鄭西客運(yùn)專線秦東隧道1號斜井正洞施工監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用

劉 杰

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南 714000)

1 工程概況

新建鐵路鄭州至西安客運(yùn)專線是國務(wù)院批準(zhǔn)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“四縱四橫”客運(yùn)專線之一的徐州至蘭州客運(yùn)專線的組成部分,線路全長484.5 km。秦東隧道是鄭西鐵路客運(yùn)專線三大重點(diǎn)隧道之一,位于陜西省潼關(guān)縣境內(nèi),隧道進(jìn)口位于陜豫兩省交界處的楊家村坡地下,距連霍高速公路約100 m,出口位于潼洛溝內(nèi),起訖里程DK333+312～DK340+996,全長7 684 m,是鄭西客運(yùn)專線進(jìn)入陜西第一座長大隧道,設(shè)計(jì)為雙線大斷面黃土隧道,最大開挖斷面面積163.81 m2。

隧道所經(jīng)區(qū)域主要為黃土臺塬區(qū),塬頂平坦,開闊,整體上南高北低,塬頂?shù)孛娓叱淘?50～580 m。塬區(qū)周邊沖溝發(fā)育,切割深度100～200 m。大型沖溝有遠(yuǎn)望溝,溝底寬度約3～5 m,溝心與線路夾角135°,溝呈“V”形,兩側(cè)坡面較陡,坡面小型淺層高角度滑坡、錯(cuò)落發(fā)育,多有坍塌發(fā)生。

秦東隧道圍巖以砂質(zhì)黃土和粉質(zhì)黏土為主,其中Ⅳ級圍巖段長7 300 m。為滿足秦東隧道施工需要,設(shè)計(jì)3座斜井作為輔助坑道,其中1號斜井作為臨時(shí)通道,長992 m。1號斜井管段正洞起訖里程DK334+300～DK336+141,全長1 841 m。

2 監(jiān)控量測方案

在黃土隧道施工中,由于黃土具有本體強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差、受水影響強(qiáng)烈、圍巖變形顯著等特點(diǎn),因而監(jiān)控量測對于該類隧道的施工安全尤為重要。根據(jù)秦東隧道1號斜井采用弧形導(dǎo)坑三臺階法分部開挖的施工特點(diǎn),結(jié)合操作人員的技術(shù)水平、習(xí)慣等在現(xiàn)場主要采用了常規(guī)量測法和無尺量測法,其施工監(jiān)控量測流程見圖1。

圖1 施工監(jiān)控量測流程

2.1 施工監(jiān)測目的

現(xiàn)場監(jiān)控量測是“新奧法”設(shè)計(jì)施工的重要組成部分,施工須根據(jù)監(jiān)控量測情況實(shí)行動(dòng)態(tài)控制。

(1)通過監(jiān)控量測了解各施工階段地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化,判斷圍巖的穩(wěn)定性，支護(hù)、襯砌的可靠性。

(2)用現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果彌補(bǔ)理論分析過程中存在的不足,并把監(jiān)測結(jié)果反饋設(shè)計(jì),指導(dǎo)施工,為修改施工方法,調(diào)整圍巖級別、修正支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)。

(3)通過監(jiān)控量測對施工中可能出現(xiàn)的事故和險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)報(bào),以便及時(shí)采取措施,防患于未然,確保支護(hù)體系的穩(wěn)定及施工人員的安全。

(4)通過監(jiān)控量測,判斷初期支護(hù)穩(wěn)定性,確定二次襯砌合理的施做時(shí)間。

(5)通過監(jiān)控量測了解該工程條件下所表現(xiàn)、反映出來的一些地下工程規(guī)律和特點(diǎn),為今后類似工程或該施工方法本身的發(fā)展提供借鑒、依據(jù)和指導(dǎo)作用。

