隧道变形监测方案.doc
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富水土质隧道围岩变形监测及其应用
(中铁建某集团山东)
摘要本文以新松树湾隧道为例,通过内空收敛和围岩内部位移的量测,分析了富水土质隧道的围岩变形规律,对类似工程施工有一定的参考价值。
关键词富水土质隧道围岩变形
5
随着西部大开发的进行,对富水黄土地区的隧道施工参数的测试和研究具有重要的意义。
本文以新松树湾隧道为例进行探讨。
1工程概况
新松树湾隧道为既有松树湾隧道复线的单线铁路隧道,位于甘肃省陇西县境内大营梁,全长1726m,复合衬砌。
大营梁为黄土梁峁区,该隧道范围地层为上更新统风积粘质黄土和下、中更新统冲、洪积杂色砂粘土。
粘质黄土为淡黄色、棕黄色,厚0—20m,土质较匀,具孔隙及虫孔,局部含白色钙丝及钙质斑点,半干硬至硬塑,II级普通土,II类围岩,σ0=150kPa,具II级自重湿陷性。
杂色砂粘土主要表现为强崩解性,一定的膨胀性及含有盐碱成分。
II级普通土,II类围岩,σ0=200--250kPa(局部软塑—流塑状,I类松土,I类围岩,σ0=100--120kPa)。
大营梁地带年平均降水量513.3mm,隧道三面汇水,地下水较发育,系大气降水补给。
地下水主要有上层滞水和裂隙水,前者一般埋深15—30m之间。
多见有泉和渗水出露,水量相对较大,隧道内日渗水量22--18m3/d.地下水对混凝土具弱侵蚀性。
经调查,既有松树湾隧道(1960年建成)各地段有不同程度的渗漏水现象。
隧道渗水主要通过拱顶、边墙接缝、排水沟孔、墙角部位渗出,水对普通硅酸盐水泥有侵蚀性。
因此,新松树湾隧道采用曲墙有仰拱衬砌,除进口端I类围岩模筑衬砌,余均采用复合衬砌。
初期支护为1榀/m钢格栅+钢筋网+钢筋锚杆喷锚。
在施工中采用新奥法分三台阶开挖。
2量测项目
根据现场情况,选取了八个量测断面进行内空收敛的测试;还选取了两个断面进行围岩内部位移测试。
内空收敛在开挖后马上埋设测点,在12小时内测取初始读数,采用煤炭科学研究院生产的JSS30型数显收敛计量测。
观测断面里程分别为1#面——DK1601-8.4,2#面——DK1601+6.4,3#面——DK1601+21.9,4#面——DK1601+36.1,5#面——DK1601+46.5,6#面——DK1601+86.5,7#面——DK1601+122.5,8#面——DK1601+172.7,其中7#、8#面进行围岩内部位移测试(图1),每个断面各有六条内空收敛测线,即1-2、1-3、1-4、1-5、2-3、4-5。
围岩内部位移采用煤炭科学研究院生产的杆式多点位移计进行测量,这种位移计使用膨胀木锚头,具有安装简单,可靠等特点,每个钻孔可分别测量埋深1M,2M,4M处的围岩与洞壁之间的相对位移。
图1内空收敛及围岩内部位移测点布置图
Fig.1Arrangementoftheconvergencesandinternaldisplacementofthewallrock
3内空收敛量测
通过测量结果计算各测线收敛累计值,同时计算出各测线的位移速率。
隧道周边收敛按下式计算:
收敛速率按下式计算:
其中,——初始观测值;
——第i次观测值;
—第i次观测时的收敛速率。
为研究开挖面的影响,用下式计算观测面与掌子面的距离。
L=D-D0
其中,L—观测面与掌子面距离;
D—掌子面里程;
D0—观测面里程。
3.1内空收敛随时间变化趋势
根据现场情况,根据初期支护形式将观测面分为两组:
1#—5#面均为格栅钢架支护,7#、8#面为工字钢型钢钢架支护。
因篇幅所限,在两组观测面中各选取一个观测面作为示例(图2,图3)。
图23#面内空收敛与时间关系曲线
Fig.2Thecurveoftheconvergences-timeof3thcrosssection
