黄河高阶地复杂地质条件大断面隧道施工监控量测与分析.pdf

黄河高阶地复杂地质条件大断面隧道　　　　施工监控量测与分析李寿福　　中铁二十一局集团第四工程有限公司西安７１００６５　　Ⅲ兰新第二双线兰州枢纽引入工程孔家营和东坪村等隧道穿越黄河级阶地，地质条件较为复杂，涉及黄土隧道、圆砾土隧道、泥岩夹砂岩隧道、二元（三元）地层组合隧道。结合阶地地质条件的特点，选择孔家营隧道不同软岩地层断面对施工进行全面、系统监控量测，以对比分析不同地质条件围岩在开挖过程中的结构和应力状态的变化和支护结构的稳定状态。评价和修改隧道的初期支护参数，进行力学分析以及为二次衬砌施作时间提供信息依据，同时深化工法的适用性，并对其进行优化，提出适用于该类地质条件隧道施工的工法参数。　　　　黄河阶地；复杂地质；大断面；隧道；监控量测Ｕ４５６Ｂ　　　　　　１００９－４５３９（２０１３）０８－００９６－０６　　　　　　　　　　　ＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬａｒｇｅＳｅｃｔｉｏｎＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　ＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒＨｉｇｈＴｅｒｒａｃｅＣｏｍｐｌｅｘＵｎｄｅｒＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ＬｉＳｈｏｕｆｕ　　２０１３－０５－１０万方数据・中铁二十一局集团有限公司专版・力状态有其自身的特点，也是隧道建设者最关心的问题之一，是直接与围岩稳定状态相联系的宏观物理量，是围岩与周围环境等各种因素综合作用的结果。围岩变形信息是岩体开挖时能反映围岩状态的信息，同时围岩的应力状态也不可忽视，探明隧道开挖前后的围岩应力状态能更好地指导设计与施工，并是防止施工中发生重大的地质灾害的有效途径。因此，选择典型断面（黄土地层ＤＫｌ４＋１９０、黄土＋圆砾土地层ＤＫｌ４＋２４０、圆砾土＋软岩地层ＤＫｌ５＋２２６、黄土＋圆砾土＋软岩地层ＤＫｌ５＋１７５）对孔家营隧道施工进行全面、系统地监控量测，以掌握围岩在开挖过程中的结构和应力状态的变化和支护结构的稳定状态，并提供有关隧道施工过程的详细资料，不仅可以为评价和修改隧道的初期支护参数，进行力学分析以及二次衬砌施作时间提供信息依据，同时深化工法的适用性，并对其进行优化，提出适用于该类地质条件隧道施工的工法参数。２监测内容与实施方案现场监控量测工作应根据围岩条件、工程规模、施工方法、现场具体条件等来选择测试项目。根据《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》（Ｊ—…１５９２００２）及有关规范和隧道的设计施工图的要求，并根据孔家营隧道现场的具体条件，制定监控量测内容及方法（见表１）旧Ｊ。所有监测量控项目在不同地层结构典型断面上进行，即ＤＫｌ４＋１９０、ＤＫｌ４＋２４０、ＤＫｌ５＋１７５和ＤＫｌ５＋２２６。表１■监控测项目与监测方法序号项目名称方法布置ｌ周边收敛位移—ＨＹＳＩＪ－２便携式收敛计２拱顶沉降全钻仪３混凝土表面应变振弦混凝土应变计每个断面１０个４围岩压力压力盒每个断面５个５钢拱架压力压力盒每个断面５个６钢拱架应变振弦表面应变计每个断面５个７围岩位移多点位移计每个断面３个（１）周边收敛位移周边收敛位移监测布设如图１所示，每个断面布设２条测线，采用ＨＹ．ＳＬＪ．２型便携式钢尺收敛计进行量测。０Ｉ｜ＩＬ一．４图１隧道周边收敛位移测线布置（２）应力应变量测图２为应力应变量测元件布置。混凝土表面应变、围岩压力、钢拱架压力和钢拱架应变量测布设５个测点，分别安装在拱顶处、左右拱肩以及左右拱腰等位置。围岩位移布设５个测点，分别安装在拱顶和左右拱肩。ｆｊ！ｌ围岩压力盒‘Ｉ是ｌ钢骨架压力盒，闺麟盒｛ｉ、ｌ表面应变计＼唪覆工酗℃／多点位移计岩压力榘压力面应变图２量测元件埋设布置圈岩压力盒铜骨架压力盒盘重廛奎盐混凝土应变计３孔家营隧道监控量测数据处理及结果分析３．