宜萬鐵路復雜巖溶隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測技術(shù)

尚海松,申志軍,薛 斌,汪 濤

(1.中鐵西南科學研究院有限公司,成都 610031;2.鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

1 項目概況

宜(昌)萬(州)鐵路全線約 70%的隧道位于灰?guī)r地區(qū),巖溶地層分布廣、地質(zhì)條件復雜,巖溶強烈發(fā)育,補給水源豐富,其主要表現(xiàn)為:連通暗河地段的構(gòu)造、大型富水溶腔、高壓裂隙水、大規(guī)模的空溶腔等,屬世界罕見。有關(guān)巖溶條件下的隧道修建技術(shù)研究成果,特別是在巖溶、富水、高壓條件下隧道修建技術(shù)的研究成果不多,可供借鑒的成熟經(jīng)驗也較少,同時在隧道修建過程中巖溶突水突泥風險程度、規(guī)模和工程處理難度也相當大,特別是在有高壓涌突水危險地段隧道進行了特殊工程處理措施,并采用了新型結(jié)構(gòu)形式,這些成果應用的可靠性還將經(jīng)受實際運營的考驗。我國目前對長大巖溶富水區(qū)修建的隧道施工后運營階段的圍巖及支護結(jié)構(gòu)受力的監(jiān)測極少,并對現(xiàn)有防排水情況下的水壓對襯砌結(jié)構(gòu)的長期影響研究也較少,針對巖溶這種特殊復雜地質(zhì)情況下采取的防排水系統(tǒng)在隧道運營中的狀態(tài)也是我們相當關(guān)注的問題。

根據(jù)中國工程院院士考察宜萬鐵路遂渝鐵路建設意見,通過對隧道施工及運營過程中的圍巖及支護結(jié)構(gòu)受力變化狀況的監(jiān)測,及時分析了解隧道結(jié)構(gòu)的受力特性,對隧道結(jié)構(gòu)安全狀況做出評估,為隧道的施工處理和運營維護提供決策依據(jù)。

2 監(jiān)測技術(shù)方案

針對宜萬鐵路復雜巖溶隧道特點,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,對宜萬鐵路齊岳山隧道 F11高壓富水斷層段(平導和正洞)、馬鹿箐隧道 DK255+978大型溶洞段(Ⅰ線和Ⅱ線)、云霧山隧道 DK247+562大型充填型溶洞段(Ⅰ線)、云霧山隧道 DK245+617大型溶洞段(Ⅰ線)、大支坪隧道 DK132+990大型溶洞段(Ⅰ線)、野三關(guān)隧道 DK124+602大型溶洞段(Ⅰ線)、龍麟宮隧道 DK232+467大型溶洞段及石院子隧道塌方段等 8個復雜工點進行隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測,各工點監(jiān)測斷面、項目及測點數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場揭示實際地質(zhì)情況及處理措施適時調(diào)整。

2.1 監(jiān)測項目內(nèi)容和測點布設情況

根據(jù)宜萬鐵路現(xiàn)場實際施工情況,結(jié)合專家審查意見,確定對上述 8個工點分別實施以下 9個監(jiān)測項目(表1),具體工點監(jiān)測項目在實施監(jiān)測過程中可根據(jù)現(xiàn)場不同工點情況經(jīng)甲方同意后對監(jiān)測項目進行優(yōu)化調(diào)整。

表1 隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測項目

以齊岳山隧道 F11高壓富水斷層段正洞監(jiān)測為例。

齊岳山隧道位于湖北省利川市,全長10 528 m,最大埋深 670 m,區(qū)內(nèi)發(fā)育 15條斷層和多條暗河系統(tǒng),其中位于得勝場槽谷段的 F11斷層規(guī)模宏大,位于隧道頂 220 m的得勝場暗河規(guī)模最大,水量豐富,暗河水極有可能被斷層導入隧道,造成重大地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)災害,風險極大。F11斷層破碎帶在隧道位置約 245 m寬,斷層內(nèi)巖性成分復雜,具有飽和含水的含碎石粉質(zhì)黏土或碎石土的類似工程性質(zhì),導水能力強,圍巖強度低、穩(wěn)定性差,圍巖等級 Ⅴ ～Ⅵ級(圖1)。設計采取“以堵為主、限量排放”的設計原則,采用超前帷幕注漿、超前密排大管棚等預支護和加強型復合式襯砌結(jié)構(gòu)等綜合措施進行處理。齊岳山隧道F11斷層監(jiān)測段施工進度見圖2。

圖1 齊岳山隧道F11斷層得勝場槽谷段工程地質(zhì)縱斷面

圖2 齊岳山隧道F11斷層段監(jiān)測段施工進度形象(單位:m)