根据观测曲线可见,隧道收敛随时间变化而增大,图中收敛量的瞬间突跳,通常由开挖进尺向前延伸引起;测值偶有下降,是围岩组构中局部范围内的节理裂隙,瞬时出现较大变形的伴生现象。
曲线的几何形状可表示为连续的折线。
通过分析,从这些监测数据中可发现富含水土质隧道收敛有如下变形规律:
(1)每个监测断面内各测线收敛值差别较大,水平测线收敛量明显大于其他测线,说明侧墙朝向洞内变形较大,这是由于隧道仰拱施工前,两侧墙墙角受到的约束较小所致。
图37#面内空收敛与时间关系曲线
Fig.3Thecurveoftheconvergences-timeof7thcrosssection
(2)隧道的收敛主要出现在开挖后的短期内。
表1为各测线第一天收敛与最大收敛量比值,可见第一天内收敛量占各测线收敛量很大比重,要求初期支护尽快进行,以约束变形。
隧道开挖后的前两三天之内,隧道变形发展较快,之后收敛仍继续增大,没有稳定的趋势。
说明隧道围岩具有一定的时间依存性,在外荷载不变情况下,围岩变形随时间增加而增大。
另一方面与地下水渗透有关。
隧道开挖后,因地下水重新汇集,使围岩的应力状态和变形随时间而不断变化,结果使隧道周围可能出现一定范围的破坏区(或松动区),破坏区内围岩渗透系数增大,导致围岩变形增大,因此隧道变形趋于稳定需要较长时间。
表1第一天收敛量与最大收敛量比值表
Table1Ratioofthe1stdayoftheconvergences
观测面
测线
1--2
1--3
2—3
1--4
1—5
4--5
1#
0.11
0.397
0.354
2#
0.154
0.323
3#
0.323
0.49
0.678
0.409
0.232
4#
0.051
0.219
0.241
0.294
0.22
0.308
5#
0.366
0.56
0.399
0.403
0.878
0.121
(3)在进行1#—5#面观测后,经过一段时间,发生初期支护向内变形侵线现象,经分析为钢格栅支护变形过大所致,据此变更支护形式,将支护改为工字钢型钢拱架1榀/m支护,以增加支护刚度。
通过现场量测,变更收到了良好的效果。
修改支护参数后,内空收敛的规律相近,只是初期支护采用型钢拱架,收敛值大为减小。
根据变形曲线,各测线收敛并非都是单调增大,主要是开挖顺序影响;因采用左右上下的分步开挖方式,左右土体不是同时开挖,隧道变形也非对称分布。
3.2内空收敛与开挖面距离的关系
为研究内空收敛与开挖面距离的关系,选取典型数据做相关曲线(图4)。
图47#面内空收敛与掌子面距离关系曲线
Fig.4Thecurveoftheconvergences-distanceof7thcrosssection
由曲线可见,观测面与掌子面距离越远,收敛越大,因此时掌子面的约束随离开距离的增大逐渐减小,当掌子面离开一定距离(约30m),收敛变化幅度趋缓而不稳定,围岩仍产生缓慢变形。
根据隧道开挖进尺,大部分时间为3.3m/天,当进尺增大为6.6m/天时,收敛—开挖面距离曲线斜率增大,测线收敛有增大的趋势。
说明开挖进尺对围岩变形有一定影响。
曲线有凸凹状。
根据施工记录分析,曲线呈凹陷部分为掌子面开挖过程,曲线凸出部分为掌子面喷混凝土和打锚杆过程。
掌子面开挖过程中,因未支护部分临空时间短,变形较小;掌子面喷混凝土和打锚杆过程中,开挖后的未支护围岩临空时间较长,变形较大。
从曲线和施工记录还可看出,核心土开挖完成后,1—4、1—5、4—5等位置靠下的测线收敛较大,1—2、1—3、2—3等位于上部的测线收敛较小。
可见,核心土对拱脚等位置的变形影响较大。
掌子面对观测面的影响还体现在测线收敛的不均匀性。
当左马口开挖施工后,1—4测线的变形大于1—5测线的变形,而与1--4测线同侧的1—2测线的变形小于1—3测线变形。
隧道有向马口方向略微倾斜的趋势。
