隧洞施工階段的圍巖變形監(jiān)控量測(cè)

孫立公

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006)

隧洞施工階段的圍巖變形監(jiān)控量測(cè)

孫立公

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006)

隧洞開挖后，圍巖在應(yīng)力的作用下，會(huì)產(chǎn)生一定量的洞室收斂、頂拱沉降等塑性變形，特別是在巖體破碎的洞室內(nèi)，該種變形會(huì)造成圍巖失穩(wěn)，從而產(chǎn)生掉塊或塌方等現(xiàn)象，給施工設(shè)備和人員帶來(lái)安全隱患。文章結(jié)合工程實(shí)例，簡(jiǎn)要闡述了施工階段圍巖變形監(jiān)控量測(cè)的目的、內(nèi)容、方法以及數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用，簡(jiǎn)要闡明了圍巖變形監(jiān)控量測(cè)在隧洞施工和設(shè)計(jì)中的作用。

隧洞施工；圍巖變形；監(jiān)控量測(cè)；處理與應(yīng)用

0 引 言

隧洞開挖后，圍巖在應(yīng)力的作用下，會(huì)產(chǎn)生一定量的洞室收斂、頂拱沉降等塑性變形，特別是在巖體破碎的洞室內(nèi)，該種變形會(huì)造成圍巖失穩(wěn)，從而產(chǎn)生掉塊或塌方等現(xiàn)象，給施工設(shè)備和人員帶來(lái)安全隱患。

為了避免事故的發(fā)生，洞室開挖后應(yīng)立即施作初期支護(hù)，隨即開展圍巖變形監(jiān)控量測(cè)工作，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果確定圍巖穩(wěn)定情況，從而確定是否進(jìn)行二次支護(hù)以及二次支護(hù)的實(shí)施時(shí)間和程序。

1 監(jiān)控量測(cè)的目的

開展圍巖變形監(jiān)控量測(cè)工作是噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)和施工的重要環(huán)節(jié)，通常依據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果驗(yàn)證施工方案的正確性，調(diào)整施工參數(shù)，必要時(shí)采取輔助工程措施，使施工處于動(dòng)態(tài)管理之下；通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論上的工程特性指標(biāo)進(jìn)行比較，了解設(shè)計(jì)的合理程度，有助于對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行修正；因地下圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載常常不能確定，而且荷載與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、施工工藝有直接關(guān)系，圍巖變形監(jiān)控量測(cè)可以為支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案的修訂提供反饋信息，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通過(guò)監(jiān)控量測(cè)了解該工程條件下地下工程的規(guī)律和特點(diǎn)，為其他類似工程提供借鑒、依據(jù)和指導(dǎo)[1]。

2 監(jiān)控量測(cè)的內(nèi)容與方法

2.1 監(jiān)控量測(cè)的內(nèi)容

實(shí)施監(jiān)控量測(cè)的隧洞必須進(jìn)行地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察、周邊位移和頂拱沉降量測(cè)。主要包含了3個(gè)方面：

1)地質(zhì)觀察應(yīng)包括：洞外的地表情況、地表沉陷、邊坡及仰坡的穩(wěn)定及地表水滲透情況的觀察；洞內(nèi)對(duì)隧洞掌子面開挖后進(jìn)行工程地質(zhì)與水文地質(zhì)觀察。

2)支護(hù)狀況觀察包括檢查噴射混凝土有無(wú)裂損及發(fā)展、錨桿有無(wú)松動(dòng)及拱架支護(hù)狀態(tài)觀察等。

3)進(jìn)行洞室水平收斂位移量測(cè)和頂拱沉降量測(cè)，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行底板鼓起量測(cè)和地表下沉監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)控量測(cè)的方法

監(jiān)控量測(cè)斷面應(yīng)安排在工程的關(guān)鍵部位或圍巖穩(wěn)定較差的部位，緊跟掌子面進(jìn)行布置。每個(gè)量測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)應(yīng)安設(shè)在距掌子面1 m范圍內(nèi)，數(shù)量一般情況下為5點(diǎn)，但不得<3點(diǎn)，應(yīng)在開挖后立即埋設(shè)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)牢固，做好保護(hù)，防止人為、機(jī)械或開挖飛石碰動(dòng)[2]。

