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1、女娘山隧道监控量测及其应用孙振,杨军,焦长洲(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)【摘 要】结合新奥法施工特点,讨论在女娘山隧道施工过程中传统监控量测项目及超前地质预报的应用和分析结果,以及其工程作用。【关键词】新奥法;隧道施工;监控量测;地质雷达;应用【中图分类号】U45613【文献标识码】B 随着新奥法(NATM)在隧道施工中的广泛运用,作为新奥法的灵魂,现场监控量测也越来越得到了广泛的重视。现场监控量测是以现场施工监测所获得的围岩和支护系统力学状态的变化为依据,对现场所采集的数据结果进行及时的处理,以作为初期支护和二次衬砌的参数调整提供依据,在整个隧道的新奥法施工过程中起到了
2、极其重要的“眼睛”作用。新奥法作为一种全新的隧道施工概念,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。因此,快速、准确地进行现场监控量测和信息反馈是应用新奥法施工的关键。1 隧道工程概况 正在修建中的宜昌(长江大桥)至长阳(白氏坪)公路女娘山隧道,位于湖北省宜昌境内,为上、下行分离的隧道。施工单洞长784m,其中 类围岩26m,类围岩86m,类围岩672m。隧道按山区高速公路二车道标准进行设计
3、。两隧道轴线间距40m,开挖跨度11156m12142m。隧道砾岩段地质构造相对简单,岩层产状稳定,岩体完整,仅局部出现构造破碎带。而隧道出口段受天阳坪断裂影响,构造运动强烈,岩层陡倾(倾角70 80),发育为一系列的错动构造及岩性破碎带。该隧道地下水主要为基岩裂隙水及构造裂隙水两种类型。由于隧道设计高程高于地下水位,因此渗水和涌水规模不是很大。根据地质情况和施工经验,经认真研究确定以下施工方法:、类围岩段均采用正台阶法开挖,其中 类围岩可视具体情况预留核心土,类围岩采用全断面开挖。开挖采用光面爆破或预裂爆破技术。初期支护紧跟工作面,实施监控量测后,进行二次衬砌,再进行仰拱、仰拱回填砼,最后进
4、行隧道内调平层施工。2 监控量测的目的和意义 为掌握隧道在开挖过程中引起的地层变形、地表沉降和支护结构的力学状态,及时预报和预测施工过程中出现的各种情况,对可能出现的事故进行防范和及时准确的处理,女娘山隧道在施工过程中进行监控量测,超前地质预报等现代化信息施工措施。通过现场量测和超前地质预报,将获取的第一手实际量测数据资料进行处理,及时迅速地向施工方、监理方、设计方和业主提供资料分析结果,直接服务于隧道的施工。及时预报和预测施工过程中出现的各种情况,对可能出现的事故进行防范和及时准确的处理,防止了事故的发生。对本标段进行监控量测的主要目的为:掌握围岩的应力状态及围岩的位移,了解围岩的松弛范围。
5、了解支护结构的应力状态与围岩压力状态和分布,掌握支护参数和支护时间,确定较为有利的支护型式;对隧道围岩和衬砌应力场异常状态进行及时的预测预报。总之,对隧道施工进行监控量测使隧道的设计和施工运作纳入科学的动态的管理中,使隧道工程始终处于良好的运行状态,实现安全、合理和经济性等目标。3 监控量测的内容和实施 根据有关规范和设计施工图的要求和女娘山隧道施工的需要,将本次监控量测内容分为常规量测和地质预报两部分内容。311 常规监控量测31111 常规监控量测内容及目的表1 女娘山隧道必测监控量测项目表编号项 目 名 称目的及作用1地质及支护状况观察观察工作状态、围岩变形、围岩风化变质情况,节理裂隙、
