野三關(guān)隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)

郭晉平

1 工程概況

野三關(guān)隧道位于巴東縣野三關(guān)鎮(zhèn)碗口河和支井河之間,全長13.841km,為宜萬鐵路全線最長的隧道。野三關(guān)隧道進口位于白家坡二溪河一小溪溝陡崖,隧道出口位于支井河邊,洞身最大埋深684 m,縱斷面為人字坡。隧道穿越二溪河、苦桃溪深切河谷底部,地質(zhì)條件異常復(fù)雜。

野三關(guān)隧道進口段Ⅰ線隧道設(shè)計里程為DK116+205～DK123+123.5,隧道全長為6920.5 m。隧道DK116+205～DK117+740位于半徑為1600 m的曲線上,其余地段位于直線上;隧道進口DK116+205～DK116+374段為燕尾式隧道及小間距隧道,其余段為雙洞單線隧道。

野三關(guān)隧道進口段Ⅱ線隧道為原設(shè)計預(yù)留二線的平導(dǎo)擴建而成,設(shè)計里程為ⅡDK116+204.325～ ⅡDK123+106.35,隧道全長為 6902.025 m。隧道ⅡDK116+204.325～ ⅡDK117+706.95位于半徑為1600 m的曲線上,其余地段位于直線上;隧道進口DK116+204.325～DK116+372.28段為燕尾式隧道及小間距隧道(同一線施工完畢),其余段為雙洞單線隧道。

結(jié)合圍巖特征和水文地質(zhì)條件,本段隧道按照新奧法的原理設(shè)計施工。單線隧道Ⅱ,Ⅲ級圍巖采用全斷面施工,Ⅳ,Ⅴ級圍巖采用臺階法施工,進口燕尾式雙聯(lián)拱隧道采用中洞法施工。隧道開挖采用光面爆破,嚴格控制超挖、欠挖,加強監(jiān)測,及時處理分析數(shù)據(jù),調(diào)整支護參數(shù)。初期支護噴射混凝土設(shè)計濕噴工藝。對洞口淺埋、偏壓段采用地表預(yù)加固或反壓回填等方法處理。隧道施工前先做好排水設(shè)施,清除虛方,然后進行隧道開挖。洞口施工盡量避開雨季。

2 施工監(jiān)控量測斷面埋設(shè)情況

現(xiàn)場監(jiān)控量測是新奧法復(fù)合式襯砌設(shè)計,施工的核心技術(shù)之一,也是隧道成敗的關(guān)鍵。由于隧道勘察工作的局限,隧道的地質(zhì)條件難以準確查明。施工時地質(zhì)條件是多變的,施工時圍巖監(jiān)控量測實行“地質(zhì)監(jiān)控、安全檢查監(jiān)控、變形量測監(jiān)控”三步并行的方法。

野三關(guān)隧道進口連拱隧道,設(shè)計、施工難度大,也是宜萬鐵路最為復(fù)雜的隧道工程之一,為按時、優(yōu)質(zhì)、高效地完成該工程,有必要對野三關(guān)隧道施工進行全過程監(jiān)控。

根據(jù)野三關(guān)隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)的受力特點,為滿足施工量測數(shù)據(jù)采集和保證施工安全,現(xiàn)場監(jiān)控量測項目分為3種量測斷面,分別為A型、B型、地表沉降量測斷面。

A型量測斷面:適用于隧道Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ類圍巖及洞口段、偏壓段。具體量測項目包括圍巖地質(zhì)與支護描述、周邊收斂、拱頂下沉及地表沉降、圍巖內(nèi)部多點位移、錨桿軸力、圍巖與噴射混凝土接觸壓力、初期支護鋼支撐應(yīng)力、初期支護噴射混凝土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變、二次襯砌與初期支護噴射混凝土接觸壓力、二次襯砌混凝土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變。

B型量測斷面:適用于隧道Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ類圍巖段。具體量測項目包括洞內(nèi)地質(zhì)與支護觀察、凈空變位及拱頂下沉、地表沉降、圍巖與噴射混凝土接觸壓力、初期支護鋼支撐應(yīng)力、圍巖內(nèi)部多點位移、錨桿軸力、初期支護噴射混凝土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變、二次襯砌與初期支護噴射混凝土接觸壓力、二次襯砌混凝土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變。

地表沉降量測斷面:適用于隧道洞口地表沉降量測。

根據(jù)野三關(guān)隧道施工監(jiān)控量測計劃,中鐵隧道股份有限公司共埋設(shè)9個量測斷面,其中A型斷面 4個,B型斷面3個,地表沉降量測斷面2個。

3 數(shù)據(jù)采集

要求現(xiàn)場工作人員必須按規(guī)范和監(jiān)控量測計劃規(guī)定的頻率堅持每天到洞內(nèi)采集數(shù)據(jù),將采集的數(shù)據(jù)及時處理,如果發(fā)現(xiàn)量測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,則應(yīng)立即分析引起變化的原因,同時增加量測頻率,使問題能得到及時有效的處理。

