现场监控量测的主要任务掌握围岩和支护的动态,按照动态管理量测断面的信息,正确并经济地指导施工。量测数据经过分析处理与必要的计算和判断,预测和确定隧道最终稳定时间,指导施工工序和确定施作二次衬砌的时间。根据隧道开挖后围岩稳定性的信息,进行综合分析,检验和修正支护措施。
12、积累已有工程的量测结果,应用到其他类似的工程中去,作为设计和施工的依据。(2)现场量测的质量要求快速设点。隧道开挖后,为尽早获得围岩开挖后初始阶段的变形动态,尽快埋设测点,初始读数应在开挖后12 h读取,最迟不得超过24 h,而且在下一循环开挖前,必须完成初期变形值的读取。测点应牢固可靠,易于识别并妥善保护。一次量测的时间尽可能短。量测仪器要有足够的精度。2.3围岩监控量测现场实施方案(1)围岩监控量测的依据铁路隧道喷锚构筑法技术规则(TBJ108 92)。(2)监控量测的作业流程(图1)图1监控量测作业流程(3)量测的项目东秦岭特长隧道设计选择洞内外观察,净空水平收敛以及拱顶下沉量测3个必测
13、项目,为日常施工管理提供有关数据资料。必要时,在围岩软弱破碎地段增设隧道底部上鼓量测项目。(4)量测断面布置因此,在隧道正洞每个量测断面各布置1个拱顶下沉测点和2条净空水平收敛量测线,在平行导坑每个量测断面各布置1个拱顶下沉测点和1条净空水平收敛量测线,如图2所示。图2测点布置(单位:cm)量测断面间距应根据铁路隧道喷锚构筑法技术规则要求,结合隧道具体情况,确定各级围岩量测断面的间距为:级围岩地段10 mm;级围岩地段20(5)量测频率洞内观察分为开挖工作面观察和初期支护状况观察2部分。开挖工作面观察在每次开挖后进行,并绘制地质素描图。地质情况基本无变化时,可每天进行1次;对初期支护的观察也应
14、每天进行1次,观察内容包括喷射混凝土有无裂损及发展,锚杆有无松动,钢架支护工作状况等。洞外观察包括边仰坡稳定、地表水渗透等。净空水平收敛量测和拱顶下沉量测采用相同的量测频率,按量测的质量要求设点量测,实际量测频率应从表2中根据变形速度和距开挖工作面的距离,选择较高的量测频率。3监控量测资料的整理及反馈(1) 根据量测数据绘制:位移及位移速度随时间的变化曲线;位移及位移速度与开挖工作面距离的曲线。依据变形管理等级(表3变形管理等级)指导施工。(2)观察和量测发现异常时,应及时修改支护参数。一般正常状态必须同时满足以下条件:喷射混凝土表面无裂缝或有少量微裂缝;位移速度在最初12 d允许有加速外,应
15、迅速减少。(3)位移很快达到稳定,且围岩状况比预计要好,应适当减弱设计参数。(4)双线隧道的二次衬砌施作时间满足铁路隧道喷锚构筑法技术规则第3.6.5条有关规定。4监控量测实施情况分析4.2量测结果分析根据设计要求,本隧道以级围岩为量测重点。针对级围岩的量测结果进行分析,并选择级围岩DK106+546为例,绘制相关曲线(图3图5)。围岩位移是隧道开挖过程中所引起的围岩力学变化最直接的体现,支护系统的破坏或围岩的坍落都是位移发展超过某一限度的结果。在现场施工监测中,位移量以及时间效应是指导施工、评定围岩稳定性的重要指标。(1)量测曲线无论是隧道围岩位移和时间曲线,还是隧道周边收敛位移和开挖面距离
16、曲线,位移的变化特性大致相同。在量测断面开挖过后10 d内,即距开挖面距离30m内,围岩发生急剧变形,其变形量占围岩总变形量的50%以上,之后逐渐减小,30 d以后围岩变形基本趋于稳定,隧道周边位移速率平均值约为0.1 mm/d,在这个速率下,允许作二次支护。(2)围岩稳定程度的3个阶段急剧变形阶段。该阶段收敛位移速率1.0mm/d。对于、级围岩,该阶段平均历时(指开挖以后的时间)为15 d左右,最长30 d;级围岩10 d,最长15 d,但位移速率相对较小;而、级围岩则无此阶段。缓慢增长阶段。该阶段收敛位移速率0.21.0 mm/d,对于、级围岩,到达该阶段的平均历时为40 d,最长65 d
