監(jiān)控量測技術(shù)在秦嶺長隧洞中的應(yīng)用技術(shù)研究

齊國慶 王 亮 田 睿

(1.陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010；2.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710048)

隨著現(xiàn)代施工技術(shù)不斷發(fā)展，我國大型跨流域長距離引調(diào)水工程建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，輸水隧洞作為輸水工程的重要組成部分，也逐步向長距離大埋深的方向發(fā)展，施工難度和施工安全風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增加，因此在工程施工過程中需要選擇合理可靠且高效的監(jiān)控量測技術(shù)方案，及時(shí)監(jiān)控施工對地層的擾動程度，準(zhǔn)確評價(jià)隧洞圍巖穩(wěn)定性，根據(jù)監(jiān)控量測技術(shù)取得的信息對施工進(jìn)行有效指導(dǎo)和控制，采取針對性支護(hù)方案，以確保隧洞施工安全[1]。本文在已有隧洞工程施工控制量測經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞工程復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的施工實(shí)際情況，對長距離、大埋深隧洞施工監(jiān)控量測技術(shù)進(jìn)行了比較全面的探索和應(yīng)用，有效保障了現(xiàn)場施工安全和施工進(jìn)度控制[2-3]。

1 工程概況

秦嶺輸水隧洞TBM施工段位于秦嶺主脊段，長約35km。嶺南標(biāo)段全長約18km，最大埋深2012m[4]，施工機(jī)械采用美國羅賓斯制造的TBM設(shè)備，TBM掘進(jìn)段隧洞綜合坡度1/2500，具體段落劃分見圖1。

圖1 工程平面布置

2 監(jiān)控量測

2.1 量測項(xiàng)目的選擇

按照規(guī)范要求及一般隧洞施工經(jīng)驗(yàn)，將監(jiān)控量測項(xiàng)目根據(jù)隧洞級別分為必須實(shí)施量測項(xiàng)目和可選擇實(shí)施量測項(xiàng)目。必須實(shí)施量測項(xiàng)目即日常監(jiān)控量測項(xiàng)目，對圍巖和支護(hù)收斂變形，以及隧洞拱頂下沉和凈空變化等影響施工安全和工程質(zhì)量的項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)控量測[5-7]；可選擇實(shí)施量測項(xiàng)目，一般為根據(jù)設(shè)計(jì)要求或施工過程中的需要進(jìn)行量測的項(xiàng)目，如對洞底隆起和縱向位移等的監(jiān)測量測[8]。秦嶺輸水隧洞以拱頂下沉和凈空變化為主要監(jiān)控量測內(nèi)容，結(jié)合施工實(shí)際情況適時(shí)增加選測項(xiàng)目。

2.2 量測斷面及測點(diǎn)布置

Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖監(jiān)控量測斷面分別以30～50m、10～30m、5～10m間距進(jìn)行布置[9-10]，但針對地質(zhì)條件復(fù)雜、易發(fā)生斷層塌方的洞段，應(yīng)根據(jù)勘察設(shè)計(jì)情況及施工揭露情況加密監(jiān)測斷面[11-12]。

一般在同一斷面布置不少于3個(gè)測點(diǎn)，其中斷面軸線附近應(yīng)布置至少1個(gè)測點(diǎn)，由于秦嶺輸水隧洞跨度較大，在斷面軸線附近增設(shè)到2個(gè)測點(diǎn)。一般情況下的仰拱沉降測點(diǎn)和凈空變化測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 測點(diǎn)布置

2.3 監(jiān)控量測頻率的確定

一般隧洞施工的監(jiān)控量測頻率綜合考慮測量斷面與開挖面距離(見表1)和測量斷面測點(diǎn)的位移速度(見表2)來確定，通常取其中較高的數(shù)值作為量測頻率。

