監(jiān)控量測技術(shù)在淺埋大跨度雙線鐵路隧道中的應(yīng)用

蘇 興

(中鐵八局集團(tuán)公司，成都 610036)

監(jiān)控量測技術(shù)在淺埋大跨度雙線鐵路隧道中的應(yīng)用

蘇 興

(中鐵八局集團(tuán)公司，成都 610036)

家鄉(xiāng)溝隧道為典型的淺埋單洞雙線大跨度隧道，本文通過對淺埋大跨度鐵路隧道施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與受力的監(jiān)控量測，為臺階法在隧道工程施工中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和安全保障。

淺埋大跨度 鐵路隧道 臺階法 監(jiān)控量測

1 工程概況

新建達(dá)成鐵路設(shè)計時速為200～250 km/h客貨共用雙線電氣化鐵路，家鄉(xiāng)溝隧道(DIK227+770—DIK 228+466)地處四川省大英縣境內(nèi)，為典型的淺埋單洞雙線大跨度隧道。隧道全長為696 m，開挖截面面積140～160 m2，穿越地層為粉質(zhì)黏土、侏羅系蓬萊組水平層狀砂質(zhì)泥巖，所處地層根據(jù)圍巖類型劃分為V級圍巖496 m，IV級圍巖200 m。隧道進(jìn)出口均處于偏壓受力狀態(tài)，最小埋深僅8 m，圍巖破碎，地下水發(fā)育。

達(dá)成線家鄉(xiāng)溝隧道采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用C20噴射混凝土、φ8 mm鋼筋網(wǎng)、φ22 mm砂漿錨桿聯(lián)合支護(hù)，局部地段設(shè)置I18號工字鋼加強(qiáng)支護(hù)。Ⅳ級圍巖地段初期支護(hù)為噴錨支護(hù)，采用拱墻格柵鋼架和拱部φ25 mm水平砂漿錨桿加強(qiáng)支護(hù)，鋼架縱向間距1.0 m，二次襯砌采用C25耐腐蝕混凝土支護(hù)。Ⅴ級圍巖地段初期支護(hù)為噴錨支護(hù)，采用I18工字鋼架和拱部φ25 mm水平砂漿錨桿加強(qiáng)支護(hù)，鋼架縱向間距0.8 m，二次襯砌采用C25耐腐蝕鋼筋混凝土支護(hù)。

隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段設(shè)計采用中壁法施工，但進(jìn)度緩慢，在確保施工安全的前提下，改用長臺階法施工，施工中遵循“短進(jìn)尺，弱爆破，快循環(huán)，早封閉，勤量測”的原則。開挖后立即進(jìn)行初期支護(hù)，二次襯砌及時跟上。為減少爆破次數(shù)，下臺階與仰拱一次爆破成型，上、下臺階距離保持60～80 m。為保證隧道內(nèi)道路暢通，下臺階及仰拱分左、右兩部開挖，前后距離保持15 m。鉆眼深度3.4 m，進(jìn)尺2.7 m，掌子面作業(yè)循環(huán)時間11.5 h，月平均進(jìn)尺126 m。

2 監(jiān)控量測方案

家鄉(xiāng)溝隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測的內(nèi)容總共分為4項(xiàng)，具體量測內(nèi)容如表1所示。

表1 大跨度雙線隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測項(xiàng)目

對于Ⅴ級圍巖，為確保量測數(shù)據(jù)的可比性，量測項(xiàng)目全部按照表1中所列的項(xiàng)目進(jìn)行，而對于Ⅳ級，由于圍巖條件相對較好，選擇表1中的開挖面地質(zhì)狀況觀察、圍巖收斂量測、圍巖襯砌壓力3個項(xiàng)目進(jìn)行量測。

根據(jù)《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范》(TB10108—2002)以及《客運(yùn)專線鐵路隧道施工技術(shù)指南》(TZ214—2005)中的有關(guān)技術(shù)規(guī)定和要求，確定的隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測測試頻率如表2所示。

表2 大跨度雙線隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測頻率

隧道開挖面地質(zhì)狀況采用人工觀察的方式進(jìn)行，圍巖變形、錨桿軸力、圍巖壓力等量測項(xiàng)目，采用在圍巖內(nèi)部安裝傳感器并配置測試儀表來加以量測。

2.1 圍巖位移量測

圍巖位移量測通過在開挖后的坑道內(nèi)壁面設(shè)置錨固點(diǎn)，并采用隧道收斂計測定坑道圍巖壁面發(fā)生的收斂變形。隧道圍巖收斂量測方式及測線的布置如圖1所示，通過測定隧道開挖過程中測線AE、BD、CF相對位移隨開挖掘進(jìn)時間和開挖進(jìn)尺的變化，可以確定出各個測線發(fā)生的收斂值，也就是圍巖典型部位發(fā)生的相對位移大小。由于隧道采用了上、下臺階的鉆爆法施工，上臺階超前下臺階的距離大約有80 m，因此在上臺階掘進(jìn)期間只能先安裝上臺階的測線，即點(diǎn)B、點(diǎn)C和點(diǎn)D三個測點(diǎn)。當(dāng)下臺階掘進(jìn)至上臺階已經(jīng)安裝測試元件的斷面里程時，再安裝下半斷面的測點(diǎn)，即點(diǎn)A和點(diǎn) E。