17、;级围岩为15 d。、级围岩则无此阶段。基本稳定阶段。当收敛位移速率0.2 mm/d时,可以认定进入基本稳定阶段。、级围岩,到达该阶段平均历时50 d以上;级围岩平均为18 d以上;对于、级围岩,一般开挖后就基本稳定,地质较破碎,节理发育的局部需施作挂网喷射混凝土。二次支护(衬砌)应在达到基本稳定状态即围岩位移量已达总位移量的90%以上时再施作。(3)洞内状况观察每次开挖后,由值班技术干部对开挖工作面进行观察,并绘制地质素描图。对与设计不符的及时上报核实后,由设计、监理、施工三方现场会勘后,对支护参数进行调整。(4)以监控质量为目的的量测截止2002年5月,共作锚杆拉拔实验372组,抗拉拔力平
18、均为132.3 kN,达设计的102.6%;共作喷射混凝土试件981组,28 d抗压强度平均为21.7 MPa,达设计强度的121%;喷射混凝土厚度满足设计要求,级围岩混凝土表面仅局部有小量微裂缝,、级围岩及断层带段局部变形较大并出现裂纹,及时采取了加密锚杆或锚管加固围岩和二次挂网补喷混凝土等施工措施,直至达到围岩稳定。综上所述,东秦岭特长隧道设计选取的支护参数合理可靠,施工中针对不同地质情况采取的施工方案切实可行,已施作的初期支护作用和效果明显,根据监控量测的结果选取二次衬砌的时机适当,符合隧道新奥法施工原理。5结语围岩监控量测技术在隧道施工特别是长大隧道中的应用是极其重要的,是指导施工方案
19、、检验和修正隧道设计的重要依据。特别是在软岩隧道施工中,为防止隧道塌方,保证施工安全,提供直观的依据,对隧道运营后的通车安全也有着长远意义。三 围岩量测监控技术在青沙山隧道施工中的应用1问题的提出围岩监控量测,是指在隧道施工过程中,对围岩和支护系统的变化情况及稳定状态进行监测,为施工方案的优化和支护参数的调整提供依据。它是新奥法施工的一个必不可少的重要环节。新奥法作为一种全新的隧道工程概念,其基本精神就是运用各种手段(开挖方法、支护形式及辅助措施等)最大限度地利用围岩自身的承载能力,使隧道施工更安全、更合理,同时也更经济。而其安全性、合理性、经济性就是通过围岩量测监控信息及时反馈到下一阶段的设
20、计和施工中来实现的。因此,快速、及时、准确地进行围岩监控量测和信息反馈,是新奥法施工的关键之一。青海省在建最长的公路隧道平阿高速公路青沙山隧道工程采用新奥法施工,在此过程中,围岩监控量测技术得到了很好的应用和实践,取得了较好的技术经济效益和社会效益。2工程概况3施工监测3.1现场监测的目的在施工过程中,加强围岩的监控量测,及时准确反馈初支收敛情况,是调整施工支护参数,优化施工方案,确保施工安全的重要手段。在青沙山隧道施工过程中,我们严格按照新奥法要求施工,通过量测数据收集、整理和分析达到以下几个目的:(1)了解围岩、支护变形情况,以便及时调整和修正支护参数,保证围岩稳定和施工安全;(2)提供判
21、断围岩和支护系统基本稳定的依据,确定二次衬砌施作时间;(3)依据量测信息采取相应措施,优化施工方案,在保证施工安全的前提下加快施工进度。3.2现场监测项目和内容及仪器3.2.1量测项目及内容(1)隧道围岩变形量测,通过洞内变形收敛量测来监控洞室稳定状态和评价隧道变形特征。周边收敛位移量测:隧道开挖支护时,及时埋入锚固件,采用围岩收敛仪进行量测,严格按设计测量断面间距、测点布置、量测频率等,并做好记录。拱顶下沉量测:拱部支护时,在拱顶及时埋入观测计或锚固件,采用精密水平仪悬挂钢尺,观测拱顶下沉量。测点布设要紧跟工作面,及时获得量测数据。地质超前预报:施工中,我们将把传统地质方法和地球物理探测法结
