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之三
联拱隧道施工阶段全过程位移变化规律研究
云南省公路工程监理咨询公司
1.项目概况
东苗冲双联拱隧道净宽28m,净高5.0m,由中隔墙分隔为左右两洞,左洞净空面积83.62m2,右洞880.51m2。
隧道最大埋深约为77m,最浅埋深约为5m,进口较长地段偏斜严重。
本隧道处于剥蚀、溶蚀丘陵地貌类型,隧道垂直穿越一脊向南北的丘体,围岩类别Ⅰ—Ⅲ类,主要为强风化泥岩、砂质页岩及富含软流塑状充填物的溶洞,地质条件复杂多变。
2、监控量测目的
由于东苗冲双联拱隧道地质条件差;开挖跨度大;洞身采用三导洞法分部施工,施工工序转换频繁,多次扰动结构和围岩,受力状况复杂,施工中全过程进行了监控量测,通过监控量测获得围岩动态和支护工作状态的数据,探索联拱隧道施工阶段全过程位移变化规律,指导施工,预报险情,确保安全;为隧道工程设计与施工积累资料,为今后的设计与施工提供类比依据。
3、监控量测项目及要求
针对东苗冲联拱隧道的特点,施工过程中监控量测必测项目选择了地质及支护状态观测、拱顶下沉、地表下沉、周边位移量测等量测项目。
现场量测项目及要求见表1:
表1量测项目及要求
项目名称
方法及工具
布置
测试频率
1~15天
15天~~1个月
2~~3个月
3个月以上
必测项目
地质及支护状态观测
岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述,地质罗盘。
照相机
隧道全长,开挖后及初期支护后进行
每次爆破后及初期支护后
周边位移
SL-2型便携式收敛计
每10-50m一个断面,每断面2对测点
1次/天
1次/2天
1次/周
1次/月
拱顶下沉
WILD精密水准仪、水准尺
每10-15m一个断面,每断面2~3对测点
1次/天
1次/2天
1次/周
1次/月
地表下沉
WILD精密水准仪,水准尺
洞室中心线上,并与洞轴线正交平面的一定范围内布设必要数量测点
1次/1~~2天
3.1、地质及支护状态观测
洞外观测包括对洞口地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定、地表水渗透的观测。
洞内在每次爆破及支护后,观测围岩变化、地下水状态、检查支护结构外观是否发生变化等,在观测中如发现地质条件恶化,立即采取应急措施。
洞内观测需要绘制开挖面地质素描图,填写工作面状态记录表及围岩类别判定卡。
对已施工区段的观测每天进行一次,观测内容包括喷射混凝土、锚杆、钢架的状态。
3.2、净空变化、拱顶下沉和地表下沉
净空变化、拱顶下沉和地表下沉量测点布置在同一断面,选择具有代表性的地方,以便对量测数据的分析及为以后的施工提供经验。
拱顶下沉测点,导洞施工中仅在拱顶布置一处;主洞施工除在拱顶设一测点外,两侧对称布置一组。
收敛量测测点在导洞起拱线上下各设一组,主洞施工于侧洞顶部主洞开挖拱脚位置设一组。
地表测点设在隧道两洞口端浅埋地段洞室中心线上,并与洞轴线正交平面的一定范围内布设必要数量测点。
洞口段地表及洞内监控量测点的布置见下图。
4、量测数据的整理
(1)每次量测后及时进行数据整理,并绘制位移量随时间变化的曲线;位移速度随时间变化的曲线;绘制位移量与开挖面关系曲线等。
(2)数据异常时,应根据具体情况及时采取加厚喷层、加密或加长锚杆、增加钢架等加固措施。
东苗冲隧道施工全过程进行了监控量测并及时根据量测数据绘制净空水平收敛、拱顶下沉及地表下沉时态变化曲线图。
5、施工过程位移变化规律分析
5.1、拱顶下沉位移变化规律
拱顶下沉部分代表性断面(进口偏压浅埋段)时态变化曲线如下图:
从拱顶下沉量测时态曲线图分析表明:
单洞上台阶开挖初期(2-3天)变化较大,后缓慢趋于稳定。
下台阶开挖时变化急剧增加,随围岩Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类类别不同,变化更明显。
另由同一断面拱顶三点量测数据分析,联拱隧道变形最大值最有可能发生在两主洞的拱顶部分,量测最大矢量值为12mm,从拱顶往两边矢量值渐小。