鑒于齊岳山隧道 F11斷層段地質(zhì)條件復雜、工程環(huán)境特殊、隧道結(jié)構(gòu)受力復雜等特點,該段正洞設置 4個監(jiān)測斷面,每斷面設置 6個監(jiān)測項目,分別為:隧道圍巖及結(jié)構(gòu)間滲水壓力監(jiān)測、圍巖與初期支護間接觸壓力監(jiān)測、初期支護型鋼內(nèi)力監(jiān)測、初期支護與二次襯砌間接觸壓力監(jiān)測、二次襯砌鋼筋內(nèi)力監(jiān)測、隧道基底沉降監(jiān)測;其中 1個斷面增設注漿加固圈位移監(jiān)測項目,同時在正洞 F11斷層段設置 3處注漿加固圈的滲水流量監(jiān)測斷面(圖3)。

圖3 齊岳山隧道F11斷層段監(jiān)測斷面測點布置示意

2.2 測試元件的要求與選擇

在隧道的長期監(jiān)測中,由于運營及地質(zhì)環(huán)境的復雜性,對監(jiān)測元件和測試儀器的可靠性、長期穩(wěn)定性等要求較高,要求所選用測試元件防水、防潮;在含水或潮濕的環(huán)境下工作穩(wěn)定;防腐蝕性強;耐久性好;抗干擾性強、便于埋設等。本項目選用基康公司生產(chǎn)的振弦式應力(變)計進行現(xiàn)場實施。測試元件見表2。

表2 監(jiān)測項目測試元件

在元件布設安裝過程中,嚴格按照測試和布設要求,保護好測點,力求達到元件最大成活率和最佳測試效果,如:滲水壓力計應埋設在圍巖內(nèi)部一定的深度,同時做好過濾保護;圍巖與初支接觸壓力盒應埋設在圍巖較平坦表面處,保證圍巖面與壓力盒承壓面的密貼性;測線的引出要盡量避免施工干擾等。

2.3 監(jiān)測頻率

根據(jù)合同與方案要求,為準確獲取隧道各階段受力狀態(tài)情況,在隧道開挖施工期間,測試頻率為 1次/d,隧道施工完畢以后,測試頻率為 1次/周,運營期間測試頻率為 1次/半月,特殊情況下根據(jù)要求增加測試頻率。從而獲得大量的一手數(shù)據(jù),為隧道結(jié)構(gòu)受力安全性分析提供數(shù)據(jù)保障。

2.4 階段性成果

以齊岳山隧道 DK365+111斷面圍巖與結(jié)構(gòu)間滲水壓力和圍巖與初期支護接觸壓力監(jiān)測為例,如圖4,圖5所示。

圖4 圍巖與結(jié)構(gòu)間滲水壓力時態(tài)曲線

圖5 圍巖與初期支護接觸壓力時態(tài)曲線

根據(jù)圖形可以看出,近期圍巖與結(jié)構(gòu)間滲水壓力和接觸壓力方面測點測試數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定。在本年度雨季,測試數(shù)值出現(xiàn)小幅度的增加波動,最大滲水壓力和最大接觸壓力值分別為0.065 2MPa、114.87 kPa(在結(jié)構(gòu)允許值范圍內(nèi)),均出現(xiàn)在隧道仰拱位置,主要是由于 2010年 4月 14日隧道區(qū)域突降暴雨,地表水匯入,致使隧道周圍水壓上升,結(jié)構(gòu)承受壓力增加,降雨過后,隨著地下水的逐步排出,水壓力也逐步減小,結(jié)構(gòu)承受接觸壓力也漸漸減小,趨于平穩(wěn),隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2.5 自動監(jiān)控系統(tǒng)

針對宜萬鐵路復雜巖溶隧道的修建及運營過程,采取結(jié)構(gòu)應力、水壓等監(jiān)控信息的自動化采集、網(wǎng)絡化傳輸,并設定危險報警值,在出現(xiàn)危險情況時自動預警,為宜萬鐵路的安全運營提供保證,為在復雜巖溶地質(zhì)環(huán)境下修建隧道提供數(shù)據(jù)并積累經(jīng)驗。

本項目采用 BGK-MICRO分布式網(wǎng)絡測量系統(tǒng)及配套的 BGKLogger軟件系統(tǒng)進行用戶管理、測量管理、數(shù)據(jù)管理和通訊管理,保障工程自動化測量和管理。測量系統(tǒng)由計算機、BGK-MICRO-MCU分布式網(wǎng)絡測量單元、智能式儀器(可獨立作為網(wǎng)絡節(jié)點的儀器)等組成,通過相應配套的軟件完成工程監(jiān)測的自動測量、數(shù)據(jù)處理、圖標制作和異常測值報警等工作。如圖6所示。

圖6 BGK-MICRO分布式網(wǎng)絡測量系統(tǒng)組成(網(wǎng)型式)