22、合起来用于地质信息超前预测预报,对地质灾害作充分估计,防患于未然。预测预报内容主要有以下几项:地质条件对施工影响程度;可能出现塌方、滑动;软岩出现内鼓、片劈、掉块地段;岩体突然开裂或原裂隙逐渐增宽等危害性;位移变形加快影响围岩稳定;浅埋段下沉裂缝对隧道稳定的影响。传统地质方法为:由地质工程师负责,采用地表补充调查,追踪掌子面素描,已开挖段的洞体地质展视图,记录各种结构的产状要素,地下水状态等数据。地球物理探测有:一是超前钻孔。短距离预测利用钻孔台车钻孔,一般在拱顶,起拱线和下部各钻一孔,采用钻眼排碴取样分析,记录钻速、水质水量变化情况以及开挖后的岩面观测素描,综合判断预报前方水文、地质条件。二
23、是地质超前预报仪。对15 m20 m超前地质预报采用TSP202地质超前预报仪进行探测,用TSP202地质超前预报仪定点按0,15,30,45进行偏角扫描,分析扫描结果,判断前方地质变化情况。地质超前预报模式见图1。(2)应力应变量测,采用应变计、应力盒、测力计等监测钢拱架、格栅支撑、锚杆和衬砌受力变形情况,进而检测和评价支护效果。地质及支护状态观测:隧道开挖后,立即进行工程地质状况的观察,(2) 围岩稳定性和支护效果分析。通过对量测数据的整理与回归分析,找出内在的规律,对围岩稳定性和支护效果进行评价,然后采用位移分析法,反求围岩初始应力场及围岩综合物理力学参数,并与实际效果验证对比。3.2.
24、2现场量测要求(1)喷锚支护施作2 h后即埋设测点,进行第一次量测数据采集。(2)测试前检查仪表设备是否完好,如发现故障应及时修理或更换;确认测点是否松动或人为损坏,只有测点状态良好时方可进行测试工作。(3)测试中按各项量测操作规程安装好仪器仪表,每测点一般测读3次。3次读数相差不大时,取算术平均值作为观测值,若读数相差过大则应检查仪器仪表安装是否正确、测点是否松动,当确认无误后再按前述监控量测要求进行复测。每次测试都要认真做好原始数据记录,并记录掘进里程、支护施工情况以及环境温度等,保持原始记录的准确性。量测数据应在现场进行粗略计算,若发现变位较大时,应及时通知现场施工负责人,以便采取相应的
25、处理措施。(4)测试完毕后检查仪器、仪表,做好养护、保管工作;及时进行资料整理,监控量测资料必须认真整理和审核。4量测数据分析和信息反馈将量测数据进行处理和分析,目前,国内主要选用以下3种非线性曲线函数中精度最高者进行回归分析,观测数据不宜少于25个。对数函数:u=A+B/lg(1+t)指数函数:u=A(1-eBT)双曲函数:u=t(/A+Bt)式中:u为位移值;A为隧道净高;B为隧道净宽;t为监测时间。回归结果表明:对数函数用于初期支护变形可取得较高的回归精度;初支基本稳定后因对数函数为发散型函数,与实测值有较大偏差,而此时采用指数函数可获得较满意的结果;双曲函数则可预计最终位移值U=1/B
26、。位移特征曲线见图2。5信息反馈通过对围岩量测数据的分析,如果绝对位移值逐渐减小,支护结构趋于稳定,可施作二次砼衬砌;如果位移变化异常,出现反弯点喷锚支护出现严重变形,这时应及时通知施工人员,该段支护必须采取加强措施,确保施工安全,提防隧道不坍方;严重时,施工人员必须迅速撤离施工现场,保证施工人员安全。6结语量测监控技术在青沙山隧道工程中的应用取得了成功。施工过程中,施工组织科学,设计(变更设计)合理,既保证了施工安全,又保证了工程投资的合理性,工程获得了最佳的经济效益和社会效益。四 围岩量测技术在隧道新奥法施工中的应用 摘 要 围岩量测是新奥法施工的一个重要组成部分,是新奥法施工三大支柱之一
