呂培華
公路隧道監(jiān)控測(cè)量研究——以鳳山二號(hào)隧道為例
呂培華
(廣西路建工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530001)
監(jiān)測(cè)和測(cè)量是新奧地利隧道法的三個(gè)主要因素之一。通過(guò)對(duì)隧道巖體變形數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、采集和分析,測(cè)量數(shù)據(jù)可用于開(kāi)挖結(jié)果的反饋,及時(shí)指導(dǎo)施工。隧道監(jiān)測(cè)包括監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)處理分析,并通過(guò)數(shù)據(jù)分析反饋來(lái)指導(dǎo)施工。以位于廣西的鳳山二號(hào)隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為例,采用能量釋放減壓、及時(shí)封堵、開(kāi)挖前帷幕灌漿、徑向灌漿等措施控制高壓地下水。采取提高支護(hù)剛度、雙層一次支護(hù)、預(yù)支護(hù)、增加預(yù)變形、注漿加固、及時(shí)安裝永久襯砌等措施,確保隧道的安全施工。研究為今后類似工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)提供有益的參考和指導(dǎo)。
公路隧道;監(jiān)控量測(cè);安全施工
在眾多隧道施工方法中,新奧地利隧道法(NATM)是公路隧道施工中最常用的方法,已被證明是一種非常經(jīng)濟(jì)和靈活的施工方式。NATM是一種采用鉆爆法在巖石中開(kāi)挖隧道的技術(shù),采用噴射混凝土襯砌和巖石錨桿作為主要支撐系統(tǒng)。最重要的是,基于“竣工或開(kāi)挖中分類系統(tǒng)”的概念,NATM要求對(duì)開(kāi)挖面的地質(zhì)條件和襯砌等地下支撐結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)。最常見(jiàn)的巖體分類系統(tǒng)RMR和Q系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)換這些觀察到的數(shù)據(jù),以提供對(duì)隧道掘進(jìn)過(guò)程中所需開(kāi)挖方法和支撐系統(tǒng)組件的估計(jì)??梢?jiàn),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是NATM掘進(jìn)的核心,在判斷圍巖穩(wěn)定性、評(píng)價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性和安全性方面具有不可替代的作用。
深埋隧道的深度、距離和穿越各種地質(zhì)單元的通道都帶來(lái)了一系列特殊的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括高地應(yīng)力引起的硬巖巖爆和軟巖大變形,以及隧道通過(guò)巖溶地形或斷層帶時(shí)的高壓泥石流和地下水涌出。大變形、結(jié)構(gòu)坍塌、高級(jí)地質(zhì)勘探、結(jié)構(gòu)安全支持和快速施工技術(shù)也是需要解決的問(wèn)題。深埋長(zhǎng)隧道地質(zhì)災(zāi)害防治是地下工程研究的熱點(diǎn)之一。
到目前為止,還沒(méi)有針對(duì)深埋長(zhǎng)隧道的施工提出標(biāo)準(zhǔn)和有效的設(shè)計(jì)方法。之前的大多數(shù)解決方案都是基于施工過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)調(diào)整。本文介紹了廣西鳳山二號(hào)隧道的案例研究。從設(shè)計(jì)、施工和控制措施等方面總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。高壓地下水的密封技術(shù)和高地應(yīng)力下大變形的處理技術(shù)尤其令人感興趣。這一深埋長(zhǎng)隧道開(kāi)挖的成功案例對(duì)今后類似隧道的設(shè)計(jì)和施工具有一定的參考價(jià)值。
鳳山二號(hào)隧道設(shè)計(jì)為單洞雙向行車的兩車道二級(jí)公路隧道,隧道起終點(diǎn)樁號(hào)為K1+432~K2+614,隧道長(zhǎng)1182 m,洞身圍巖級(jí)別主要為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級(jí),Ⅴ、Ⅳ級(jí)屬于強(qiáng)、中風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖,Ⅲ級(jí)屬于微風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖,其中Ⅴ級(jí)共208 m為強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖,占圍巖比例為14.7%,Ⅳ級(jí)共192 m為中風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖,占圍巖比例為17%,Ⅲ級(jí)共758米為微風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖,占圍巖比例較大,為68.3%。