量測(cè)收斂值的儀器精度≥0.01 mm，正式使用前應(yīng)經(jīng)過(guò)計(jì)量部門檢定，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室校正。在測(cè)點(diǎn)布置后12 h內(nèi)和下一次開挖之前測(cè)取初讀數(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確填寫監(jiān)控量測(cè)記錄表，保留原始數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)讀數(shù)間隔時(shí)間應(yīng)根據(jù)該量測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定程度進(jìn)行確定和調(diào)整。

3 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)處理

監(jiān)控量測(cè)所得的原始數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)繪制成時(shí)態(tài)曲線(例如位移時(shí)間曲線)，當(dāng)曲線的曲率趨于平緩時(shí)，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析或其他數(shù)學(xué)方法分析，以推算出最終位移值，確定位移變化規(guī)律。

3.2 數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)應(yīng)用分為圍巖穩(wěn)定情況分析和二次支護(hù)時(shí)機(jī)控制。

3.2.1 圍巖穩(wěn)定情況分析

監(jiān)控量測(cè)的實(shí)測(cè)位移相對(duì)值或用回歸分析推算的最終位移值均應(yīng)小于表1所列的數(shù)據(jù)值。

表1 隧洞周邊允許位移相對(duì)值 %

注：1.周邊位移相對(duì)值系指兩測(cè)點(diǎn)間實(shí)測(cè)位移累計(jì)值與兩測(cè)點(diǎn)間距離之比或拱頂下沉實(shí)測(cè)值與高度之比。兩測(cè)點(diǎn)間位移值也稱收斂值；2.脆性圍巖取表中較小值，塑性圍巖取表中較大值；3.表列數(shù)值可在施工過(guò)程中通過(guò)實(shí)測(cè)和資料累積作適當(dāng)修正。

當(dāng)圍巖位移速率不斷下降時(shí)，初期支護(hù)措施無(wú)破壞現(xiàn)象，表示圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)圍巖位移速率無(wú)明顯下降或急劇增長(zhǎng)，同時(shí)初期支護(hù)措施出現(xiàn)破壞現(xiàn)象時(shí)，表示圍巖不穩(wěn)定，必須立即采取補(bǔ)強(qiáng)措施，并改變施工程序或設(shè)計(jì)參數(shù)，必要時(shí)應(yīng)停止開挖，進(jìn)行施工處理[3]。

3.2.2 二次支護(hù)時(shí)機(jī)控制

需進(jìn)行二次支護(hù)的隧洞應(yīng)同時(shí)達(dá)到下列三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)方可進(jìn)行后期支護(hù)的施作：

1)隧洞周邊水平收斂速度<0.2 mm/d，拱頂或底板垂直位移速度<0.1 mm/d。

2)隧洞周邊水平位移速度以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降。

3)隧洞位移相對(duì)值已達(dá)到總相對(duì)位移量的90%以上。

4 工程實(shí)例

4.1 監(jiān)控量測(cè)工作概況

某工程隧洞斷面為圓拱直墻型，開挖斷面尺寸為7.9 m×7.15 m(寬×高)，圓弧高2.5 m，直墻高3.5 m。該工程按照技術(shù)條款規(guī)定的要求，Ⅳ、Ⅴ類圍巖監(jiān)控量測(cè)按每20 m布置一個(gè)觀測(cè)斷面，Ⅲ類圍巖按30 m布置，采用三點(diǎn)三線法，如圖1所示位置布置測(cè)點(diǎn)。

測(cè)點(diǎn)接環(huán)采用Φ6光圓鋼筋，測(cè)點(diǎn)錨桿采用φ18螺紋鋼筋，長(zhǎng)度225 mm?，F(xiàn)場(chǎng)采用全站儀放樣出每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，采用YT—25手風(fēng)鉆，垂直洞壁和頂拱巖面鉆孔，鉆孔直徑Φ38 mm，孔深240 mm。測(cè)點(diǎn)錨桿的埋設(shè)采用錨固劑進(jìn)行固定，經(jīng)過(guò)6 h后即可進(jìn)行初次觀測(cè)[4]。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)采集

該工程主要利用收斂?jī)x和人工讀數(shù)儀進(jìn)行收斂量測(cè)，利用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)拱頂點(diǎn)的沉降。收斂計(jì)采用JSS30A型系列數(shù)顯收斂計(jì)，基本參數(shù)：量測(cè)范圍0.5m～15m；測(cè)量精度：0.01mm；數(shù)顯示值穩(wěn)定度：24 h≤0.01 mm。