27、,是形成新奥法设计施工一体化的桥梁和纽带。本文以大峪隧道为例,对围岩量测技术在隧道施工中的应用做一简要介绍。 根据新奥法施工原则,在隧道施工过程中需依靠对围岩的变形观测和对观测数据的回归分析来判断围岩是否稳定,判定初期支护强度是否足够,以及推测围岩稳定的时间和确定二次衬砌的施做时机。1 围岩量测的基本情况1.1 工具1.2 量测项目(见图1)拱顶C点下沉和A、B点的水平收敛。1.3 测点埋设及要求1.4 量测方法1.5 数据处理与回归分析(3)数据分析与应用根据各点的累计位移及变形曲线,分析各点的位移情况,当发现位移曲线发生突变或变形速率增大时,应密切注意围岩的稳定情况,并提早做好加强支护的准
28、备,防止出现意外情况,当变形累计量已达允许收敛量的70%或接近允许收敛量,且收敛速度无明显下降时,应立即采取措施,加强初期支护,并修改原支护参数,当发现收敛速度明显下降,收敛速度小于0.15MM/D,且收敛量已达总收敛量的80%时,可以安排进行二次衬砌。3 对几个问题的认识围岩量测技术是隧道新奥法施工中判定围岩稳定的有效手段,充分利用围岩量测技术,可以有效地防止塌方的发生,保证支护稳定和施工安全,通过大峪隧道施工,我们对围岩量测技术有了更加深刻的认识和体会。围岩量测做为一项成熟的实用技术,在新奥法施工中是十分有效和十分必要的,开挖支护后,围岩稳定与否,支护强度是否足够,变形何时稳定,都只有靠围
29、岩量测这一手段来判定,这是有理论依据的,经过实践我们对围岩量测的适应范围及其它方面情况有以下方面认识:(1)经过实践和实际观测,我们发现,对-类围岩在开挖后,围岩非常稳定,围岩变形很小(见图5、6),且稳定时间长,因此我们为对于-类围岩在实际施工中可减少或取消对围岩的变形观测,但为了防止岩石风化,局部危石脱落和满足防水板施工工艺的要求,在开挖后及时进行喷混凝土封闭也是十分必要的。(2)对于较差的-类围岩或更差的类围岩地段,围岩量测是十分必要的,特别是对大断面隧道施工,变形观测是科学施工和确保施工安全最有效的手段,监控量测必须做好。(3)关于新奥法施工中二次衬砌的施做时机问题。新奥法施工原则上要
30、求,在围岩变形“明显下降,收敛量达总收敛量80-90%,收敛速度0.15mm/d”时马上施做二次衬砌,这样,围岩的自承能力可得到最大限度的发挥,二次衬砌受力最小,二次衬砌也最经济。通过量测实践我们认识到,对于-类围岩,由于其变形量很小,且围岩稳定时间长,给二次衬砌提供了较宽裕的时间,在这种情况下,可根据现场的情况,按正常的施工安排,选择二次衬砌时机,而不必拘泥于“马上”的要求。对于软弱地质段,由于地质条件差,不可预见因素很多,突发事件如塌方发生的可能性较大,在围岩量测中常会出现变形过大及变形不止的现象,在这种情况下,应坚持早衬砌的原则,在对二次衬砌参数进行修改后提早施做二次衬砌,确保施工安全,
31、防止塌方发生,而不能机械地按照在变形“明显下降,收敛量达总收敛量80-90%,收敛速度0.15mm/d时马上衬砌”的要求。总之二次衬砌的施做时机,要按照新奥法施工要求,根据围岩稳定情况,结合现场实际情况灵活机动掌握,要服从隧道施工的整体安排。(4)观测手段要多样。特别是对于软弱地质段的围岩变形观测,主要依靠围岩量测仪,但是由于围岩软弱和地质结构的不均匀性,围岩变形有时会出现局部变形现象。这时仅靠围岩量测仪是不够的,围岩量测的目的主要用来判断开挖支护后围岩的稳定情况,从而修改支护和进行二次衬砌提供依据。用量测仪进行围岩变形观测仅是达到该目的的手段之一,为全面反映围岩的变形情况,还要靠现场观察和借