表1 按測量斷面與開挖面距離確定的監(jiān)控量測頻率

表2 按測點(diǎn)位移速度確定的監(jiān)控量測頻率

秦嶺輸水隧洞在采用TBM法施工時(shí)，除考慮常規(guī)因素外，還需要考慮TBM設(shè)備的條件限制，如TBM設(shè)備的護(hù)盾長6m，則在此設(shè)備掘進(jìn)期間護(hù)盾6m范圍內(nèi)無法安裝監(jiān)控量測設(shè)備。因此在TBM施工過程中，必須依據(jù)TBM的設(shè)備參數(shù)、隧洞掘進(jìn)(開挖)速度來確定必測項(xiàng)目的監(jiān)控量測點(diǎn)和監(jiān)控量測頻率。而可選擇的量測項(xiàng)目其監(jiān)控量測頻率是在施工過程中根據(jù)施工揭露地質(zhì)條件、隧洞設(shè)計(jì)安全監(jiān)測要求，以及主要量測項(xiàng)目的量測結(jié)果確定的。

2.4 監(jiān)控量測控制基準(zhǔn)

在確定了監(jiān)控量測點(diǎn)位和頻率后，根據(jù)設(shè)計(jì)勘察結(jié)果以及已有工程實(shí)例提出隧洞初期支護(hù)相對位移控制基準(zhǔn)以及位移管理等級。秦嶺輸水隧洞初期支護(hù)極限相對位移、初期支護(hù)極限相對位移控制基準(zhǔn)、位移管理等級見表3～表5。

表3 隧洞初期支護(hù)極限相對位移

表4 極限相對位移控制基準(zhǔn)

表5 位移管理等級

2.5 監(jiān)控量測結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

隧洞施工監(jiān)控量測結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)一般根據(jù)位移速度判別，通常當(dāng)位移速度小于0.2mm/d時(shí)，隧洞圍巖已基本達(dá)到穩(wěn)定，施工監(jiān)控量測可在持續(xù)到基本穩(wěn)定后14d內(nèi)結(jié)束。在施工過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)位移速度大于5mm/d或位移累計(jì)達(dá)到100mm時(shí)，說明圍巖正在進(jìn)行劇烈應(yīng)力反應(yīng)，必須立即疏散施工人員，及時(shí)分析原因，同時(shí)采取針對性措施的加強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)。

秦嶺輸水隧洞施工在通過斷層破碎帶地段時(shí)，由于圍巖長時(shí)間不穩(wěn)定，增加了測點(diǎn)，延長了監(jiān)控量測時(shí)間，并針對該段圍巖采取了增設(shè)排水孔和加強(qiáng)支護(hù)措施，通過長期圍巖穩(wěn)定實(shí)時(shí)監(jiān)控，切實(shí)保障了施工安全。

2.6 監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳

秦嶺輸水隧洞監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采用信息化施工管理平臺自動上傳[13-14]，同時(shí)將監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)、方案、設(shè)計(jì)文件等上傳至安全監(jiān)測模塊。根據(jù)勘察設(shè)計(jì)要求及實(shí)際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，在平臺進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。根據(jù)秦嶺輸水隧洞施工實(shí)際情況，監(jiān)控量測預(yù)警等級見表6。

表6 監(jiān)控量測預(yù)警等級

3 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析及信息反饋

3.1 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析處理

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行整理，并由專人負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的校核、分析工作，同時(shí)繪制位移-時(shí)間曲線(見圖3)。在一個(gè)測點(diǎn)取得達(dá)到一定數(shù)量要求的數(shù)據(jù)后，由計(jì)算機(jī)生成散點(diǎn)圖，根據(jù)散點(diǎn)圖數(shù)據(jù)分布來選取回歸函數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，測算該測點(diǎn)可能出現(xiàn)的最大位移值或應(yīng)力值，以此判斷隧洞工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。常用的回歸函數(shù)如下：

圖3 位移-時(shí)間曲線

對數(shù)函數(shù):

U=Alg(1+t)+B

(1)

(2)

指數(shù)函數(shù):