圖1 隧道圍巖收斂位移量測

2.2 錨桿軸力量測

方案采用了專用的量測錨桿進(jìn)行錨桿軸力的量測。將帶有絲扣的錨桿鋼筋計旋緊而形成錨桿測力計，每根錨桿安裝了3個鋼筋計，并且在每個量測斷面布置5個測點(diǎn)。錨桿軸力量測的現(xiàn)場布置方式如圖2所示，各孔內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)采用頻率讀數(shù)儀進(jìn)行采集。

在上臺階掘進(jìn)期間先安裝測點(diǎn) B、測點(diǎn)C和測點(diǎn)D三部位的量測錨桿，待下臺階掘進(jìn)到該斷面時再安裝下斷面點(diǎn)A和點(diǎn)E處的量測錨桿。

2.3 圍巖壓力

圍巖壓力通過初期支護(hù)與二次襯砌之間埋設(shè)壓力盒的方式進(jìn)行量測。為便于壓力盒的安裝，待開挖面初噴混凝土強(qiáng)度到達(dá)設(shè)計要求后，將壓力盒埋置在初期支護(hù)與二次襯砌之間。每個量測斷面布置5個壓力量測點(diǎn)，如圖3所示，即點(diǎn) A、點(diǎn) B、點(diǎn) C、點(diǎn) D和點(diǎn) E，以確定圍巖作用在支護(hù)體系上的壓力，并判斷圍巖壓力的分布特點(diǎn)。圍巖壓力量測采用鋼弦式雙膜壓力盒進(jìn)行測定，其受圍巖作用而承受的壓力值由頻率讀數(shù)儀進(jìn)行采集。

圖2 錨桿軸力量測布置圖

圖3 圍巖接觸壓力量測圖

3 量測結(jié)果分析

為使現(xiàn)場監(jiān)控量測的結(jié)果能反映特定圍巖的變形特性，并使監(jiān)測具有一定的代表性，家鄉(xiāng)溝隧道在Ⅴ級圍巖地段共設(shè)置了 3個監(jiān)測斷面，DIK227+997，DIK227+949，DIK227+928，在Ⅳ級圍巖地段設(shè)置了2個監(jiān)測斷面，DIK228+129和DIK228+098。

3.1 Ⅳ級圍巖量測結(jié)果分析

家鄉(xiāng)溝隧道Ⅳ級圍巖共監(jiān)測了2個量測斷面，選取DIK228+129斷面為代表進(jìn)行Ⅳ級圍巖量測結(jié)果分析?，F(xiàn)場量測結(jié)果分別如圖4所示。其量測得到的結(jié)果主要有隧道初期支護(hù)作用下拱頂下沉、兩側(cè)坑道壁面的收斂變形以及圍巖的接觸壓力。

在Ⅳ級圍巖的里程 DIK228+129處，隧道開挖后拱頂?shù)南鲁亮吭诔跗谥ёo(hù)作用下的前5 d內(nèi)變化較為劇烈，從第5 d起以后變化比較平緩，當(dāng)監(jiān)測時間達(dá)到30 d后其數(shù)值仍然不斷變化，但基本上是趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由于40 d后下臺階鉆爆掘進(jìn)到達(dá)此里程處，致使隧道拱頂?shù)南鲁劣钟兴黾?，下臺階開挖引起的拱頂下沉增量最大值為0.4 cm，占最大下沉值的7.69%。當(dāng)下臺階掘進(jìn)并通過DIK228+129監(jiān)測斷面后，拱頂下沉量逐漸趨于穩(wěn)定。經(jīng)過監(jiān)測，隧道在初期支護(hù)作用下，其拱頂累計的最大下沉量為5.2 cm。

隧道上臺階拱腰兩側(cè)圍巖的水平收斂位移最大值為1.7 cm，其水平相對位移為0.123%。這個水平收斂位移是在上臺階開挖掘進(jìn)過程中量測獲得的，而下臺階的掘進(jìn)滯后于上臺階40 m。因此，下臺階的開挖對隧道拱頂下沉具有一定的影響，而對于隧道兩側(cè)圍巖水平收斂位移的影響較小，下導(dǎo)坑開挖引起的水平收斂位移增量為0.2 cm，其值占最大位移值的11.76%。

由圖4可知DIK228+129監(jiān)測斷面處，兩側(cè)圍巖內(nèi)錨桿的受力不同。隧道拱腰部位測點(diǎn)B和測點(diǎn)D的錨桿桿體受拉力較大，而其它部位測點(diǎn)的錨桿桿體所受到的拉力較小。

由測得的隧道初期支護(hù)與二次襯砌之間的接觸壓力變化曲線分析，拱頂中部測點(diǎn)C的接觸壓力最大值為0.072 MPa，測點(diǎn) D的接觸壓力最大值為 0.130 MPa，測點(diǎn)B的接觸壓力最大值為0.150 MPa，而 E點(diǎn)的接觸壓力最大值為0.280 MPa。從圍巖作用于二次襯砌的接觸壓力大小可以看出，隧道二次襯砌所受到的圍巖作用較小。