32、助水平仪观测等手段。根据新奥法施工原则,隧道施工允许围岩变形,但又要控制其变形在一定范围之内,从而达到最大限度利用围岩自承能力的目的,这“允许”和“控制”是靠柔性的初期支护体系来实现的,这就要求,初期支护在经济合理的前提下,其强度必须足够以“抑止”其变形,另一方面,当其“抑止”失败时,如何进一步加强支护实现二次抑止?所以,在新奥法施工实践当中,我们总会遇到二个问题:一是对于一定的围岩条件和一定的开挖断面,何种支护体系才能满足新奥法施工的要求,而且又很经济;二是当既定的支护体系不足以有效地控制围岩变形逐步增大时,如何采取补助措施,使满足新奥法施工的要求? 但如此形成的支护体系,也不是绝对安全的,
33、在初期支护完成之后,初期支护仍可能出现较大的变形,于是就产生了第二个问题,对于第二个问题,为了避免它的出现,一是做好预防,二是采取加强支护措施,为此,我们认为,应做好如下几点:(1)增强支护体系的科学性,尽量使之符合相应的地质条件。(2)提高对围岩类别判断的准确性,应对掌子面地质情况进行详细的观察、记录,和科学分析,科学判断是科学决策的前提,准确的判断为确定正确的支护体系提供依据。(3)坚持决策的果断性,特别是对工期要求紧的隧道,人们总希望多进尺,抢进度,发现掌子面石质变差时,多存在侥幸心理,寄希望于下一循环石质突然变好,这样往往造成非常严重的后果塌方,发现石质不好时,必须立即加强支护,这种决
34、策必须果断,否则后患无穷,要树立想方设法避免塌方的思想,应坚信慢总比停好这一隧道施工的真理。(4)保证施工质量,要坚决按照设计要求进行施工,保证施工质量是一切工作的前提。我们认为以上四点是避免初期支护出现大变形的主要措施,但事物的发展不总是按人们的意志为转移的,大变形的情况还是会出现的,出现了这种情况,那就只有进行补强支护,对于隧道施工来说,这种加强支护有一个限制,即衬砌净空的限制,一般这种情况都发生在开挖结束,初期支护做完之后,这时,已没有足够的净空让我们来采取一般的加强支护(如型钢、喷混凝土、钢筋网支护等)。通过大峪隧道BK370-382大变形地段的处理,我们认为发生这种情况后,为防止变形
35、的进一上增大,防止塌方发生,首先应立即利用钢性支撑,对围岩进行支撑,制止围岩变形的进一步增大(如增加圆木立柱钢轨排架支撑等)。在临时抑止住围岩变形后,第二步采取锚杆注浆的方法对围岩进行加固处理,并加强围岩变形观测,在注浆固结到一定程度后,再陆续将钢性支撑拆除,同时清除侵限部分,二次施做相应的支护体系(如钢管拱,钢筋网,喷混凝土等),并通过变形观测确定围岩和支护的稳定性,我们认为,如此处理初期支护大变形段方案是可行的。如何经济而有效的做好初期支护,既是一个理论问题,也是一个经验问题,保证围岩稳定是初期支护的主要目的。在隧道施工当中,初期支护一定要按照设计科学组织施工,坚持一次到位,尽量避免出现大
36、的变形,以免给施工带来极大地不利,特殊地段的变形观测是判定围岩稳定与否的唯一手段,对特殊地段的变形观测必须高度重视。总之,通过大峪隧道围岩量测实践,使我们对围岩量测技术有了更加深刻的认识,对于围岩量测技术在隧道施工中的应用积累了一些经验,我们认为利用围岩量测技术指导隧道施工是科学的是切实可行的,围岩量测技术在隧道施工中具有十分广阔的应用前景。2围岩量测目的及要求围岩量测进行现场监控量测是新奥法施工的核心技术之一,通过施工现场监测可以掌握围岩和支护在施工中的力学动态及稳定程度,保障施工安全,为评价和修改支护参数以及确定二衬混凝土施作时间提供信息依据。围岩现场量测必须满足下列要求:2.1尽快埋设测
37、点。隧道在开挖过程中,围岩应力场、位移场的变化与开挖作业面的空间位置有很大关系,所以要求测点埋设紧靠开挖作业面,以减少对施工的干扰。第一次量测宜在埋设测点后立即进行。2.2进行一次量测的时间要短。2.3量测的数据要求直观、正确、可靠。2.4量测的仪器要有足够的精度。2.5信息反馈必须及时、全面,否则会影响施工,不要因漏掉重要信息而造成严重后果。3量测3量测3.1洞内观察隧道在开挖后要进行地质观察,在支护完成后对已支护地段也要进行观察。对观察的结果进行分析:对危险性不大,不会发生急剧破坏,可加临时支护进行稳定的情况,应当引起注意,如拱顶混凝土喷层因受弯曲压缩的影响而出现的裂隙。危险征兆的破坏,如