根據(jù)著名的巖體RMR分類體系,結(jié)合地質(zhì)勘查資料分析,該區(qū)圍巖可分為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類三類。這三類巖體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。Ⅴ類圍巖的襯砌類型如圖1所示。
表1 三種不同類型巖體(分別為III類、IV類和 V類)的物理和力學(xué)參數(shù)
圖1 隧道洞身橫斷面圖(普通段)
隧道位于廣西西北部,路線位于鳳山縣、東蘭縣,區(qū)內(nèi)降水分部不均,年際內(nèi)變幅較大,降水隨季節(jié)變化明顯,夏秋多,春冬少,年平均降水量1470 mm,最大降水溫2049 mm(1968年),最小降雨量1101.7 mm(1963年),變幅達(dá)955.4 mm。
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、地質(zhì)調(diào)繪成果、工程鈷探掲露及物探測(cè)試,隧址區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)覆蓋層,上古生界二疊系下統(tǒng)棲霞組(Plq)石灰?guī)r。
全新統(tǒng)崩坡積堆積(Q4c+d1)碎塊石:淺灰色,散狀體,孔口周圍零散分布,直徑為0.5 m~1.0 m,成分為石灰?guī)r、白云巖,粒徑不等。分布于隧道進(jìn)、出口邊坡處及洞頂溶蝕注地坡腳處。
斷層F7距隧道口約100 m,為石灰系中上統(tǒng)(C2+3)石灰?guī)r、白云巖育二疊系下統(tǒng)棲霞組(PLq)石灰?guī)r的分界線,該斷層為壓扭性斷層。斷層兩側(cè)溶洞發(fā)育,但距隧道較遠(yuǎn),對(duì)隧道穩(wěn)定性影響不大。隧道進(jìn)出口露頭測(cè)量統(tǒng)計(jì),隧道圍巖產(chǎn)狀120°∠15°。
隧址區(qū)位于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段,雨季水量很大,旱季水量較小,在巖溶谷地邊緣以地下暗河的形式流出形成地表徑流,排入溝谷。經(jīng)水質(zhì)分析,水質(zhì)類型HCO3--Ca2+Mg2+型水,地下水一般為低礦化度淡水,對(duì)砼具微腐蝕性。
隧址區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬于廣西山字型構(gòu)造前弧西翼中段,一北西向構(gòu)造為主,經(jīng)歷了華西力、印支、燕山及喜山四個(gè)大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)繪及鈷探揭示,隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)全新世深大斷裂構(gòu)造活動(dòng)跡象,隧址區(qū)穩(wěn)定性較好。
對(duì)于深長(zhǎng)隧道而言,地質(zhì)和水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜多變。在勘測(cè)和設(shè)計(jì)階段,全面了解區(qū)域地質(zhì)條件以及巖體的狀態(tài)和特征,尤其是不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的確切位置和大小,將是困難和不現(xiàn)實(shí)的[1]。泰寧隧道穿越多個(gè)富地下水?dāng)D壓斷層帶,地應(yīng)力較高。因此,可能發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌、地下水流入、大變形和巖爆災(zāi)害,施工風(fēng)險(xiǎn)極高。為了避免可能發(fā)生的災(zāi)難,必須提前采取適當(dāng)?shù)拇胧?。因此,隧道開(kāi)挖前的綜合地質(zhì)檢測(cè)是隧道設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一[2]。
深埋長(zhǎng)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)確保施工安全至關(guān)重要。這一問(wèn)題已引起工程界的關(guān)注,但尚未得到很好的解決。由于地球物理方法的模糊性和不確定性,地質(zhì)預(yù)報(bào)是一種基于地質(zhì)分析和地球物理探測(cè)手段的綜合方法[3]。如有必要,應(yīng)輔以水平預(yù)鉆孔和更深的爆破孔。
Ⅴ級(jí)圍巖段、強(qiáng)節(jié)理帶和斷層帶的高壓大流量地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響顯著。因此,正確預(yù)測(cè)、有效封閉和快速處理地下水是該項(xiàng)目面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
深長(zhǎng)隧道開(kāi)挖過(guò)程中,為封堵高壓高流量地下水,應(yīng)遵循及時(shí)封堵、控制排水的原則。及時(shí)封堵、灌漿工藝、灌漿材料、灌漿方法、灌漿壓力和地下水排水量是地下水封堵的關(guān)鍵,施工前應(yīng)通過(guò)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)確定。
