大斷面淺埋黃土隧道監(jiān)控量測(cè)對(duì)支護(hù)各階段穩(wěn)定性分析

馬曉輝

摘 要：黃土隧道的施工相較于其他類型的隧道施工，難度大，其中大斷面淺埋黃土隧道由于拱頂沉降幅度大，在施工中，一般采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工。此外由于黃土隧道埋深淺，這就導(dǎo)致周圍環(huán)境對(duì)隧道影響大，易造成變形，尤其是降水，風(fēng)化現(xiàn)象。為了減少周圍環(huán)境對(duì)黃土隧道的影響，在施工當(dāng)中保證安全，相關(guān)部門要對(duì)可能發(fā)生的施工災(zāi)害最好預(yù)防工作，做好施工過(guò)程中各階段的監(jiān)控量測(cè)工作，分析好數(shù)據(jù)信息以保證能夠?qū)κ┕?zāi)害做到基本的預(yù)測(cè)。本文以寧夏黑海高速公路趙家山隧道為工程背景，探討新奧法監(jiān)控量測(cè)在隧道施工過(guò)程中的應(yīng)用，為今后相關(guān)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：大斷面淺埋黃土隧道；隧道監(jiān)控量測(cè)；支護(hù)各階段穩(wěn)定性

1 引言

在實(shí)際施工中，相關(guān)人員了解黃土隧道的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的主要途徑是監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行分析，就可以判斷隧道設(shè)計(jì)方案是否符合甲乙雙方的需求、選擇什么樣的施工方法才能達(dá)到施工的合理化。監(jiān)控測(cè)量的結(jié)果能夠幫助相關(guān)人員篩選施工方法和工藝。在施工當(dāng)中的監(jiān)控量測(cè)做得好，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道的隨時(shí)監(jiān)控，形成完善的信息庫(kù)，對(duì)于施工當(dāng)中不合理的環(huán)節(jié)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，減少損失。與傳統(tǒng)大斷面隧道相比，大斷面淺埋黃土隧道本身由于埋深淺，在施工過(guò)程中對(duì)地表土層擾動(dòng)較大，且山體對(duì)隧道易產(chǎn)生偏壓，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)變不均勻，局部應(yīng)力明顯增大；同時(shí)由于黃土隧道具有孔隙率大導(dǎo)致透水性好易塌陷等缺點(diǎn)，導(dǎo)致大斷面淺埋黃土隧道在施工過(guò)程中易產(chǎn)生圍巖變形大、支護(hù)結(jié)構(gòu)整體下沉、開(kāi)挖面滑塌，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失等事故。所以，在實(shí)際施工的過(guò)程中，相關(guān)的工作人員應(yīng)該要做好監(jiān)控測(cè)量工作，對(duì)支護(hù)和圍巖的變形情況能實(shí)時(shí)掌握，分析其中規(guī)律，為隧道工程安全穩(wěn)定施工提供可靠的保障，同時(shí)HIA可以降低施工成本。接下來(lái)，本文以實(shí)力進(jìn)行分析，結(jié)合寧夏黑海高速公路趙家山隧道的施工監(jiān)測(cè)及大變形處治，探討了在大斷面淺埋黃土隧道施工中新奧法監(jiān)控量測(cè)的具體應(yīng)用情況。

2 工程概況

寧夏黑海公路趙家山隧道為大斷面黃土隧道，左線隧道長(zhǎng)1217m，起止樁號(hào)ZK53+555—ZK54+772，右線隧道長(zhǎng)1250m，起止樁號(hào)YK53+590—YK54+840，隧道最大埋深約80m。

隧道斷面采用三心圓型式，即拱部為單心圓，半徑5.4m，曲墻半徑為8.9m，凈空面積為62.23m2。

隧址區(qū)為黃土殘塬地貌，地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl），第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭組黃土（Q3eol）和中更新統(tǒng)風(fēng)積離石組黃土（Q2eol）地層。老黃土主要分布在地面13.5～18.5米新黃土以下有80多米的位置，上部馬蘭黃土淺黃色，具粉土質(zhì)、垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，疏松、無(wú)層理，常形成陡壁，據(jù)鉆孔揭露，最大厚度達(dá)18.5米，多為濕陷性黃土，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)中等～Ⅲ級(jí)自重濕陷，濕陷深度10m～15m。隧址地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，地下水缺乏。隧道圍巖總體為ⅴ級(jí)，圍巖級(jí)別較低。