現(xiàn)場每個測試斷面布設足夠的數(shù)據(jù)采集通道,采用 BGK-Micro-VW測量模塊,匯總至數(shù)據(jù)采集箱 BGKMicro-40MCU測量單元,再通過數(shù)據(jù)總線連接到洞外監(jiān)測站,洞外監(jiān)測站采集的數(shù)據(jù)通過 GPRS無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)定時傳輸數(shù)據(jù)至中心計算機,在中心計算機上設數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng),對每類監(jiān)測量設預警值輸入監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),進行自動預警。如圖7、圖8所示。

圖7 BGK-MICRO分布式網(wǎng)絡測量系統(tǒng)組成示意

圖8 GPRS無限組網(wǎng)示意

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析平臺

3.1 網(wǎng)絡 GIS功能

利用 GIS(地理信息系統(tǒng))的強大功能實現(xiàn)隧道監(jiān)測,應用數(shù)據(jù)庫理論,建立了隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測管理信息系統(tǒng),從而生成隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的應力、應變在隧道運營過程中的時態(tài)關(guān)系曲線,由此判斷圍巖與支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定情況,從而指導隧道運營維護。其信息處理的方式主要是圖形方式,沿線隧道、斷面及監(jiān)測點的分布及彼此之間的拓撲關(guān)系一目了然。系統(tǒng)以隧道平面布置圖和各測點布置圖為基礎(chǔ),用矢量圖形象地展現(xiàn)出各監(jiān)測點等分布情況,通過圖形實現(xiàn)信息的查詢及預警等工作,動態(tài)管理監(jiān)測數(shù)據(jù),形成圖文雙向查詢,并根據(jù)實際需要準確真實、圖文并茂地將信息呈現(xiàn)給用戶。

3.2 實時分析查詢監(jiān)測信息

因為自動監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)具有兩個特點:一是數(shù)據(jù)量特別大;二是監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的頻率不一樣,是個動態(tài)的過程。針對這兩個特點,必須對自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采取動態(tài)分析的辦法,系統(tǒng)通過單純用數(shù)學方法和結(jié)合施工參數(shù)進行分析監(jiān)測數(shù)據(jù)兩種方法來對隧道施工安全狀態(tài)進行評估。

可以利用各種手段方便地查詢當前和歷史的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。實時生成各類報表、時程曲線等。

3.3 實時預警系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中,監(jiān)測數(shù)據(jù)的曲線圖包含 3類:變化量曲線圖、累計變化量曲線圖以及變化速率曲線圖。在設計中,對監(jiān)測點的變化量、變化速率及累計變化量一般都有控制值與警戒值。當隧道工程出現(xiàn)異常時,一定時段的變化速率曲線圖和累計變化量曲線圖都會出現(xiàn)明顯異常情況。在隧道運營中,若發(fā)現(xiàn)一個或多個監(jiān)測項目在相同位置的監(jiān)測曲線圖異?；虺^報警值,可判斷工程存在潛在危險。數(shù)據(jù)服務器實時分析各類監(jiān)測數(shù)據(jù),通過短消息和在平臺發(fā)布信息等多種形式組成預警、報警系統(tǒng)。只要有監(jiān)測異常發(fā)生,系統(tǒng)就會進行個性化的報警提示;同時能夠在網(wǎng)絡地圖上清晰地表現(xiàn)各工點、各測點的預警情況。

根據(jù)隧道工程的運營狀況,將實測值與報警值進行比較,將其預警報警的等級分為四個等級:安全狀態(tài)、三級警戒(關(guān)注)、二級警戒(預警)和一級警戒(報警)。針對不同的警戒等級,分別給出對應的施工控制措施,確保隧道工程安全。

3.4 系統(tǒng)運行的環(huán)境要求

監(jiān)測信息網(wǎng)絡系統(tǒng)所需的網(wǎng)絡接入自有服務器機房的方式,帶寬至少 1 M。其設備配置推薦如下:

服務器:雙 CPU至強 CPU 2.0 GHz以上,1 GB內(nèi)存,500 GB硬盤。操作系統(tǒng)支持 Window SERVER 2000以上;數(shù)據(jù)庫支持 SQL SERVER 2000以上。

客戶端:采用一般 PC即可,CPU P4 1.2 GHz以上,256MB內(nèi)存,120 GB剩余硬盤空間,操作系統(tǒng)支持Window 2000以上。

4 監(jiān)測信息反饋

根據(jù)采集的數(shù)據(jù),與參建各方緊密聯(lián)系(通過短消息或在平臺發(fā)布信息等多種形式),分析結(jié)構(gòu)受力安全性狀況,共同商討相關(guān)隧道結(jié)構(gòu)受力安全性狀況,提出相關(guān)整治建議,進而實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌至萬州段復雜巖溶隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測專項設計[Z].武漢:2009.

[2] 中鐵西南科學研究院有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌東至萬州段巖溶隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測簡報[Z].成都:2010.

[3] 中鐵西南科學研究院有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌東至萬州段隧道遠程自動監(jiān)測技術(shù)方案[Z].成都:2010.

[4] 王建宇.隧道工程的技術(shù)進步[M].北京:中國鐵道出版社,2004.