１隧道洞周收敛位移所谓隧道收敛位移量测主要是指对隧道壁面两点间水平距离的变形量的量测，拱顶下沉以及底板隆起位移量的量测等。它是判断围岩动态的最主要的量测项目，是隧道围岩应力状态变化的最直观反应，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息。监测过程中采用了江苏海岩公司的ＨＹ．ＳＬＪ－２型收敛计，量测精度为０．０１ｍｍ。在隧道初期支护施作完毕后，于隧道拱腰及拱墙部位埋设了净空收敛监测点，在拱顶埋设了下沉监测点，开始对初支阶段隧道净空收敛和拱顶沉降进行观测。表２为各洞周收敛位移量测断面的累积收敛位移统计分析。铁道建篱技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１３ｆ８Ｊ９７一一一一一一．钢一．墨万方数据・中铁二十一局集团有限公司专版・表２孔家营隧道洞周收敛位移统计分析最大收敛累计收收敛位移监测断面测线位移／ｍｍ敛位移／ｍｍ变化趋势拱顶６．０２６９稳定ＤＫｌ４＋１９０测线１－２５．５３８．７减小测线３－４５．Ｏ２３４稳定拱顶５．２２０．４稳定ＤＫｌ４＋２４０测线１．２４．９３２．０减小测线３．４５．６３０．１稳定拱顶５．４２４．９稳定ＤＫｌ５＋１７５测线１－２５．３３３．５减小测线３．４４．８２２．６稳定拱顶５．１２７．４稳定ＤＫｌ５－４－２２６测线１．２５．５２９．８减小测线３．４３．７１４．４稳定从表２可以看出，各种地层结构隧道断面洞周收敛位移和拱顶沉降量均较小，远小于规范要求的净空收敛位移，而且基本上都趋于减小或稳定。总的看来，各监测断面距离隧道掌子面越近，影响越明显，并有滞后的现象，并随掌子面远去，影响越弱。从累积收敛位移的结果来看，最终实测值基本上已趋于稳定。隧道的拱顶累计沉降最大值是２７．４ｍｍ，为圆砾土＋软岩地层断面，最小值为２０．４ｈｉｍ，为黄土＋圆砾土地层断面。这是因为圆砾土结构松散，在开挖后拱顶失去约束后会有较大的下沉，而与圆砾土接触的黄土层固结程度高，而且黄土层中存在层状半成岩状砂岩，这种板状结构起到了支撑作用，因此拱顶沉降较小。总体上来说，拱顶沉降从小到大依次为黄土＋圆砾土地层断面、黄土＋圆砾土＋软岩地层断面、黄土地层断面和圆砾土＋软岩地层断面。隧道的收敛位移最大值是３８．７ｍｍ，为黄土地层断面，最小值为１４．４ｍｍ，为圆砾土＋软岩地层断面。这是因为岩体结构致密，强度高，因此水平变形相对较小，而黄土和圆砾土为主的断面水平变形较大。总体上来说，收敛位移从小到大依次为圆砾土＋软岩地层断面、黄土＋圆砾土地层断面、黄土＋圆砾土＋软岩地层断面、黄土地层断面。一般来说，软弱黄土隧道施工过程中拱顶下沉量远大于净空收敛量。然而对于阶地黄土来说，由于沉积过程的压密固结作用形成层状结构，使得拱顶沉降小于净空收敛量。因此，阶地黄土隧道施工应优先控制其水平变形。３．２初期支护与围岩之间的压力围岩压力是指引起地下空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。在正常情况下量测值较大，约为０．４～１．０ＭＰａ。通过数值比较，可迅速地得出在通常范围内是否具有一般的安全度，施工作业是否正确以及对围岩状况进行评价。如果围岩压力大，但围岩变形量不大，表明支护时机，尤其是仰拱封底过早，需待围岩应力进一步释放再施作仰拱。图３～图５为断面ＤＫｌ４＋１９０、ＤＫｌ４＋２４０、ＤＫｌ５＋１７５所测得的围岩压力分布（正值表示受压，负值表示受拉，下同）。Ｏ・２０Ｏ．１５叠０．１０≤蔷ｏ．０５０・００－０．０５ｌ０日Ｏ山要。慑ＯＯ一０图３ＤＫｌ４４－１９０围岩压力分布时间曲图４ＤＫｌ４＋２４０围岩压力分布时间讹图５ＤＫｌ５４－１７５围岩压力分布００９８铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１３《８》万方数据・中铁二十一局集团有限公司专版・图３为ＤＫｌ４＋１９０（黄土地层）断面围岩压力分布。