高地應(yīng)力引起的巖爆和軟巖大變形是世界范圍內(nèi)地下工程和巖石力學(xué)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。擠壓斷裂帶中的巖體松散、破碎,且風(fēng)化強(qiáng)烈[4]。巖石強(qiáng)度與地應(yīng)力之比小于0.2。2001年,Hoek估計(jì)了在擠壓巖石中掘進(jìn)的難度,發(fā)現(xiàn)當(dāng)巖體強(qiáng)度與地應(yīng)力之比低于0.2時(shí),會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓和大變形。
當(dāng)深埋隧道穿越擠壓斷裂帶或發(fā)生大變形時(shí),特別是在應(yīng)力很高、強(qiáng)應(yīng)力比極低的情況下,圍巖表現(xiàn)出明顯的流變特性。僅僅通過(guò)提高主支架的剛度是無(wú)法防止不斷增加的變形的。雙層初期支護(hù)可以有效地控制隧道變形。然而,僅僅防止隧道進(jìn)一步變形和穩(wěn)定圍巖是不夠的。在高地應(yīng)力條件下軟巖隧道開(kāi)挖中,及時(shí)設(shè)置永久襯砌是有效抑制隧道變形、穩(wěn)定圍巖的經(jīng)濟(jì)措施。
因此,在鳳山二號(hào)隧道的設(shè)計(jì)和施工中,軟弱巖帶和高地應(yīng)力擠壓斷裂帶的安全施工技術(shù)至關(guān)重要。
鑒于鳳山二號(hào)隧道地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,災(zāi)害頻繁,開(kāi)挖前地質(zhì)預(yù)報(bào)尤為重要。鳳山二號(hào)隧道的地質(zhì)預(yù)測(cè)基于長(zhǎng)距離隧道地震預(yù)測(cè)(TSP)和短距離探地雷達(dá)(GPR)探測(cè)以及水平預(yù)鉆孔。
工程地質(zhì)分析基于地形、區(qū)域構(gòu)造、補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)有勘察設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)地層層序、地層邊界、構(gòu)造邊界、斷層要素和隧道幾何參數(shù)的對(duì)比分析,利用常規(guī)地質(zhì)理論、地質(zhì)填圖和趨勢(shì)分析,可以揭示隧道沿線可能的地質(zhì)條件[5]。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中,利用TSP可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道的長(zhǎng)距離預(yù)開(kāi)挖地質(zhì)預(yù)報(bào)。在宏觀層面上可以揭示開(kāi)挖面前方大致的遠(yuǎn)距離地質(zhì)條件。結(jié)合工程地質(zhì)分析,可識(shí)別可疑不良地質(zhì)段。對(duì)于TSP探測(cè)到的潛在不良地質(zhì)剖面,使用探地雷達(dá)進(jìn)行短距離探測(cè)[6]。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查和地球物理解釋,可以估計(jì)不良地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)、空間分布和位置。對(duì)于潛在的含水結(jié)構(gòu),進(jìn)行了紅外探測(cè),以驗(yàn)證水量。對(duì)于短距離預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)的潛在地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵路段,鉆水平預(yù)鉆孔和更深的爆破孔,以準(zhǔn)確估計(jì)不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)、大小和位置。對(duì)于斷裂帶、節(jié)理密集帶、富水帶和高地應(yīng)力區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的構(gòu)造坍塌、突然進(jìn)水或泥漿流入、巖爆、大變形,將發(fā)出預(yù)警并采取相應(yīng)措施。
綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)可準(zhǔn)確探測(cè)斷層帶、強(qiáng)節(jié)理帶、富水帶等不良地質(zhì)構(gòu)造。該預(yù)測(cè)可以成功預(yù)測(cè)大多數(shù)斷層的空間分布,并評(píng)估挖掘風(fēng)險(xiǎn)。
鳳山二號(hào)隧道的地下水處理遵循“預(yù)測(cè)、控制排水、及時(shí)封閉”的原則。通過(guò)對(duì)地下水涌水量的計(jì)算分析,采用能量釋放、應(yīng)力降低、及時(shí)封堵、開(kāi)挖前帷幕灌漿和徑向灌漿技術(shù),成功封堵了高壓斷裂帶高流量地下水[7]。