6、断层分布和形状,地下水情况及喷射砼的效果2周边收敛量测量测隧道围岩周边位移,了解收敛状况,判断隧道的稳定性3拱顶下沉量测监视隧道拱顶下沉,了解断面的变形状态,判断隧道拱顶的稳定性4地表下沉量测根据地表下沉位移量判定隧道开挖对地表下沉的影响,以确定隧道支护结构5围岩位移及内部变形量测量测隧道围岩内部位移,了解围岩内部变形状态,判断隧道的稳定性收稿日期2004-02-27611 施工技术 四川建筑 第24卷5期 2004110根据以往既有的工程实践和相关规范,女娘山隧道的常规监控量测分为必测项目和选测项目。必测项目为日常施工管理必须进行的量测(如表1),而选测项目是为未开挖地段的设计及施工计划提供
7、数据而进行的量测项目(如表2)。表2 女娘山隧道选测监控量测项目表编号项 目 名 称目的及作用1锚杆轴力量测确定锚杆内部受力状态,判断锚杆布置的合理性。2围岩弹性波测试确定围岩松弛区的范围等,为判断围岩类别和确定锚喷支护参数提供依据。31112 常规监控量测结果应用对于隧道进口较差地质情况,结合施工进度的安排。主要进行了拱顶下沉、周边收敛和隧道围岩位移及内部变形的量测。在距洞口218m处设置1号测试面,历经4个月的监测,得到隧道周边位移收敛曲线如图1,隧道拱顶下沉量曲线如图2。图1 隧道周边收敛值 时间关系曲线图2 拱顶下沉 时间关系曲线位移监测结果表明,实测试验洞边增加相对变形为511mm,
8、拱座相对变形约为6.79mm,且围岩变形主要为瞬时释放,在施工工作面开挖至观测断面距离内未出现变形随时间延长而明显递增的现象,围岩的自承能力强。喷锚支护手段完全可以满足施工安全及结构稳定性的要求。由于8月为多雨季节,洞口位置出现了规模不大的滑坡,影响了围岩的稳定性,监测组针对这一现象及时提出了预报,从而避免了大的经济损失。312 超前地质预报女娘山隧道右洞开挖至里程YK13+695处围岩地质状况发生变化,左侧拱腰处出现线状涌水。11月15日,开挖至里程为YK13+682,围岩地质逐渐由钙质胶结转变为泥质胶结,同时围岩强度变弱,掌子面节理裂隙发育,有滴状渗水。针对该围岩地质状况,在11月15日下
9、午采用地质雷达对掌子面作地质超前预报工作。31211 超前地质预报内容及原理本次超前预报采用地质雷达,其方法原理如下:地质雷达是通过发射天线(T)紧贴掌子面岩体某一测点向内部岩体发射超高频电磁脉冲,电磁脉冲波在介质中传播时,遇到介质物性(r,)差异时发生波的反射与透射,反射波由接收天线(R)接受,通过接收电缆传输反射波信息到主机,并贮存每一个测点上波形序列的振幅及旅行时间,根据电磁波在介质中的传播时间、速度及反射波的振幅、频率等特征,即可确定测点处的岩体厚度及不良地质情况,当沿着布置的测线等间距的移动天线,即可获得一条测线的雷达剖面记录,通过对该剖面记录的分析与计算就可得到测线的地质信息。在雷
10、达探测过程中,电磁波被近似为均匀平面波,其传播速度(在高阻介质中主要取决于介质的相对介电常数r)为:V=C/(r)1/2(1)式中C=013m/s-9;r为介质的相对介电常数。电磁波在遇到介质界面时,其反射系数R为:R=(1)1/2-(2)1/2/(1)1/2+(2)1/2(2)由上式可知,电磁波的反射系数取决于介质的相对介电常数,介电常数差异越大,雷达波形越清晰,对本次超前预报而言,空隙中空气的相对介电常数为1,软弱夹层(粘土)的相对介电常数在914之间,水的相对介电常数为81,砾岩的相对介电常数在46之间,几者之间的相对介电常数差异较大,这为本次雷达方法作超前预报提供了较好的地球物理前提。
11、31212 超前地质预报结果应用通过现场的测试得到原始数据。经过RADAN 专用软件的数据处理,结合地质资料得到如下结论:(1)女娘山隧道YK13+682YK13+662段围岩整体性较差,属于不良地质地带,围岩类别为 类。(2)YK13+662YK13+632段围岩有所好转,围岩类别为 类偏弱。(3)建议在对 类围岩施工时,应采取必要的安全措施,及时支护。31213 超前地质预报结果评价物探资料推断的地质成果,均存在不(下转第119页)711 施工技术 四川建筑 第24卷5期 2004110精度。因此我们将视距控制在20m以内,使光点直径小于2mm。根据上述情况,我们指定了相应的控制点上移方案