因此,要注意上台阶土开挖完成后的下一步施工程序。
左右边墙马口交错开挖,同侧马口宜跳段开挖,不宜顺开。
先开马口长度不能太长,并及时施做边墙衬砌。
后开马口应待相临边墙墙顶与拱脚混凝土达到一定强度后方可开挖,以防止变形过大。
3.3收敛速度与时间关系
根据观察,隧道开挖初期收敛速度较快,随着时间的增长,收敛速度逐渐变得稳定。
各测线收敛速度逐渐接近,隧道变形均匀,未出现偏心现象。
总体上观测第一天测线的收敛速度最快,在三天左右收敛速度稳定。
部分测线收敛速度曲线出现峰值和波谷,根据施工记录,此现象由开挖部位的不同引起。
如上台阶开挖后,2—3测线达到峰值;而挖核心土后,4—5测线达到峰值。
可见,本工程采用的分步开挖法较为合适,初期支护应紧跟开挖面施做。
3.4本工程现场情况探讨
因收敛测点的埋设在隧道开挖后混凝土初喷时进行,只能在初喷后量测测线。
这样,已经将收敛最大的阶段忽略,故量测结果小于实际的内空收敛值。
因工程情况所限,收敛结果未与拱顶下沉共同分析。
故此量测结果无法反映各测线的绝对变形大小。
4围岩内部位移量测
围岩内部各点的位移是围岩动态表现。
它不仅反映围岩内部的松弛程度,更能反映围岩松弛范围的大小,这是判断围岩稳定性的一个重要参考指标。
现阶段因各种测试手段受实际工程地质条件影响较大,测点固定困难,国内此方面研究进行较少,所得结果大多作为参考。
在本工程中,采用煤炭科学研究院研制的DW-3A型钻孔多点位移计量测。
先向围岩钻孔,将此位移计埋入洞壁内部,在距离洞壁1m,2m,4m处用遇水膨胀软木锚头与周围围岩固定,并与围岩共同变形。
用游标卡尺测量钻孔内(围岩内部)各点相对于孔口(洞壁)一点的相对位移。
4.1围岩内部位移随时间变化趋势
由图5、图6可见,围岩内部变形较小。
比较每个测点在围岩内部4m、2m、1m不同深度的变形大小,大致为同一测点围岩内部4m处的变形值>2m处的变形值>1处的变形值;比较每个观测面上各测点的变形值,发现4#、5#点变形值>2#、3#点变形值>1#点变形值,即墙趾变形>拱脚变形>拱顶变形。
将围岩内部位移与内空收敛观测结果进行比较,可发现同一测线上孔口累计位移和与内空收敛观测结果基本一致,围岩内部位移变形趋势与内空收敛变化趋势也基本一致。
根据每个钻孔的变形曲线,未见滑动面产生,说明隧道围岩是稳定的。
2#、3#,4#、5#点4m处的内部位移之和与收敛值相近,说明围岩松动圈为此范围。
图57#面2#、3#点围岩内部位移与时间关系曲线
Fig.5Thecurveoftheinternaldisplacementofthewallrock-timeof7thcrosssection
5结论
(1)隧道开挖后,围岩土及孔隙裂隙水失去支撑环境,形成新的水力坡度,造成渗流,带走部分土颗粒,使黄土产生崩解破坏作用。
随着水力坡度变小,变形速度减小,即收敛先快后慢。
隧道开挖后,围岩土体失去平衡状态,应力重新调整,改变土体颗粒流动方向,引起开挖面周围一定范围内土体产生移动,即为松动圈。
隧道收敛量测表明,隧道开挖后发生明显变形,且各方向收敛量差别较大,水平测线收敛量明显大于其他测线,说明两个侧墙朝洞内变形较大,这可能与隧道高度大于跨度,仰拱未及时浇筑,形成封闭支护等因素有关。
(2)开挖后一周或更长时间后,隧道收敛仍无稳定趋势,仍缓慢发展。
可能与洞壁面上地下水渗透引起围岩应力变化有关,也可能隧道围岩具有一定的时间依存性,即围岩具有一定的蠕变特性。
对此应采取相应的工程措施。
比如加强喷射混凝土的质量,防止围岩中水的渗透,或加强初期支护刚度,增加系统锚杆等。
另外,开挖后及时施工仰拱,封闭底板围岩,或者在仰拱完成之前,尽可能减少施工用水渗入底板。
图67#面4#、5#点围岩内部位移与时
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