2.2 監(jiān)控量測實(shí)施原則

監(jiān)控與改進(jìn)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工相結(jié)合,以監(jiān)控工程安全為主。監(jiān)測將側(cè)重地質(zhì)條件差、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜及工程薄弱環(huán)節(jié)等重點(diǎn)部位,并將各監(jiān)測項(xiàng)目的測點(diǎn)(線)布設(shè)在該部位,設(shè)置成重點(diǎn)監(jiān)測斷面。

將重點(diǎn)監(jiān)測斷面與一般監(jiān)測斷面、臨時(shí)監(jiān)測斷面相結(jié)合,以重點(diǎn)監(jiān)測斷面為主。使用穩(wěn)定、可靠、新型、先進(jìn)的觀測儀器設(shè)備。

所選擇的監(jiān)測項(xiàng)目應(yīng)具有代表性和可信性,獲得的觀測資料能夠滿足反饋施工設(shè)施、綜合評價(jià)工程的工作狀態(tài)、預(yù)報(bào)和控制工程安全等要求。

2.3 監(jiān)控量測項(xiàng)目

根據(jù)本項(xiàng)目的工程規(guī)模、地質(zhì)條件、隧道埋深、開挖方法、設(shè)計(jì)要求等,擬訂監(jiān)控量測必測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目,具體內(nèi)容見表1～表3。

表1 監(jiān)控量測必測項(xiàng)目

表2 監(jiān)控量測選測項(xiàng)目

表3 必測項(xiàng)目量測斷面間距和每斷面測點(diǎn)數(shù)量

2.4 監(jiān)控量測方法及要求

(1)洞內(nèi)、外觀測

洞內(nèi)觀察分為開挖工作面觀察和已施工地段觀察兩部分。

開挖工作面觀察應(yīng)在每次開挖后進(jìn)行,觀察中發(fā)現(xiàn)圍巖條件惡化時(shí),應(yīng)立即采取相應(yīng)處理措施；觀察后應(yīng)及時(shí)繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖、填寫開挖工作面地質(zhì)狀態(tài)記錄表和施工階段圍巖級別判定卡。

對已施工地段的觀察每天至少應(yīng)進(jìn)行1次,主要觀察噴射混凝土是否發(fā)生裂隙和剝離現(xiàn)象,錨桿的受力變形情況,鋼架是否受壓變形等。

洞外觀察包括地表開裂、地表沉陷、邊坡及仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲透情況等。

(2)水平凈空收斂量測

采用JSS30A或其他類型收斂計(jì)監(jiān)測。初期支護(hù)施做后,用煤礦螺旋鉆鑿φ40 mm、深700 mm的孔(其中伸入土體300 mm,外露不小于50 mm),用1∶1砂漿填滿再插入φ22 mm螺紋鋼端頭焊接掛鉤,盡量使同一基線兩測點(diǎn)的固定方向在同一直線上,待砂漿凝固后即可進(jìn)行量測工作。

水平凈空收斂量測初讀數(shù)宜在3～6 h內(nèi)完成,測點(diǎn)應(yīng)牢固可靠,并注意保護(hù)。

(3)拱頂下沉量測

拱頂下沉測點(diǎn)應(yīng)盡量和水平凈空收斂點(diǎn)在同一斷面,每個(gè)斷面在拱頂布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)用煤礦螺旋鉆打眼,埋設(shè)固定桿,并在外露桿頭設(shè)掛鉤。

拱頂下沉量測初讀數(shù)宜在3～6 h內(nèi)完成,測點(diǎn)應(yīng)牢固可靠,支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)要注意保護(hù)觀測點(diǎn),一旦發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)被埋或損毀,要盡快重新布設(shè)以保證量測數(shù)據(jù)不中斷,量測基點(diǎn)應(yīng)與洞內(nèi)外水準(zhǔn)基點(diǎn)建立聯(lián)系。

(4)地表下沉量測

隧道淺埋地段地表下沉量測應(yīng)與洞內(nèi)凈空變化和拱頂下沉在同一橫斷面內(nèi)。當(dāng)?shù)乇碛薪ㄖ飼r(shí),應(yīng)在建筑物周圍增設(shè)地表下沉觀測點(diǎn)。