U=Ae-B/t

(3)

U=A(e-Bt-e-Bt0)

(4)

雙曲函數(shù):

(5)

(6)

式中：U為變形值(或應(yīng)力值)；A、B為回歸系數(shù)；t、t0為測點(diǎn)的觀測時(shí)間,d；T為量測時(shí)距開挖時(shí)的時(shí)間,d。

秦嶺輸水隧洞在監(jiān)控量測過程中，為加快數(shù)據(jù)分析和信息反饋，由信息化施工管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、自動分析。

3.2 信息反饋及對策

秦嶺輸水隧洞在信息化施工管理平臺的基礎(chǔ)上，建立了信息反饋機(jī)制，通過信息化施工管理平臺向參建各方及時(shí)反饋信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過平臺進(jìn)行統(tǒng)一管理，定時(shí)、定期發(fā)布監(jiān)測結(jié)果。針對超過控制標(biāo)準(zhǔn)的異常監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，由施工單位負(fù)責(zé)提出處理方案，通過信息化平臺將相關(guān)信息同時(shí)報(bào)送監(jiān)理及設(shè)計(jì)單位。監(jiān)控量測報(bào)告定期由信息化平臺生成后分別報(bào)送至施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)和業(yè)主單位，由參建各方根據(jù)測點(diǎn)位移-時(shí)間曲線圖，及時(shí)對工程現(xiàn)狀和施工安全進(jìn)行評價(jià)。監(jiān)控量測與信息反饋程序見圖4。

圖4 監(jiān)控量測與信息反饋程序

4 異常監(jiān)控量測結(jié)果的處理

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)復(fù)核和分析無誤后，確定監(jiān)測結(jié)果異常的，須及時(shí)分析確定原因，并針對性采取措施。秦嶺輸水隧洞在施工過程中主要針對以下4種情況制定了相應(yīng)的處理方案：

a.監(jiān)測結(jié)果異常由隧洞仰拱沉降引起，一般采取仰拱封閉措施，如仍然出現(xiàn)仰拱沉降現(xiàn)象，則采取錨桿加灌漿加固處理。

b.監(jiān)測結(jié)果異常由圍巖壓力引起，一般采取鋼筋網(wǎng)片配合錨噴支護(hù)對圍巖進(jìn)行加固，補(bǔ)強(qiáng)初期支護(hù)，同時(shí)在下一循環(huán)施工時(shí)，對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，必要時(shí)也可增加二次襯砌。

c.初期支護(hù)或圍巖監(jiān)測信息明顯異常，出現(xiàn)顯著變形以及不穩(wěn)定征兆時(shí)，應(yīng)安排專職觀察員定點(diǎn)全時(shí)段進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)疏散施工人員，采取應(yīng)急措施或方案保證工程安全。

d.在隧洞施工過程中，若發(fā)現(xiàn)揭露出的圍巖地質(zhì)條件差、初支系統(tǒng)出現(xiàn)較多裂縫、監(jiān)控量測數(shù)值已超過監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)上限值，應(yīng)立即采取補(bǔ)強(qiáng)措施。通過計(jì)算分析，對施工方案和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化或改變，采取針對性措施。

5 結(jié) 論

秦嶺輸水隧洞工程自開工以來未發(fā)生一起安全質(zhì)量事故，施工過程中實(shí)施的監(jiān)控量測技術(shù)和信息反饋機(jī)制有效保障了施工安全。本文通過監(jiān)控量測技術(shù)在長距離、大埋深秦嶺輸水隧洞的復(fù)雜地質(zhì)施工環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用，以監(jiān)控量測項(xiàng)目選擇、量測標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分析及信息反饋為研究對象，分析了引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞施工的監(jiān)控量測技術(shù)的應(yīng)用過程，提出了異?，F(xiàn)象的處理措施，對長距離、大埋深復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的隧洞施工監(jiān)控量測進(jìn)行了有效探索，為類似工程監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。