3 大斷面淺埋黃土隧道監(jiān)控量測(cè)對(duì)支護(hù)各階段穩(wěn)定性分析

3.1 量測(cè)的意義與目的

相關(guān)人員只有對(duì)影響地表和圍巖變形的因素進(jìn)行了解，從原因出發(fā)，科學(xué)合理的改進(jìn)施工參數(shù)和施工技術(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)控圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，了解位移規(guī)律，將松弛部門進(jìn)行標(biāo)注，以便及時(shí)處理，相關(guān)部門還要對(duì)圍巖的穩(wěn)定性做測(cè)評(píng)；掌握圍巖壓力狀態(tài)分布和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，確定支護(hù)時(shí)間與參數(shù)，根據(jù)這些情況可以選擇最為合適的支護(hù)型式；實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)隧道圍巖和襯砌應(yīng)力的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，要及時(shí)進(jìn)行處理，防止事故發(fā)生。

3.2 觀測(cè)系統(tǒng)

這種方法現(xiàn)場(chǎng)需要1臺(tái)全站儀和安裝反射膜片的測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)，采用相對(duì)坐標(biāo)，基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)可自行設(shè)置于般取為原點(diǎn)而不必測(cè)定，測(cè)站也不必對(duì)中，可以自由設(shè)站。

3.3 全站儀

全球儀要具有三同軸光學(xué)系統(tǒng)即，并配置紅色可見(jiàn)光激光指示，還要具有目標(biāo)照明功能，以方便使用。測(cè)角精度應(yīng)達(dá)到士1"分辨力達(dá)到0.1"，測(cè)距精度在100m以內(nèi)誤差只有一毫米，分辨力達(dá)到0.1mm，防塵等級(jí)大于或者等于IPS。如果施工工期緊，可以通過(guò)提高隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)作業(yè)的速度，加強(qiáng)觀測(cè)精度等方式提高施工速度，在此種情況下，可以應(yīng)用帶ATR功能的自動(dòng)觀測(cè)全站儀量機(jī)器人。如反射膜片的規(guī)格應(yīng)該是70mm×70mm，不得使用尺寸小于50mm×50mm的膜片。

3.4 觀測(cè)方法

3.4.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布置

全站儀自由設(shè)站坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)通常來(lái)說(shuō)是由坐標(biāo)原點(diǎn)，即定點(diǎn)和于確定橫軸方向的一點(diǎn)，這一點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的，這一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和豎軸，橫軸方向位移方向有關(guān)，在這里需要特別注意的是測(cè)點(diǎn)位置，不能阻礙測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)。從隧道觀測(cè)的角度出發(fā)，基準(zhǔn)點(diǎn)布置的位置一般都在仰拱封閉和鋪底的兩側(cè)邊墻上，距鋪底高度1m左右，最好對(duì)通視不產(chǎn)生影響，在設(shè)置這兩點(diǎn)的時(shí)候，兩基準(zhǔn)點(diǎn)連線與洞軸的關(guān)系應(yīng)該加以保證。對(duì)于帶中壁的雙側(cè)壁、CRD和CD斷面，要把坐標(biāo)原點(diǎn)置于邊墻上，橫軸方向點(diǎn)置于內(nèi)壁或中壁上。雙側(cè)壁、CRD和CD斷面拆撐時(shí)，應(yīng)及時(shí)將基準(zhǔn)點(diǎn)移出。趙家山隧道采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，不存在此影響。

3.4.2 測(cè)點(diǎn)布置

上臺(tái)階位移測(cè)點(diǎn)宜埋設(shè)在距掌子面第2榀鋼架上（第1榀上容易被挖掘機(jī)碰掉），之后，這個(gè)斷面的各臺(tái)階位移測(cè)點(diǎn)都應(yīng)該埋設(shè)在該榀鋼架上，要想防止施工人員在實(shí)際操作中受傷或者路過(guò)的行人受傷，那么，在埋設(shè)后，相關(guān)人員應(yīng)該在此處設(shè)置醒目的提醒標(biāo)志。埋設(shè)過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)該注意膜片與儀器光軸之間的關(guān)系，檢查規(guī)板是否對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)測(cè)站方向。