橫斷面方向應(yīng)在隧道中線兩側(cè)每隔2～5 m布設(shè)地表下沉測點(diǎn),每個(gè)斷面設(shè)7～11個(gè)點(diǎn),監(jiān)測范圍應(yīng)在隧道開挖影響范圍以內(nèi)。測點(diǎn)采用φ22 mm螺紋鋼,深入圍巖60～80 cm,外露5 cm,表面磨平并在表面打眼作標(biāo)記。

地表下沉量測應(yīng)在開挖工作面前方,隧道埋深及隧道開挖高度之和處開始,直到二次襯砌結(jié)構(gòu)封閉、下沉基本停止時(shí)為止。

地表下沉量測頻率應(yīng)與拱頂下沉和凈空變化的量測頻率相同。地表下沉安全判定值以建筑物不出現(xiàn)裂縫為臨界值,根據(jù)鄭西客運(yùn)專線[2006]169號文件通知暫以30 mm為限。

2.5 監(jiān)控量測斷面布置

秦東隧道1號斜井正洞施工監(jiān)控量測斷面布置及點(diǎn)位埋設(shè)方法,依據(jù)不同的施工監(jiān)控量測項(xiàng)目分別采取下列測點(diǎn)布置方式。

(1)水平收斂與拱頂下沉量測：Ⅳ級圍巖埋深較淺、含水量較大地段或第一次進(jìn)入Ⅳ級圍巖地段,每10 m為一量測斷面；Ⅳ級圍巖一般地段,每20 m為一量測斷面,參見圖2。

圖2 弧形導(dǎo)坑三臺階法必測項(xiàng)目測點(diǎn)布置示意(單位：m)

(2)應(yīng)力應(yīng)變觀測：應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)布置2個(gè)斷面(DK335+420、DK335+490),應(yīng)力、應(yīng)變元件布置參見圖3、圖4。

圖3 圍巖壓力元件布置

圖4 弧形導(dǎo)坑法鋼架應(yīng)變測點(diǎn)布置示意

(3)地表下沉測量：在開挖工作面前方,隧道埋深及隧道開挖高度之和處開始埋設(shè),地表沉降觀測斷面布設(shè)與洞內(nèi)量測斷面對應(yīng)布設(shè),參見圖5。

圖5 地表及地中位移測點(diǎn)布置示意(單位：m)

3 量測數(shù)據(jù)的處理

3.1 數(shù)據(jù)處理要求

(1)每次量測后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并繪制量測時(shí)態(tài)曲線和與開挖面的關(guān)系圖。

(2)對初期的時(shí)態(tài)曲線應(yīng)進(jìn)行回歸分析,預(yù)測可能出現(xiàn)的最大值和變化速度。

(3)數(shù)據(jù)異常時(shí),應(yīng)及時(shí)上報(bào)工程部及監(jiān)理,以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

量測數(shù)據(jù)的整理采用計(jì)算機(jī)管理,用Excel軟件及其他專用軟件對各種量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 1號斜井進(jìn)入正洞施工中監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的應(yīng)用

4.1 利用量測信息,及時(shí)調(diào)整施工方案

1號斜井進(jìn)入正洞后,按照弧形導(dǎo)坑三臺階法施工,設(shè)計(jì)初支預(yù)留沉降量為10 cm。當(dāng)施工到23 m(里程DK335+450～DK335+473)時(shí),量測發(fā)現(xiàn)拱頂在8～10 h之內(nèi)下沉了7～10 cm,最大累計(jì)下沉量達(dá)323 mm,此時(shí)初支表面出現(xiàn)裂紋,鎖腳錨管被拉開,經(jīng)研究立即停止了開挖施工并加強(qiáng)量測工作,及時(shí)對已開挖段采用扇形支撐臨時(shí)支護(hù)、增設(shè)鎖腳錨管予以加強(qiáng)。