水壓和流量的預(yù)測(cè)是地下水處理的基礎(chǔ)。根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果,在富水地段鉆取了水平預(yù)鉆孔。準(zhǔn)確識(shí)別了隧道前方的水文地質(zhì)條件和地下水壓力。利用鏡像法和疊加原理,將有限域上的地下水問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)限域上的地下水問(wèn)題。使用卷積-反卷積方法,將時(shí)變流入問(wèn)題轉(zhuǎn)化為恒定流問(wèn)題[8]。
密封技術(shù)的選擇基于地質(zhì)預(yù)測(cè)、數(shù)值計(jì)算和預(yù)鉆井揭示的地下水壓力和流量。當(dāng)水量最小時(shí),應(yīng)首先通過(guò)開(kāi)挖暴露地下水。然后,進(jìn)行徑向灌漿以密封水。在高壓大流量地段,應(yīng)首先進(jìn)行地下水排水,以降低地下水壓力和流量。當(dāng)?shù)叵滤畨毫土髁孔兊孟鄬?duì)穩(wěn)定時(shí),進(jìn)行預(yù)灌漿。
高壓高流量地下水隧道段采用全斷面帷幕預(yù)注漿。關(guān)鍵考慮因素是灌漿范圍的確定、灌漿材料的選擇和灌漿壓力的控制。灌漿段的長(zhǎng)度一般為20 m~25 m,遵循“小長(zhǎng)度、快速循環(huán)”的原則。灌漿后應(yīng)形成有效的加固環(huán),以降低圍巖的滲透性和地下水流入量,增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。因此,灌漿范圍應(yīng)由兩個(gè)因素決定,即地下水流入量和圍巖穩(wěn)定性。
如果開(kāi)挖前帷幕灌漿無(wú)法封閉地下水,應(yīng)迅速進(jìn)行部分灌漿,然后進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿。
3.3.1 大變形的處治措施
根據(jù)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的圍巖地應(yīng)力條件,采取了技術(shù)措施。這些技術(shù)包括提高支架剛度、安裝雙層主支架、加強(qiáng)預(yù)支撐、增加預(yù)設(shè)變形、灌漿加固和及時(shí)安裝永久襯砌。通過(guò)這些措施,有效地控制了高地應(yīng)力軟弱巖體的大變形,實(shí)現(xiàn)了擠壓斷裂帶的安全施工[4]。
為確保換拱過(guò)程中的安全施工,設(shè)置了保護(hù)拱。在更換拱之前,進(jìn)一步支撐變形較大的圍巖。保護(hù)拱由間距為0.5 m的I18鋼拱、Φ25縱縫鋼筋和24 cm厚的噴射混凝土組成。在更換拱門(mén)之前,安裝了先進(jìn)的小管道來(lái)支撐保留的圍巖。
然后安裝了一個(gè)雙層主支架。主支架的第一層,以前是I20b鋼拱,調(diào)整為間距為0.5 m的I22b拱。噴射混凝土被鋼纖維混凝土取代,其厚度從28 cm改為30 cm。25 cm厚的鋼纖維混凝土,間距為0.5 m,用作主支架的第二層。增加了用于徑向灌漿的小管道。小型管道的直徑為50 mm,厚度為5 mm,長(zhǎng)度為5 m,環(huán)形間距為1.0 m,縱向間距為1.0 m。當(dāng)換拱累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)到6 m時(shí),及時(shí)安裝永久襯砌,襯砌厚度從45 cm調(diào)整為75 cm,采用C35防水混凝土。
3.3.2 擠壓斷裂帶施工技術(shù)
成功的施工技術(shù)可總結(jié)為:地下水封閉、預(yù)支護(hù)、分步開(kāi)挖、超前先導(dǎo)隧道、短臺(tái)階、強(qiáng)支護(hù)、快速關(guān)閉、及時(shí)安裝永久襯砌。
預(yù)支撐包括管棚或雙層先進(jìn)小管道。采用直徑為Φ50 mm、厚度為5 mm的5 m長(zhǎng)鋼管作為先進(jìn)的小管,周向間距為30 cm,縱向間距為3.0 m。管道的傾角分別為15°和40°。先進(jìn)的小管道中的水泥漿是水泥和水玻璃的混合物。灌漿持續(xù)15分鐘,最終應(yīng)力為2.5 MPa。
為了控制高地應(yīng)力的影響,采用了分步開(kāi)挖法,即中心隔板(CD)法。斷層帶隧道段分三個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖,即頂部導(dǎo)坑、中間臺(tái)階和下部臺(tái)階。左導(dǎo)洞總是比右導(dǎo)洞超前15 m以上,以便通過(guò)前導(dǎo)洞的變形釋放圍巖中的應(yīng)力。每個(gè)臺(tái)階的單周期開(kāi)挖長(zhǎng)度為0.7 m,隧道仰拱與頂部導(dǎo)坑開(kāi)挖面之間的距離不超過(guò)25 m。
本文詳細(xì)介紹了具有代表性的公路隧道——鳳山二號(hào)隧道施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的案例研究。突出的特點(diǎn)包括地質(zhì)預(yù)報(bào)、高壓地下水封閉和大變形控制措施。本案例的研究經(jīng)驗(yàn)可供今后類似項(xiàng)目參考,總結(jié)如下。
(1)在建造一條深長(zhǎng)的山嶺隧道之前,全面了解不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的確切位置和大小是困難的,也是不現(xiàn)實(shí)的。開(kāi)挖前必須對(duì)不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效檢測(cè)。在富水?dāng)嗔褞е薪?jīng)常遇到高壓地下水。采用能量釋放、減壓、及時(shí)封堵、開(kāi)挖前帷幕灌漿、徑向灌漿等技術(shù),成功封堵高壓大流量地下水。
