圍巖變形監測在公路隧道施工中的應用
發布時間：2010-01-14 共1頁
隨著山嶺地區公路建設的不斷發展和公路等級的不斷提高，公路隧道的建設規模和數量日益增多。在我國，由于經濟相對落后及公路隧道修筑起步較晚，隧道修筑技術及單洞長度與發達國家相比，還有一定的差距。在施工過程中通過現場監控量測并結合現場綜合地質信息，對圍巖穩定性做出判斷，并及時調整設計，對保障公路隧道的安全、順利施工和優化工程措施、提高我國公路隧道的科學技術含量，具有現實意義和實際應用價值。京承高速公路何家溝隧道在這方面進行了有益探索。
何家溝隧道位于承德市灤平縣何家溝村，是京承高速公路的重點控制工程之一，隧道為上下行分離式隧道，左洞長1180m，右洞長820m。高程565m～750m，最大相對高差185m左右，斜坡坡度較陡，山間有V型侵蝕沖溝。
隧道圍巖類型與隧道設計
京承高速公路何家溝隧道圍巖分為3類,其中：Ⅱ類圍巖610米，Ⅲ類圍巖800米，Ⅳ類圍巖590米，隧道左右幅合計總長2000米。
隧道采用“新奧法”原理設計，施工中應盡量減少對圍巖的擾動破壞程度，充分發揮圍巖的自承能力，隧道開挖Ⅱ、Ⅲ類采用臺階分布開挖法。隧道采用復合式襯砌，以錨桿加固、掛鋼筋網、噴混凝土、格柵鋼架支撐等為初期支護，模筑混凝土或鋼筋混凝土為二次支護，并在兩層襯砌之間鋪設防水板。
隧道開挖輪廓預留變形量為：Ⅱ類圍巖15cm，Ⅲ類圍巖10cm，Ⅳ類圍巖7cm。隧道凈寬12.25米，斷面采用曲墻帶仰拱斷面形式（Ⅱ、Ⅲ類圍巖帶仰拱，Ⅳ類圍巖不帶仰拱），曲墻與頂拱為同一半徑，半徑為6.35米，仰拱半徑為13.25米。隧道處于基本烈度6度地震區，按烈度7度地震區設防，隧道襯砌結構采用曲墻噴錨帶仰拱的復合式襯砌。
監控量測方案與布置
在施工過程中，為了及時掌握隧道圍巖的變形情況以及預測隧道圍巖的變化趨勢，在隧道的Ⅱ類圍巖、Ⅲ類圍巖和Ⅳ類圍巖布置了收斂量和拱頂下沉量監測網，在每類圍巖中布置2個監測斷面，Ⅱ類圍巖每10米一個監測斷面、Ⅲ類圍巖每20米一個監測斷面，Ⅳ類圍巖每30米一個監測斷面。由于施工時采用半斷面上導洞先開挖，因此上述每個監測斷面均布置3個測點，即拱頂一個測點兩幫各一個測點。為確保數據采集的及時性、準確性，前15天每天采集2次數據，15～30天每天采集一次數據。
量測數據處理與分析
通過對京承高速公路何家溝隧道拱頂下沉位移及水平收斂位移的分析，變形位移與圍巖類別、穩定時間有一定的對應關系，可以看出：圍巖位移基本上是連續的，拱頂下沉量大于水平收斂位移量，圍巖位移沒有產生突變現象，圍巖類別越高，收斂位移越小。位移在前期隨時間增長而迅速加大，位移速率逐漸減低。當到達一定時間后，位移趨向穩定。
變形大體經歷了三個階段即：增長和急劇增長階段，其持續時間大約為20～40d，此階段變形量約占趨向穩定時總變形量的 80%左右；慢增長階段，持續時間大約20～30d；以后是開始趨向穩定階段。穩定時間基本按Ⅳ—Ⅲ—Ⅱ類圍巖的次序遞增，這是因為圍巖越穩定，位移穩定時間就越快。到緩慢增長變形階段，變形已釋放程度達90%以上，基本趨于穩定狀態。