12、,即在完成几个楼层以后,将固定控制点A、B上移,方法如图2示。将控制点投放至A1、B1后,置镜A1,后视B1,定出中轴线A1B1,沿中轴线距B11m处定出B2;置镜B1,后视A1,沿中轴线距A11m处定出A2,并检验A1、B1、A2、B2是否在同一轴线上,(A2、B2点位选择同前述原则)。无误后,用水泥浆把A2、B2固定在当前楼板上,并记录其坐标关系。这样就把固定控制点A、B引至当前楼层A2、B2上。在本楼施工中,共在0层、4层、9层、14层、19层5次埋设控制点,投射光点轨迹圆圈的半径始终控制在3mm以内。313 精度分析本楼施工采用的放样方法主要误差来源包括:在控制点架设仪器的对中误差;测
13、设极角的误差;量取极距的误差;将放样点位固定在地面的标定误差。下面讨论各项误差对放样点位精度的影响:(1)对中误差m偏对放样点位的影响。如图3,A为测站控制点,O为后视方向控制点。设仪器的对中真误差为e,它在两坐标轴方向上的分量为ex,ey。由于对中误差的存在,使放样点位p由正确位置移至p/(pp/e),得:m2偏=m2ex+s/cs/c+2cosm2ey式中:mex,mey分别为对中误差在x轴、y轴上的分量。s为测站点A至放样点P距离;c为测站点A至后视点O距离;为放样角度;(2)测角误差m对放样点位的影响m角=ms/(=206265秒/弧度)(3)量距误差对放样点位的影响(钢尺丈量)ms=
14、s(为钢尺单位长度误差)(4)地面标定误差综上所述,p点的中误差为:m2=m2ex+s/cs/c+2cosm2ey+ms/)2+(s)2+2由上式可知,P点离A点与O点越远,中误差m越大。所以由式s/c可知,后视点要远一些,且要特别注意后视方向的对中。从(4)式还可看出,如果量距精度较低,则对中误差影响可以忽略不记。4 实施效果 目前,该中心大楼已竣工。经专门从事高层建筑监测的权威部门 天津大学测量中心对该楼进行精密观测,在二十一层的几十个监测点中,单点误差 2mm,多个点位误差为 0mm,远小于规范的精度限度。因此,该测量方法对于高层建筑施工具有一定的参考和借鉴价值。参 考 文 献1 武汉测
15、绘科技大学测量平差教研室.测量平差基础M.北京:测绘出版社,1996.2 李青岳,陈永奇.工程测量学M.北京:测绘出版社,1995.3 何东方.高层建筑的垂直度测量J.四川测绘,1996(2),81-84.(上接第117页)同程度的误差,本次超前预报也不例外,其误差来源主要有以下几个方面:(1)掌子面凹凸不平,天线在移动、放置过程中会受影响。(2)在反演解释过程中,因岩性参数未经实地校测,所取电磁波速只是经验值,这是误差的主要来源。(3)雷达电磁波在深部衰减较快,因此深部解释结果精度偏低。(4)断层破碎带前后,有一定宽度的影响带,由于该区段的应力和岩性情况的变化,会对分析结果造成一定影响。4
16、结论与建议 由以上的监测数据可以得到以下结论:(1)在比较危险的隧道入口处的周边位移,拱顶及地表下沉量已成收敛趋势,日变形率012mm,说明所采用的支护方式是合理、安全的。(2)在里程为YK13+682处的地质情况突变地段,采用地质雷达进行的超前地质预报说明下一步施工提出的开挖方案和支护措施是合理的,这一点在其后的施工中得到了验证。(3)隧道开挖应尽量采用全断面开挖形式,开挖以后要及时完成初期支护的设计内容,保证围岩和初期支护的共同变形。(4)监控量测结果必须及时提供,滞后的监控量测资料对于指导施工是无用的。(5)根据现场监控量测的数据分析,所监控的隧道断面的围岩已呈现稳定和收敛趋势。参 考 文 献1 王建宇.隧道工程监测和信息化设计原理M.北京:中国铁道出版社,1990.2 关宝树.隧道力学概论M.成都:西南交通大学出版社,1993.3 夏才初,李永胜.地下工程测试理论与监测技术M.上海:同济大学出版社,1999.911 施工技术 四川建筑 第24卷5期 2004110