(1)原因分析

經(jīng)過詳細(xì)地調(diào)查分析,最終確認(rèn)下列主要原因：①大拱腳深度不夠；②型鋼腳板角度由設(shè)計(jì)的斜角變?yōu)槠浇?；③安裝上部型鋼時(shí)腳板下未墊密實(shí)；④鋼架加工時(shí)預(yù)留沉降量??；⑤圍巖含水量過大；⑥噴射混凝土前鋼筋網(wǎng)片內(nèi)土塊未清理干凈；⑦型鋼未及時(shí)成環(huán)。

(2)調(diào)整支護(hù)參數(shù)及措施

根據(jù)上述主要原因及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù),在加強(qiáng)量測監(jiān)控的基礎(chǔ)上制定了嚴(yán)密措施：①將大拱腳由活動(dòng)前的80 cm增加到120 cm；將大墻腳由活動(dòng)前的50 cm增加到80 cm；②將型鋼腳板由活動(dòng)前的傾斜角優(yōu)化為水平角；提高型鋼加工精度,現(xiàn)場安裝時(shí)應(yīng)用螺栓將上下腳板連接牢固；③現(xiàn)場根據(jù)型鋼高度,準(zhǔn)確開挖墊塊位置,嚴(yán)禁超挖。型鋼安裝后如果未墊密實(shí),應(yīng)加鋼板墊使型鋼腳板落在實(shí)處；含水量大于22%時(shí)在腳板下墊[25型鋼；④根據(jù)量測資料隨時(shí)調(diào)整型鋼預(yù)留沉降量,保證二襯斷面；⑤隨時(shí)測量圍巖含水量,含水量大于22%時(shí)在大拱腳處初支與圍巖接觸面處增設(shè)透水盲管,防止圍巖滲水浸泡型鋼腳板,使腳板下土體軟化；⑥噴混凝土前將鋼筋網(wǎng)片后的土塊清理干凈,并經(jīng)質(zhì)檢人員檢查合格后才可噴射混凝土；⑦仰拱開挖后及時(shí)安裝仰拱型鋼,使鋼架盡早成環(huán)；⑧保證開挖安全距離：仰拱距掌子面不超過30 m,仰拱距二襯不超過30 m。

(3)小結(jié)

圖6 弧形導(dǎo)坑三臺階法凈空位移時(shí)態(tài)曲線

1號斜井進(jìn)入正洞上臺階施工后,由于圍巖含水量比設(shè)計(jì)偏大,在初期支護(hù)表面沒有任何變形痕跡的情況下由監(jiān)控量測數(shù)據(jù)得出該段局部地段拱頂沉降達(dá)到了323 mm,情況萬分危急。施工單位根據(jù)量測結(jié)果果斷采取了緊急預(yù)案,暫停掌子面開挖,采用扇形支撐加固初期支護(hù)、增設(shè)鎖腳錨管等措施,控制了圍巖變形。如現(xiàn)場量測DK335+640里程處的凈空位移時(shí)態(tài)曲線,參見圖6。開挖施工期間未出現(xiàn)質(zhì)量安全事故,并且提高了施工進(jìn)度,保證了二襯厚度,確保了工程質(zhì)量,取得了良好的效果,避免了一次重大事故,節(jié)約的成本無法估量,并為以后的大斷面黃土隧道的施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

4.2 利用監(jiān)控量測結(jié)果,優(yōu)化工法的合理步距

1號斜井正洞富含水地段,屬于Ⅳ級圍巖,設(shè)計(jì)采用弧形導(dǎo)坑三臺階法施工。施工前,為有效控制圍巖變形,確定各步間的合理步長,建立三維有限元模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算：當(dāng)步長為20 m時(shí),開挖支護(hù)完成后隧道圍巖體水平位移最大值為12 cm,豎向位移最大值為15.4 cm；當(dāng)步長為30 m時(shí),隧道圍巖體水平位移最大值為17.2 cm,豎向位移最大值為18.4 cm。因此該段擬定仰拱距離開挖面30 m、二襯距離仰拱30 m的步長間距施工。參見圖7。