隧道施工實踐
根據水平收斂位移及拱頂下沉監測成果,獲取現場信息,并及時反饋信息,并結合現場實際情況,及時修改與完善設計，而正確指導施工。通過對測試成果的深入分析,及時提出合理的二次支護時間。當收斂位移變形速率明顯下降,或變形開始趨向穩定時,應及時進行二次支護。否則位移又可能繼續發展。
在現有圍巖和支護條件下,二次支護合理的間隔時間應是 50～80d。試驗隧道左幅原設計為Ⅱ類圍巖、Ⅲ類圍巖、Ⅳ類圍巖地段，過對水平收斂位移監測和拱頂下沉位移監測成果以及現場巖塊點荷載試驗和相關地質資料的統計和分析,可以得出:以上隧道圍巖位移量并不是很大，而且位移比較連續，沒有跳躍，經過40天左右基本趨于穩定，沒有繼續突然變化的趨勢。
隧道圍巖為砂巖，巖石的單軸抗壓強度在30～55Mpa之間，現場巖塊點荷載試驗巖塊的強度基本在2～4Mpa之間，屬于硬質巖石。這與原設計有一定差異，原設計偏于保守，當然由于設計階段受地表勘測規模、技術手段、時間以及資金投入等因素的限制，存在這種差異是不可避免的。建議在原設計的基礎之上提高一個類別進行施工、支護，在原設計Ⅱ類圍巖地段可不必全段架設鋼格柵，只在危險地段架設鋼格柵即可，同時應該嚴格控制超挖現象，在危險地段應該繼續加強監測，并與現場各種地質信息綜合分析，并及時反饋，做到真正的信息化施工。
通過京承高速公路何家溝隧道洞壁收斂位移—時間特征、拱頂下沉位移量特征的分析,提出合理的二次支護時間,完善了設計階段對某些地段設計過于保守的工程設計,并及時向有關部門提出建議,根據實際情況及時變更設計指導施工。
實踐證明施工過程中的位移監測→信息取得→反饋信息→指導設計、施工,不但顯著的縮減了工程造價，而且縮短了工程建設工期，對于京承高速公路何家溝隧道的施工建設具有重要意義。董樹國 褚鐵成
何家溝隧道位于承德市灤平縣何家溝村，是京承高速公路的重點控制工程之一，隧道為上下行分離式隧道，左洞長1180m，右洞長820m。高程565m～750m，最大相對高差185m左右，斜坡坡度較陡，山間有V型侵蝕沖溝。
隧道圍巖類型與隧道設計
京承高速公路何家溝隧道圍巖分為3類,其中：Ⅱ類圍巖610米，Ⅲ類圍巖800米，Ⅳ類圍巖590米，隧道左右幅合計總長2000米。
隧道采用“新奧法”原理設計，施工中應盡量減少對圍巖的擾動破壞程度，充分發揮圍巖的自承能力，隧道開挖Ⅱ、Ⅲ類采用臺階分布開挖法。隧道采用復合式襯砌，以錨桿加固、掛鋼筋網、噴混凝土、格柵鋼架支撐等為初期支護，模筑混凝土或鋼筋混凝土為二次支護，并在兩層襯砌之間鋪設防水板。
隧道開挖輪廓預留變形量為：Ⅱ類圍巖15cm，Ⅲ類圍巖10cm，Ⅳ類圍巖7cm。隧道凈寬12.25米，斷面采用曲墻帶仰拱斷面形式（Ⅱ、Ⅲ類圍巖帶仰拱，Ⅳ類圍巖不帶仰拱），曲墻與頂拱為同一半徑，半徑為6.35米，仰拱半徑為13.25米。隧道處于基本烈度6度地震區，按烈度7度地震區設防，隧道襯砌結構采用曲墻噴錨帶仰拱的復合式襯砌。
監控量測方案與布置