3.4.3 反射測(cè)點(diǎn)制作

反射測(cè)點(diǎn)包括基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)是由膜片、規(guī)板和埋設(shè)桿三部分組成。規(guī)板用厚度5mm矩形鋼板制作，鋼板短邊長(zhǎng)度=膜片尺寸16mm～20mm，長(zhǎng)邊長(zhǎng)度=膜片尺寸+20mm。埋設(shè)桿采用15mm～20mm鋼筋，長(zhǎng)度10cm～30cm，以膜片伸出混凝土表面15cm～20cm為宜。埋設(shè)桿焊接在規(guī)板短邊中線處。

3.4.5 測(cè)站設(shè)置

采用自由設(shè)站的儀器不需對(duì)中，相關(guān)的工作人員要注意，不固定測(cè)站和固定測(cè)站的觀測(cè)精度有所不同，固定測(cè)臺(tái)的精度高，便于測(cè)站位置固定。設(shè)置測(cè)站特別需要注意測(cè)站的位置與測(cè)點(diǎn)斷面兩者的關(guān)系，掌握好兩者的距離，兩者過(guò)近就會(huì)導(dǎo)致影響回復(fù)反射的性能變低。通常情況下，斷面和測(cè)站二者之間距離應(yīng)大于25m，這時(shí)光軸與膜片的入射夾角可控制在30°以內(nèi)。過(guò)遠(yuǎn)，影響測(cè)程發(fā)揮最大作用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，合適的站位是：采用70mm×70mm膜片時(shí)測(cè)程應(yīng)控制在30m～60m之間，采用50mm×50mm膜片時(shí)測(cè)程應(yīng)控制在30m～45m之間。

3.5 位移加速度判據(jù)

隧道變形較為穩(wěn)定時(shí)，位移加速度=0；隧道穩(wěn)定性較差時(shí)，位移加速度a=0，但位移速度v>0時(shí)，此時(shí)應(yīng)該發(fā)出警告，及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)措施；隧道處理危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，位移加速度a>0，此時(shí)，隧道將急速失穩(wěn)，必須要立即停止開(kāi)挖，進(jìn)行加固處理。

3.6 觀測(cè)頻率

觀測(cè)頻率的選擇與位移速率的高低、距開(kāi)挖面有著密切的聯(lián)系，相關(guān)人員在選擇觀測(cè)頻率時(shí)，需要綜合考慮，調(diào)查位移速率、距開(kāi)挖面距離的數(shù)據(jù)，保證兩者協(xié)調(diào)，如果兩者存在一定數(shù)值的差異，為保證施工安全，需要按照相關(guān)行業(yè)的規(guī)定，實(shí)際實(shí)行的觀測(cè)頻率選用觀測(cè)頻率較高的頻率，并且，在各臺(tái)階開(kāi)挖面通過(guò)量測(cè)斷面前后要增加觀測(cè)頻率。

4 結(jié)束語(yǔ)

量測(cè)監(jiān)控在新奧法隧道施工中扮演著重要角色。它是利用量測(cè)儀器、儀表等量測(cè)工具，通過(guò)對(duì)地表沉陷情況進(jìn)行調(diào)研，整合數(shù)據(jù)，考察施工地周圍的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生變化等收集數(shù)據(jù)，來(lái)判斷隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的影響，這些數(shù)據(jù)的存在，幫助施工員完善隧道工程設(shè)計(jì)，幫助管理層經(jīng)營(yíng)管理。測(cè)量監(jiān)控在富水黃土隧道中的應(yīng)用，取得了很大成功，為我國(guó)測(cè)量監(jiān)控的發(fā)展總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)。筆者通過(guò)多方數(shù)據(jù)比較，利用有限元模擬隧道的極限狀態(tài)，了解到黃土隧道的安全指數(shù)及變形范圍，從而，總結(jié)出了一些施工意見(jiàn)，能夠幫助指導(dǎo)施工，為工程安全提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛詡國(guó)，李術(shù)才，張慶松.隧道信息化施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)）2013（6）：46～48.

[2] JTJ 042-94.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 于書翰等.隧道施[M].北京：工人民交通出版社.