圖7 弧形導(dǎo)坑三臺階開挖施工示意(單位：m)

(1)本段圍巖變形情況分析

①含水量統(tǒng)計(jì)(表4)

表4 不同里程段含水量統(tǒng)計(jì)

②開挖、仰拱、二襯各步距與圍巖變形量的關(guān)系(表5)

表5 圍巖級別、隧道埋深、各工序步距與變形量的關(guān)系

(2)根據(jù)累計(jì)變形量確定各工序最佳步距

利用監(jiān)控量測結(jié)果,結(jié)合前述數(shù)值計(jì)算結(jié)論,再進(jìn)一步細(xì)化各工法的合理步距。通過對量測數(shù)據(jù)的分析,1號斜井正洞富水段粉質(zhì)黏土,含水量平均為26.6%,埋深在213～222 m,仰拱距離開挖面20 m、二襯距離仰拱20 m時(shí)累計(jì)變形量小于趨近于150 mm,滿足設(shè)計(jì)預(yù)留變形量150 mm的要求。因此在Ⅳ級圍巖富水段采用仰拱距離開挖20 m、二襯距離仰拱20 m的步長間距施工。

(3)施工方案動(dòng)態(tài)控制

1號斜井富含水地段,為了抑制圍巖的過大變形,除采取及時(shí)二次襯砌封閉成環(huán)外,還建議對初期支護(hù)進(jìn)行局部加強(qiáng),經(jīng)過設(shè)計(jì)院現(xiàn)場勘察后確定DK355+366～DK355+396采用Ⅳ級圍巖加強(qiáng)段初期支護(hù)參數(shù),DK355+396～DK355+516采用Ⅴ級圍巖初期支護(hù)參數(shù),DK355+516～DK355+543采用Ⅳ級圍巖加強(qiáng)段初期支護(hù)參數(shù),DK355+543～DK355+560采用Ⅴ級圍巖初期支護(hù)參數(shù)。確保了富含水地段的施工安全,也為后期隧道工后沉降不大于15 mm創(chuàng)造了條件。

(4)小結(jié)

Ⅳ級圍巖富水段,仰拱距離開挖面20 m、二襯距離仰拱20 m,累計(jì)變形量小于趨近于150 mm,滿足設(shè)計(jì)預(yù)留變形量150 mm的要求,是本段隧道施工的最佳步距選擇。Ⅳ級圍巖土的含水量≥25%時(shí),還需要對Ⅳ級圍巖設(shè)計(jì)初期支護(hù)進(jìn)行局部加強(qiáng)。

5 結(jié)語

量測是監(jiān)控的手段,監(jiān)控是量測的目的。在整個(gè)秦東隧道施工過程中堅(jiān)持信息化施工,始終把監(jiān)控量測作為控制隧道施工最主要的手段,所有施工方案都以量測結(jié)果作為是否可行的判斷標(biāo)準(zhǔn),確保了隧道施工快速、安全、優(yōu)質(zhì)和高效的實(shí)施。

大斷面鐵路客運(yùn)專線黃土隧道施工,必須本著結(jié)構(gòu)和圍巖共同作用的原則,嚴(yán)格貫徹“早預(yù)報(bào)、管超前、非爆破、短開挖、少擾動(dòng)、嚴(yán)治水、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測、緊襯砌”的方針組織施工；應(yīng)高度重視量測監(jiān)控在隧道信息化施工過程中的重要作用,施工中必須堅(jiān)持把量測作為一道關(guān)鍵施工工序納入工序循環(huán),正確利用監(jiān)測信息及時(shí)反饋和指導(dǎo)施工決策,為隧道工程的設(shè)計(jì)、施工和經(jīng)營管理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1]TZ214—2005,客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

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[3]唐 斌，劉旭全.鄭西客運(yùn)專線秦東隧道CRD法快速施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(S2).

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