在施工過程中，為了及時掌握隧道圍巖的變形情況以及預測隧道圍巖的變化趨勢，在隧道的Ⅱ類圍巖、Ⅲ類圍巖和Ⅳ類圍巖布置了收斂量和拱頂下沉量監測網，在每類圍巖中布置2個監測斷面，Ⅱ類圍巖每10米一個監測斷面、Ⅲ類圍巖每20米一個監測斷面，Ⅳ類圍巖每30米一個監測斷面。由于施工時采用半斷面上導洞先開挖，因此上述每個監測斷面均布置3個測點，即拱頂一個測點兩幫各一個測點。為確保數據采集的及時性、準確性，前15天每天采集2次數據，15～30天每天采集一次數據。
量測數據處理與分析
通過對京承高速公路何家溝隧道拱頂下沉位移及水平收斂位移的分析，變形位移與圍巖類別、穩定時間有一定的對應關系，可以看出：圍巖位移基本上是連續的，拱頂下沉量大于水平收斂位移量，圍巖位移沒有產生突變現象，圍巖類別越高，收斂位移越小。位移在前期隨時間增長而迅速加大，位移速率逐漸減低。當到達一定時間后，位移趨向穩定。
變形大體經歷了三個階段即：增長和急劇增長階段，其持續時間大約為20～40d，此階段變形量約占趨向穩定時總變形量的 80%左右；慢增長階段，持續時間大約20～30d；以后是開始趨向穩定階段。穩定時間基本按Ⅳ—Ⅲ—Ⅱ類圍巖的次序遞增，這是因為圍巖越穩定，位移穩定時間就越快。到緩慢增長變形階段，變形已釋放程度達90%以上，基本趨于穩定狀態。
隧道施工實踐
根據水平收斂位移及拱頂下沉監測成果,獲取現場信息,并及時反饋信息,并結合現場實際情況,及時修改與完善設計，而正確指導施工。通過對測試成果的深入分析,及時提出合理的二次支護時間。當收斂位移變形速率明顯下降,或變形開始趨向穩定時,應及時進行二次支護。否則位移又可能繼續發展。
在現有圍巖和支護條件下,二次支護合理的間隔時間應是 50～80d。試驗隧道左幅原設計為Ⅱ類圍巖、Ⅲ類圍巖、Ⅳ類圍巖地段，過對水平收斂位移監測和拱頂下沉位移監測成果以及現場巖塊點荷載試驗和相關地質資料的統計和分析,可以得出:以上隧道圍巖位移量并不是很大，而且位移比較連續，沒有跳躍，經過40天左右基本趨于穩定，沒有繼續突然變化的趨勢。
隧道圍巖為砂巖，巖石的單軸抗壓強度在30～55Mpa之間，現場巖塊點荷載試驗巖塊的強度基本在2～4Mpa之間，屬于硬質巖石。這與原設計有一定差異，原設計偏于保守，當然由于設計階段受地表勘測規模、技術手段、時間以及資金投入等因素的限制，存在這種差異是不可避免的。建議在原設計的基礎之上提高一個類別進行施工、支護，在原設計Ⅱ類圍巖地段可不必全段架設鋼格柵，只在危險地段架設鋼格柵即可，同時應該嚴格控制超挖現象，在危險地段應該繼續加強監測，并與現場各種地質信息綜合分析，并及時反饋，做到真正的信息化施工。
通過京承高速公路何家溝隧道洞壁收斂位移—時間特征、拱頂下沉位移量特征的分析,提出合理的二次支護時間,完善了設計階段對某些地段設計過于保守的工程設計,并及時向有關部門提出建議,根據實際情況及時變更設計指導施工。
實踐證明施工過程中的位移監測→信息取得→反饋信息→指導設計、施工,不但顯著的縮減了工程造價，而且縮短了工程建設工期，對于京承高速公路何家溝隧道的施工建設具有重要意義。董樹國 褚鐵成