从而表明,联拱隧道施工应对拱顶下沉给予足够重视,同时拱脚以下及边墙底部的衬砌厚度及质量保证也十分重要。
5.2、净空收敛变化规律及支护稳定性判断
净空收敛量测部分代表性断面时态变化曲线如下图:
根据观测点绘制的隧道周边收敛量测时态变化曲线表明:
①边墙衬砌及封闭仰拱闭合成环后,结构基本稳定,初期支护早封闭对围岩的稳定性起到重要作用。
②隧道围岩的稳定性与洞室开挖方法、支护形式有密切关系,开挖施工过程也是围岩应力、应变调整的过程;下台阶开挖后临时支撑的拆除影响着围岩的稳定性。
③由于二次衬砌完工时间有一段间隔,围岩应力释放至初期支护已基本完成,二次衬砌基本无沉降及变形。
围岩稳定性采用综合评判标准:
①根据位移变化速率判别:
当净空变化(收敛)速率大于1~2mm/d时,表明围岩处于急剧变形状态,应加强初期支护系统;
当净空变化(收敛)速率小于0.2mm/d时,则认为围岩达到基本稳定。
上述标准不适于浅埋地段。
浅埋地段应加强初期支护强度和刚度,严格控制变形发展。
②根据位移时态曲线的型态判别:
当围岩位移速率不断下降时,围岩趋于稳定状态,当围岩位移速率保持不变时,围岩不稳定,应加强支护;当围岩位移速率不断上升时,围岩进入危险状态。
根据隧道净空收敛量测绘制的位移变化速率曲线及位移时态曲线,判明围岩的受力状态,施工中对支护参数随时进行调整。
工程实例如下:
工程实例一左主洞K9+425断面处于浅埋段,拱部量测结果位移变化速率曲线显示第五天后净空变化速度小于0.2mm/d,,但位移时态曲线显示围岩位移速率不断上升,施工现场综合评判,围岩已进入危险状态,仔细观察现场初喷混凝土环向局部已有裂纹产生.施工措施采取拱部停止掘进,设圆木临时支顶,同时衬砌跟近开挖岩面,避免了一场塌方发生.随后掘进开挖中,加厚了喷层厚度,缩短了工字钢间距。
工程实例二左主洞自K9+425断面起调整支护参数后,对K9+430断面进行收敛量测,根据绘制的位移变化速率曲线及位移时态曲线表明位移变化速率小于0.2mm/d,位移时态曲线显示2日后围岩位移速率不断下降,观察初期支护无异常现象发生,说明开挖后围岩稳定,支护参数合理。
工程实例三左主洞K9+440设收敛量测点,根据绘制的位移变化速率曲线及位移时态曲线表明位移变化速率小于0.2mm/d,位移时态曲线显示2日后围岩位移速率保持不便,说明围岩不稳定,经调查,支护参数虽已调整,但喷射混凝土的厚度不达设计要求。
该地段进行补喷后再进行收敛量测,位移时态曲线显示围岩位移速率不断下降,围岩趋于稳定。
5.3、地表下沉
地表部分代表性断面下沉沉降曲线如下图:
从地表下沉量测曲线可知:
(1)隧道埋深越浅,地质条件越差,洞顶同一部位地表下沉值越大;洞顶同一横断面联拱隧道近中墙部位地表沉降最大,往两边逐渐减小,说明中墙在承受竖向应力中发挥了极大作用,中墙上部的三角地带在施工中要十分精细。
原因分析:
隧道埋深越浅,洞内爆破作业对地表的扰动越大,洞顶同一部位地表下沉值也就越大。
浅埋段中墙部位上部围岩在“中导洞—双侧壁三导洞”法施工中受爆破开挖震动扰动次数最多,每次扰动均造成浅埋地表的一次沉降;因处于中墙部位,一侧洞室开挖震动相对于异侧洞室,中墙位置最近,其顶部围岩震动扰动最严重,中墙部位浅埋地表累计叠加沉降也就最大。
(2)地表下沉量与隧道偏压有一定关系:
隧道进口K9+360~K9+400段为偏压浅埋段,中洞及侧洞开挖后,地表最大下沉值达25cm,纵向裂纹
8—20cm不等,地表有向右侧下滑趋势。
处理措施在位于衬砌边墙外侧,纵向间距3.5m,布置9根3×2m钢筋混凝土抗滑柱桩,柱桩出露地表部分加设拱型挡土板反压回填土以抵抗山体对洞身的偏压,确保施工安全及结构的稳定性,采取措施后地表下沉趋于稳定。
6、结束语
联拱隧道跨度大、埋置浅、施工荷载多次转换,因此,联拱隧道施工不是简单的两个单洞相加,通过施工中监控量测,了解净空及地表变化情况,指导施工,探索联拱隧道施工全过程位移变化规律,对保证施工安全起到重要作用。
(执笔人:
申海)
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