38、拱顶混凝土喷层出现有对称性的局部崩落、侧墙内移等。3.4周边位移周边位移量测主要量测两侧边墙收敛值。布设测点如下:在类围岩中,每隔50 m布置一个断面;、类围岩每隔20 m布设一个断面。每个断面布置3对测点,在楔形体范围内大致布置于上中下,每组两个测点保持在水平位置上。4量测数据的处理由于量测仪器存在误差,以及外界环境的影响,加之操作时人为因素,每次量测所得的数据都存在误差,造成离散性,按实测数据所绘制的位移随时间的变化的散点图为上下波动的,实测值需经过一定的数学处理才能应用,因此通常要进行数学上的回归分析。目前一般都采用隧道净空变化值(收敛值)作为信息反馈值。收敛值指隧道周边两测点连线方向上
39、的相对位移值,所以必须把它换算成两测点的绝对位移值,换算的方法按几何关系有:(ui-uj)cosAij+(vi-vj)sinAij=Dij,式中:ui,uj,vi,vjij两测点绝对位移的水平和垂直分量;Aij联线与水平方向夹角,按逆时针方向为正;D基线ij方向的收敛值。采用一元非线性回归方程。指数方程:u=a(1-e-bt),当量测时间t1=t2时,则解得回归系数a=u1/(2u1-u2),b=1/tlnu1/(u2-u1);当量测时间t2=2t1,则用拉格朗日插值方程求解2t1时的量测值u,然后再用两倍时差求解a、b值。u=(t3-2t1)u2+(2t1-t2)u3/(t3-t2)。得出回
40、归方程后,可以绘出位移时间曲线,得出某一时刻位移速率,从位移时间形态、位移速率与某临界值相比较,确定采用何种支护结构及支护结构施作时间。5围岩稳定性判别标准位移时间曲线的形态,根据岩体的流变特性,岩体破坏前的变形曲线分成三个区段(见图1)。6认识和体会量测技术在老鸦峡2号隧道施工中的正确应用,使量测反馈的信息正确地指导了隧道施工,使项目部顺利通过洞口采空区段及大卵石砂土填充且无胶结的类围岩段,保证了在相当复杂的软弱围岩地质情况下的施工没有发生一起塌方事故,对隧道的安全质量进度提供了坚实的基础和有利的保障。通过老鸦峡2号隧道的围岩量测,深刻体会到对于隧道施工尤其是软弱围岩的施工,一定要重视隧道量
41、测技术,深刻认识到量测技术的重大意义,它是安全、质量、进度和效益的保障。五 通渝隧道围岩收敛位移量测实践*摘要:通渝隧道地质条件复杂,集涌水、岩爆、塑性变形、高地应力于一身,是典型的复杂条件下的长大公路隧道。在施工过程中,严格进行了新奥法监控量测指导施工,特别是围岩收敛量测,并及时将量测散点的数据进行回归处理,将得出的信息反馈于施工,以了解隧道开挖后围岩的稳定情况以便采取相应的支护措施。重点介绍了通渝隧道围岩收敛量测的方法及其数据回归分析的原理,并对量测结果进行了统计,结果表明通渝隧道一般在开挖后35 d左右或围岩的当日变形速率小于0. 1mm/d起,隧道围岩变形即进入基本稳定期,并且当围岩变
42、形都达到最终变形的80%以上,可进行二次衬砌,即二衬的合理时机为开挖后35 d左右,从而加快了施工进度,为类似工程提供重要的参考依据。隧道围岩收敛量测是判断围岩动态的最主要的量测项目,特别是在垂直岩层时,内空收敛位移量测具有非常重要的意义,其量测设备简单、操作方便,对围岩动态监测的效果也很好1。2隧道围岩收敛位移量测2. 1监控量测的目的隧道围岩监控量测是监视围岩是否安全稳定的手段,它始终伴随着施工的全过程,是新奥法构筑隧道的非常重要的一环2。其目的: 1)量测收敛位移可为判断隧道围岩的稳定性提供可靠的信息。2)根据围岩变形速率判断隧道围岩的稳定程度为2次衬砌提供合理的支护时机。3)指导现场设