監(jiān)控量測(cè)的讀數(shù)頻率主要根據(jù)位移速度及離工作面的距離確定，應(yīng)從表2中選擇較高的一個(gè)量測(cè)頻率。

表2 量測(cè)頻率表

注：B為毛洞寬度

當(dāng)位移速率明顯下降，水平收斂速度<0.2 mm/d，拱頂位移速度<0.1 mm/d時(shí)，經(jīng)批準(zhǔn)可停止量測(cè)[5]。

本文選取該隧洞樁號(hào)0+346處監(jiān)控量測(cè)斷面，該斷面所在洞室圍巖巖性為早元古代花崗巖，微風(fēng)化，屬于硬質(zhì)巖，洞室埋深110 m，圍巖類別為Ⅳ類，監(jiān)控量測(cè)主要數(shù)據(jù)見表3。

表3 量測(cè)數(shù)據(jù)成果表

4.3 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)成果繪制出水平收斂變形和頂拱沉降變形的位移時(shí)態(tài)曲線，詳見圖2。

圖2 變形位移時(shí)態(tài)曲線

根據(jù)時(shí)態(tài)曲線反映的散點(diǎn)分布規(guī)律，選取指數(shù)函數(shù)u=Ae-B/t作為回歸分析函數(shù)可能較為合理。利用Excel軟件中的數(shù)據(jù)分析工具，得到回歸方程如下：水平收斂：u=7.8506e-1.2291/t，相關(guān)系數(shù)R2=0.9869；頂拱沉降：u=5.7126e-1.1590/t，相關(guān)系數(shù)R2=0.9934。

當(dāng)t取∞時(shí)，得到最終水平收斂位移值為7.85mm，最終頂拱沉降位移值為5.71 mm。

4.4 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析主要包括變形位移相對(duì)值分析、圍巖穩(wěn)定情況分析和二次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇。

4.4.1 變形位移相對(duì)值分析

該斷面的水平距離，即B、C點(diǎn)間距為6 638.33 mm，高度為2 911.45 mm。得到水平位移相對(duì)值和頂拱沉降相對(duì)值分別為：0.11%和0.19%，均小于表1中對(duì)相對(duì)位移值0.4%的要求。

4.4.2 圍巖穩(wěn)定情況分析

4.4.3 二次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇

該斷面經(jīng)過(guò)13 d的監(jiān)控量測(cè)發(fā)現(xiàn)，水平收斂速度已<0.2 mm/d，拱頂沉降速度已<0.1 mm/d；水平位移速度以及拱頂沉降速度明顯下降；水平位移相對(duì)值和頂拱沉降相對(duì)值均達(dá)到94%，同時(shí)滿足了施作二次支護(hù)的三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行后期支護(hù)施工。

5 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析時(shí)，根據(jù)時(shí)態(tài)曲線可選取對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或雙曲函數(shù)中曲線擬合最優(yōu)者作為回歸分析函數(shù)。

在工程施工過(guò)程中，影響監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的因素較多，如工程地質(zhì)條件、圍巖爆破及人員素質(zhì)等，這就要求量測(cè)人員應(yīng)提高對(duì)監(jiān)控量測(cè)重要性的認(rèn)識(shí)，提高人員素質(zhì)，保證量測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確，為施工安全與支護(hù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

[1]揣連成，楊能，王梓晗.圍巖變形監(jiān)控量測(cè)在隧洞施工中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2006，37(04)：27-29.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.SL377—2007水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[3]原國(guó)家冶金工業(yè)局.GB50086—2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2001.

[4]宋維圣.大伙房水庫(kù)輸水工程圍巖變形監(jiān)控量測(cè)[J].東北水利水電，2006,24(09)：13-14.

[5]張照太，陳竹，楊曉迎.超長(zhǎng)隧洞TBM發(fā)施工圍堰變形監(jiān)測(cè)方法分析[J].水利建設(shè)與管理，2007(11)：32-34.

[6]宋彥剛，陳方方，李寧，陽(yáng)莉.紫平鋪工程引水隧洞群現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與仿真反演分析[J].四川水力發(fā)電，2004,23(02)：12-14.

1007-7596(2014)12-0084-03

2014-09-10

孫立公(1983-)，男，吉林東遼人，工程師，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)水文地質(zhì)勘察。

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