可以看出，阶地黄土断面隧道的拱腰为压应力，拱肩为拉应力。同时右侧面力变化较大，拱肩处最大的应力达到０．２ＭＰａ，右侧拱腰压应力随Ｈ，１Ｉ＇．ｑ增大，一个月内趋于稳定；而右侧拱肩拉应力在５ｄ内达到最大值一０．６５ＭＰａ，随后拉应力减小，趋于左拱肩应力。拱顶压力盒做拱肩压力变化不大。究其原因是阶地黄土的偏压造成的。图４为ＤＫｌ４＋２４０（黄土＋圆砾土地层）断面围岩压力分布图，其规律和黄土地层断面基本相似。图５为ＤＫｌ４＋１７５（黄土＋圆砾土＋软岩地层）断面围岩压力分布。可以看出，随着断面黄土地层的减少，软岩地层强度较高，除拱顶外，其它部位的应力皆为压应力。３．３初期支护混凝土应力图６～图８为喷射混凝土应力监测结果。６．ＯＯＥ＋００９５．００Ｅ＋００９４．００Ｅ＋００９案２．００Ｅ＋００９型２．００Ｅ＋００９１．ＯＯＥ＋００９０ＯＯＥ＋０００时间仉Ｉ图６ＤＫｌ４＋１９０喷射混凝土应力分布图７ＤＫｌ４＋２４０喷射混凝土应力分布ＤＫｌ４＋１９０（黄土地层）断面处面力都为压应力，并且变化很大，波动很明显，但是从图中都可以看出应力均很快趋于稳定，虽然变化很大，但是稳定很快。ＤＫｌ４＋２４０（黄土＋圆砾土地层）和ＤＫｌ５＋１７５（黄土＋圆砾土＋软岩地层）断面，只有刚开始有变化，之后基本是稳定不变的，应力并没有大的变化。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴｌ０ＮＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ００芒蒌０杂域Ｏ０—０时间仉１图８ＤＫｌ５＋１７５喷射混凝土应力分布隧道拱部和边墙的喷射混凝土应力均为压应力，且最终受力分布较均匀，说明初期支护喷射混凝土结构拱部和边墙均处于受压状态，结构比较稳定，总体来看，喷射混凝土受力较好。３．４钢拱架内力量测施工中在钢架的内缘布设表面应变计，以测试钢架内侧的受力情况，同时在钢拱架内侧埋设土压力盒用以测量钢拱架与初砌之间的应力。图９～图１４为断面ＤＫｌ４＋１９０、ＤＫｌ４＋２４０和ＤＫｌ５＋１７５的钢架内侧与初砌问应力分布和钢架内侧应力分布。图９ＤＫｌ４＋１９０钢架内侧与初砌间应力分布４．００Ｅ３．００Ｅ皂２．００Ｅ采一１．００ＥＯ．００Ｅ—１．００Ｅ图１０ＤＫｌ４＋１９０钢架内侧应力分布２０１３１８）００ｏ０却加加却如埘却０００００加如加加如加万方数据・中铁二十一局集团有限公司专版・图１１ＤＫｌ４＋２４０钢架内侧与初砌间应力分布４．００Ｅ３．５０Ｅ３，００Ｅ２．５０Ｅ∈２．ＯＯＥＲ住ｉ１．５０Ｅ１．００Ｅ５．００Ｅ０．００Ｅ一５．００Ｅ蛊≤案毯时间仉１图１２ＤＫｌ４＋２４０钢架内侧应力分布由上图分析可知，各测点处面力都是经过一段时间的变化最终趋于稳定，同时，黄土地层断面的钢架内侧应力和钢架内侧与初砌间应力变化速度快，收敛的也比较快，而圆砾土＋软岩地层断面的变化速度慢，收敛相对较慢。因此对于黄土地层断面要尽早进行钢架施作。还可以看出，黄土地层断面由于偏压影响较大，钢架内侧与初砌间应力会出现拉应力。３．５围岩内部位移围岩内部位移发生的模式因围岩条件、施工方法的不同而呈现不同形式，对其进行研究时要结合具体的地质条件进行综合判断。孔家营隧道研究段处于Ｖ级围岩条件下，主要采用上下台阶法进行开挖，围岩内部位移的发展相似。ＤＫｌ４＋１９０（黄土地层）处的隧道拱顶、左拱肩和右拱肩围岩内部位移随时间发展变化如图１５所示。矗凸一茎桧迥００１００铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１３１８）一一一一一一一一一一一一一一棚黼黝嬲㈣燃㈣㈧㈣删觥㈣一一一一一一～一一一一一一∞万方数据＠＠［１］铁道专业设计院，中铁隧道有限集团有限公司．ＴＢ　　　　　１０１０８－２００２铁路隧道喷锚构筑法技术规范［Ｓ］．北　　　　京：中国铁道出版社，２００３：３０．＠＠［２］关宝树，赵勇．软弱围岩隧道施工技术［Ｍ］．北京：人　　　　　民交通出版社，２０１１：２３７－２３８．万方数据