43、计与施工。4)量测数据经过必要的分析处理后,可以对围岩的稳定趋势加以预测或判断,反馈给施工方可以确保施工的安全与隧道的稳定。2. 2使用仪器量测隧道围岩收敛的仪器多采用收敛计,目前多采用中铁西南科学研究院研制的SWJ-IV内空收敛计,它是一种量测两点间距离或距离变化的仪器,具有重量轻、体积小、采用LED照明等特点,其外形如图2所示。2. 3测点布置量测断面测点布置的形式如图3所示。2. 4量测频率3量测数据处理量测数据由于偶然误差的影响具有离散性,实测数据绘制的变形随时间而变化的散点图出现波动,难以据此进行分析,必须应用数学方法对量得的围岩收敛数据进行回归分析,找出隧道围岩随时间变化的规律3。
44、一般选用3种函数u=tA+u=Ae-Bt及u=A(e-Bt0/2-e-Bt)对其围岩收敛值回归,并选择精度最高的作为其回归方程。由于函数存在的某些特性,在有些场合下用以作为围敛位移量测数据的回归函数是有欠缺的。因此根化法的基本原理,采用一种适用于一般非线性函归分析的最小二乘迭代法。根据最小二乘迭代法计算方法,自行采用VAL BASIC语言编写隧道围岩收敛位移量测数据软件,使用非常方便,可以自动生成Word文档。4数据处理工程实例4. 1数据回归分析4. 2根据最终变位量修改开挖断面尺寸4. 3根据围岩收敛位移速率预报险情4. 4根据围岩收敛速率确定2次衬砌构筑时机4. 5结果统计通渝隧道新奥法
45、监控量测经现场实测与数据回归分析后可得出如下结论:1) 围岩收敛位移量测能较好地跟踪监测隧道围岩变形过程,2条测线1条垂直线、1条水平线能直观地反映隧道主要部位变形的特征。2)对同一类测线,类围岩的变形量最大,类围岩次之,类围岩的变形量最小,表明了围岩类别越低,变形量相对较大的规律。3)隧道围岩的位移收敛变形呈现一定规律,而、类围岩的变形符合负指数函数方程,而类围岩的变形则符合双曲线函数方程。4)隧道围岩收敛一般经过3个阶段,第1阶段为急剧变形期,第2阶段为缓慢变形期,第3阶段为基本稳定期,通过对通渝隧道监控量测所得原始资料进行处理,经回归分析统计后,得到各类围岩变形3个阶段的时间取值范围如表
46、2所列,说明通渝隧道量测时间以4050 d为宜。5结论隧道围岩收敛位移量测是监控量测的重要项目,其可以明显的体现围岩变形情况,也是判断围岩动态的最重要的量测项目。围岩收敛的位移数据通过回归分析可以预测最终变形量是否超出容许变形量的范围而影响隧道的净空尺寸,又可以判断围岩是否出现失稳状态,以便采取相应的措施保证隧道断面轮廓和围岩的稳定。在通渝隧道的施工中,监控量测工作始终与施工进度相配合,通过量测及时预报了个别围岩失稳的趋势,为确定2次衬砌施工时机提供了可靠的科学依据,为安全施工提供了有利的保障。六 铁路隧道围岩量测方法摘要 为了准确了解隧道开挖后围岩变化情况，防止隧道塌方，为施工安全做出预警，
47、围岩量测是隧道施工工序中一项必不可少的环节，是隧道安全贯通的重要保障。本文对襄渝线烟蹬坡隧道围岩量测的使用方法进行了分析。2量测的内容及频率3测点的布设形式及实测方法周边收敛测量是监控两个测点所组成的一条基线的相对位移值，它是隧道开挖所引起围岩变形最直观的表现。拱顶下沉量测测点布设在拱顶与隧道轴线的交线上，每个断面拱顶下沉测点只埋设一个，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。另外在浅埋（埋深30m）地段按铁路隧道监控量测技术规程要求，增设浅埋隧道地表沉降观测，根据洞内、洞外的下沉量指导开挖，通常情况下，浅埋隧道的拱顶下沉及地表下沉是判断围岩是否稳定的重要标志。拱顶下沉会向上传至地表，地表点