4 施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

4.1 DK116+300斷面監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

DK116+300斷面為A型監(jiān)控量測斷面,以灰色～褐色凝灰熔巖為主,巖體呈塊狀結(jié)構(gòu),為Ⅱ類圍巖,斷面埋設(shè)于2005年8月31日,并按量測要求及相關(guān)規(guī)定進行了量測。

1)周邊收斂:一線測點在量測的第4天即遭破壞,二線也同時受到影響,但其隨后的歷時曲線漸趨平穩(wěn),表明圍巖和支護已基本穩(wěn)定。2)拱頂下沉:拱頂?shù)南鲁亮炕緸榱?左、右拱腰處下沉量最大。歷時10 d后,拱頂下沉逐漸穩(wěn)定;20 d后,拱頂下沉速率小于1mm/d。3)錨桿軸力:各處的大部分測點的錨桿軸力均很小,壓力為主,在4 kN以內(nèi)。拱部部分測點表現(xiàn)為拉力,最大為2 kN。4)圍巖內(nèi)部位移:各測點穩(wěn)定后的位移值主要集中在一線以內(nèi),移動方向以向著隧道凈空方向為主,左拱腰處相對最大,各測點歷時曲線平緩,表明其變形已十分穩(wěn)定。5)噴射混凝土內(nèi)部應(yīng)力:歷時曲線及相互大小關(guān)系基本和圍巖與噴混凝土的接觸壓力類似,最大拉應(yīng)力位于拱頂,達 12.6MPa。以上兩項量測數(shù)據(jù)說明若噴混凝土與圍巖的密貼性不夠好,容易導(dǎo)致混凝土剝離掉塊。6)圍巖與噴射混凝土接觸壓力:拱頂處接觸壓力最大,約0.126MPa,左拱腰處最小,約0.02MPa。7)鋼支撐內(nèi)力:邊墻處基本不受力,其余各處均為拉應(yīng)力,以拱頂與左拱腰處最大,達25 kN左右,各測點受力均已穩(wěn)定。8)噴混凝土與二襯接觸壓力:拱部三測點的接觸壓力均較小,最大僅為0.05MPa左右;側(cè)墻接觸壓力相對比拱部明顯,最大值出現(xiàn)于左側(cè)墻的測點,達0.15MPa。這反映洞口淺埋段側(cè)壓的特點。但所有5個測點的變化曲線在7 d后都十分平緩。9)二襯內(nèi)部應(yīng)力:初始量測時,各測點的二襯內(nèi)部應(yīng)力變化曲線存在一定程度的波動,但其后內(nèi)部應(yīng)力值均較小。

綜上所述,本斷面位于進口Ⅱ類圍巖段,節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖內(nèi)部應(yīng)力及變形不大,初支與二襯的受力程度較輕,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,所采用支護結(jié)構(gòu)的強度和剛度是合理有效的。

本斷面歷時1個月左右,各測試項目的位移速率基本平穩(wěn),表明圍巖基本穩(wěn)定,根據(jù)《鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定,可以施作二次襯砌,以形成完整的復(fù)合防護體系。

4.2 DK116+206點地表沉降觀測分析

DK116+206點主要對該隧道進口的地表沉降進行監(jiān)測,2005年9月28日～2005年12月8日,歷時70 d共觀測30次,取得實測數(shù)據(jù)約600個,8個測點的沉降值均不大,在8mm以內(nèi),總體變化趨勢平緩。在隧道剛開挖時,測點的地表沉降曲線出現(xiàn)一定波動,但隨掌子面與量測斷面的距離越來越遠,圍巖的二次重分布應(yīng)力逐漸調(diào)整平衡,使得該斷面的地表沉降再次漸趨穩(wěn)定。這說明,盡管隧道開挖對地表沉降有一定影響,但只要支護及時,采取措施得力,本段落的地表不會產(chǎn)生明顯的沉降。

4.3 監(jiān)控量測結(jié)論

由于連拱隧道結(jié)構(gòu)的特殊性,以及洞門處于偏壓段,而造成部分段落受力變形的不對稱性,尤其是左、右拱腰區(qū)域的圍巖應(yīng)力集中,容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞變形,部分段落拱部圍巖自穩(wěn)能力不強,施工中及時采取了有效措施,保證結(jié)構(gòu)的安全。在施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果的指導(dǎo)下,洞口段已安全貫通,各監(jiān)測斷面受力變形基本穩(wěn)定,隧道已安全通過各段落。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,可以進行襯砌施工,以形成完整的復(fù)合支護體系,增強隧道結(jié)構(gòu)的安全度。

5 結(jié)語

野三關(guān)隧道的施工監(jiān)控量測工作與工程設(shè)計及施工緊密結(jié)合,通過現(xiàn)場實測、數(shù)據(jù)分析處理及信息反饋等手段,實現(xiàn)了信息化施工。在監(jiān)控量測工作的正確指導(dǎo)下,野三關(guān)隧道施工克服了偏壓、地質(zhì)破碎等困難,按時、優(yōu)質(zhì)、高效地完成了施工任務(wù)。

[1] 王國梁.高速公路隧道施工監(jiān)控量測[J].山西建筑,2009,35(31):320-321.