圖4 Ⅳ級圍巖DIK228+129監(jiān)測斷面錨桿軸力變化曲線

3.2 Ⅴ級圍巖

在家鄉(xiāng)溝隧道的Ⅴ級圍巖地段共設(shè)置了3個量測斷面，選取DIK227+997斷面為代表進(jìn)行Ⅴ級圍巖量測結(jié)果分析。圖5為里程DIK227+997處監(jiān)測斷面各測點(diǎn)的量測結(jié)果。

圖5 Ⅴ級圍巖DIK227+997監(jiān)測斷面拱頂下沉與水平收斂曲線

根據(jù)圖5所示，家鄉(xiāng)溝隧道Ⅴ級圍巖在里程DIK227+997處的拱頂下沉量在開挖面掘進(jìn)通過30 d后變化較為劇烈，而在30 d以內(nèi)的變化較小。30 d后變化劇烈的原因是由于下臺階的開挖，致使隧道拱頂?shù)南鲁猎龃螅?jīng)過40 d以后，下沉逐漸趨于穩(wěn)定，拱頂?shù)淖畲笙鲁林禐?.2 cm。下臺階開挖到此斷面時引起的下沉增量達(dá)到1.2 cm，占最大下沉值的37.5%。從隧道兩側(cè)圍巖的水平收斂位移分析，其位移值均比較小。上臺階掘進(jìn)期間測線DB的水平收斂位移最大值為5.7 mm，而下臺階測線AE的水平收斂位移值最大為6.3 mm。經(jīng)過計算，上臺階拱腳的水平相對位移為0.023%，而下臺階邊墻的水平相對位移為0.044 7%。

錨桿均處于受拉狀態(tài)，其中測點(diǎn)D和E處的錨桿拉力較大。而測點(diǎn)A、B、C三處的錨桿拉力較小。測點(diǎn)D處錨桿所受到的最大拉力為22.2 kN，在測點(diǎn)E處錨桿的拉力最大值為19.5 kN。

由測得的初期支護(hù)與二次襯砌之間接觸壓力變化關(guān)系曲線分析，測點(diǎn)D和測點(diǎn)A處的接觸壓力較大，拱頂中部C點(diǎn)處的接觸壓力較小。測點(diǎn)D處接觸壓力最大值為0.120 MPa，而測點(diǎn)B處的接觸壓力最大值為0.089 MPa。從壓力盒量測的接觸壓力數(shù)值分析，該斷面二次襯砌所受到圍巖作用較為均勻，同時也說明二次襯砌所受到的圍巖作用較小。

3.3 量測結(jié)果的分析

通過以上量測結(jié)果分析，IV級圍巖拱頂累計的最大下沉量為5.2 cm，小于預(yù)留變形量且變形趨于穩(wěn)定。上臺階掘進(jìn)期間測線DB的水平收斂位移最大值為1.7 cm，其水平相對位移為0.123%。設(shè)計規(guī)范中水平極限相對位移為0.11% ～0.33%，結(jié)合本隧道穿越地層為軟質(zhì)圍巖，取值應(yīng)選較大值，變形處于合理范圍，初期支護(hù)穩(wěn)定。錨桿軸力最大值17.48 kN，遠(yuǎn)小于150 kN的設(shè)計值。最大圍巖壓力0.28 MPa，數(shù)值較小，初期支護(hù)承擔(dān)了大部分荷載，襯砌主要作為安全儲備。

V級圍巖拱頂累計的最大下沉量為3.2 cm，小于預(yù)留變形量且變形趨于穩(wěn)定。上臺階掘進(jìn)期間測線DB的水平收斂位移最大值為5.7 mm，下臺階測線AE的水平收斂位移最大值為6.3 mm。經(jīng)過計算，上臺階拱腳的水平相對位移為0.023%，而下臺階邊墻的水平相對位移為0.044 7%，遠(yuǎn)小于極限相對位移0.2% ～0.5%的取值范圍。錨桿軸力最大值22.2 kN，遠(yuǎn)小于150 kN的設(shè)計值，最大圍巖壓力0.12 MPa，數(shù)值較小，初期支護(hù)承擔(dān)了大部分荷載，襯砌主要作為安全儲備。

4 結(jié)束語

綜合以上分析可以認(rèn)為，支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工期間處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，同時為二襯的施工創(chuàng)造了良好的條件。臺階法在淺埋大跨度隧道中的應(yīng)用切實(shí)可行。

[1]孫明磊，李文江，劉志春.監(jiān)控量測技術(shù)在強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2010(8):57-61.

[2]張先軍，王玉鎖，葉躍忠.西格嶺隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)研究[J].鐵道建筑，2010(11):57-59.

U456.3

B

1003-1995(2011)07-0060-03

2011-03-10;

2011-04-20

蘇興(1970— )，男，河北保定人，高級工程師。

(責(zé)任審編 王 紅)