(2)地下水壓力和入滲量的預(yù)測(cè)是地下水處理的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)提供的參數(shù),可以有效地預(yù)測(cè)斷層帶的流入。針對(duì)高地應(yīng)力采取的對(duì)策是基于對(duì)圍巖的數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。這些技術(shù)包括提高支護(hù)剛度、雙層一次支護(hù)、加強(qiáng)預(yù)支護(hù)、增加預(yù)變形、注漿加固和及時(shí)安裝永久襯砌。這些措施有效地控制了高地應(yīng)力條件下軟弱巖體的大變形,實(shí)現(xiàn)了擠壓斷裂帶的安全施工。
(3)圍巖內(nèi)部位移的動(dòng)態(tài)演化與隧道施工過(guò)程密切相關(guān)。直到二次襯砌完工后,圍巖內(nèi)部位移才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在監(jiān)測(cè)斷面不同位置,拱頂處圍巖內(nèi)部位移均大于隧道拱肩處,甚至大于隧道側(cè)墻處。圍巖層位較低的斷面,圍巖內(nèi)部變形較大。
(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和測(cè)量可以知道拱頂位移沉降和周圍位移收斂中存在的問(wèn)題,分析了圍巖和初始支護(hù)在施工中的穩(wěn)定情況和變形程度。它為評(píng)估和修改初始支持參數(shù)提供信息。從而保證隧道施工和二次襯砌時(shí)間足夠安全。減少了其他監(jiān)測(cè)儀器的使用,提高了監(jiān)測(cè)效率,降低了成本。目前的監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法對(duì)其他土木工程的變形監(jiān)測(cè)也有一定的積極參考價(jià)值。
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Study on Monitoring and Measurement of Highway Tunnels——Taking Fengshan No.2 Tunnel as an Example
Monitoring and measurement are one of the three main factors of the new Austrian tunneling law. By measuring, collecting and analyzing the deformation data of tunnel rock mass, the measured data can be used to feed back the excavation results and guide the construction in time. Tunnel monitoring includes monitoring methods, monitoring equipment, data processing and analysis, and guides construction through data analysis and feedback. Taking the on-site monitoring of Fengshan No.2 tunnel in Guangxi as an example, some reasonable suggestions are provided for the improvement of tunnel construction. Measures such as energy release and pressure reduction, timely plugging, curtain grouting before excavation and radial grouting are adopted to control high-pressure groundwater. Measures such as improving support stiffness, double-layer primary support, pre-support, increasing pre-deformation, grouting reinforcement and timely installing permanent lining are taken to ensure the safe construction of the tunnel. The study will provide useful reference and guidance for the design, construction and monitoring of similar projects in the future.
highway tunnel; monitoring and measurement; safety construction
U45
A
1008-1151(2022)10-0025-04
2022-08-15
呂培華(1984-),廣西路建工程集團(tuán)有限公司工程師,從事交通工程建設(shè)與技術(shù)管理工作。