龙洞堡机场隧道下穿新人工填筑土监控量测施工技术.pdf

・隧道／地下工程・咒洞堡讥场隧道下穿新人工填筑土监控量测狍工技术曾继光（中铁二十一局集团第三工程有限公司陕西咸阳７１２０００）——摘要结合贵阳枢纽白云至龙里北铁路高风险隧道龙洞堡机场隧道下穿新人工填筑土及机场敏感构筑物施工实例，综合多种监控量测方法，施工过程中采取密切监测围岩变化、及时优化初期支护参数控制围岩变化，实现了隧道的信息化施工。主要介绍了新人工填筑土段及下穿地表敏感构筑物段隧道洞内沉降、地表沉降及地表建筑物变形的监测，对新人工填筑土中土体的变位和稳定性等进行综合分析，并将监测结果准确应用到隧道现场施工中，可为中长隧道不良地质施工监控量测技术提供借鉴。关键词隧道新填筑土监控量测中图分类号Ｕ４５６文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１４）０７００８１０５ＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＬｏｎｇｄｏｎｇｂａｏＡｉｒｐｏｒｔＴｕｎｎｅｌｕｎｄｅｒＮｅｗＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＥｍｂａｎｋｍｅｎｔＳｏｉｌＺｅｎｇＪｉｇｕａｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ”２１ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｘｉａｎｙａｎｇ７１２０００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｏｆｈｉｓｈ－ｒｉｓｋｎｏｒｔｈｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｏｎｔｈｅｈｕｂｏｆＧｕｉｙａｎｇＢａｉｙｕｎｔｏＬｏｎｇｌｉ，ｌｏｎｇｄｏｎｇ－ｂａｏａｉｒｐｏｒｔｔｕｎｎｅｌｕｎｄｅｒｎｅｗａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｉｌｌｉｎｇｓｏｉｌａｎｄｔｈｅａｉｒｐｏｒｔｓｅｎｓｉｔｉｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｖａｒｉｅｔｙｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ，ｃｌｏｓｅｌｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｄｏｐｔｅｄｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｉｍｅｌｙｏｐｔｉ－ｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｒｉｍａｒｙｓｕｐｐｏｒｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｍａｋｅｔｒｕｅｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｚｅｄｃｏｎｓｔｒｕｅ－ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｍｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｎｅｗａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｉｎｉｎｇｓｏｉｌ，ｉｎｎｅｒｔｕｎｎｅｌ—ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｓｕｒｆａｃｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｓｅｃｔｉｏｎ，ｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｎｄｇｒｏｕｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏ－ｒｉｎｇ．ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｎｅｗａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｉｌｌｉｎｇｓｏｉｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｏｉｌａｎｄＳＯｏｎｗｈｉｃｈｗａｓａｃｃｕｒａｔｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｆｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｕｎｎｅｌａｎｄｃｏｕｌｄｂｅｔａｋｅｎｆｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅｂｙｏｔｈｅｒｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｔｕｎｎｅｌ；ｔｈｅｎｅｗｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｏｉｌ；ｍｏｍｔｏｆｉｎｇａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ１工程概述龙洞堡机场隧道是贵阳市域铁路白云至龙里北联络线重难点工程，被列为高风险隧道之一，该隧道下穿贵阳龙洞堡国际机场，隧道正线设计速度２００ｋｍ／ｈ，线下工程预留２５０ｋｍ／ｈ条件，上、下行到发线均为１１０４．７２６ｍ，上下行站台段长度均为４５０ｍ，正线隧道全长２４９６ｍ。为满足龙洞堡国际机场地面停车场、机场停机坪、机场路等近、远期规——收稿日期：２０１４０４１５划与扩建，以及地面功能使用要求，使龙洞堡国际机场成为与快铁、轻轨、公路三网零换乘的高标准示范性工程，该隧道是连接快铁、地铁及航空的枢纽标准性隧道工程。龙洞堡机场隧道开展了高风险隧道专项监控量测设计及监测，隧道分别下穿机场空管楼、生产业务用房、新人工填土、航油管道及机场众多敏感构筑物，分别采用控制爆破及非爆破开挖，地表采用袖阀管注浆加固，仰拱基底采用微型桩加固处理。下穿新人工填筑土区监控量测主要涉及到保障地表及地表建筑物的使用功能，回填段地中土体铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４（７１８１万方数据・隧道／地下工程・的位移和稳定，地表机场输油管道的安全及隧道施工的安全等方面，主要从地表监测、地中位移监测、油管沉降、隧道内变形和位移监测、爆破震动速度进行监测。２工程特点、监测重难点及目的２．１工程特点龙洞堡机场隧道设计标准高、施工技术难点多、施工干扰大；主要下穿空管楼、航站楼停车场、机场航油管道、新人工弃土、新人工填土、货运停车场、机场货运１号路及众多机场监控设备，设计单位对此段监控量测开展了专项设计，施工过程监测频率及数据分析极其严密。２．２监控量测重难点针对龙洞堡机场隧道施工，主要从新人工填筑土地表监测、地中位移监测、机场输油管道监测方‘面进行全面监控Ｈ３ｊ，从防止地表建筑物沉降、确保机场输油管道正常输油、货运停车场及机场１号路正常运行及洞内施工过程监测开展专项量测工作，成为隧道监控量测正确指导施工的重点及难点。２．３监控量测的目的（１）对隧道施工进行监控量测使隧道的设计与施工运作纳入科学的动态管理中，使工程始终处于良好的运行状态，确保隧道施工安全和工程建设质量，使隧道工程达到经济、合理和可靠的目的。（２）为今后相同地质条件下隧道的设计与施工提供试验数据和积累经验资料，完善隧道工程的设计和施工的工程类比法。（３）量测数据经分析处理与必要的计算和判断后，进行数据预测和变形反馈，以保证隧道施工安全及停车场等市政建筑物的稳定。（４）预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然。３监控量测方案由于龙洞堡机场隧道地质条件及周围环境极其复杂，快速施工中监控量测的现场监测及数据分析为施工主要工序选择合适的施工时间具有重要意义，所以要根据不同的地质条件及环境选择合理有效的监测方案，确保隧道安全有效地施工。３．１新人工填筑土地表监测对于新人工填筑土地表及土体监测工作主要以杆式多点位移计监测土体位移和特制地表监测点监测地表沉降；洞内采用每断面５个点的监测点布设断面进行监测工作。３．２地表建筑物及机场输油管道监测Ｄ１３Ｋ２９＋６８０～Ｄ１３Ｋ２９＋３８０段与机场输油管道位置相互平行并交叉，为确保机场唯一输油通道的安全，对隧道开挖影响范围内的输油管线进行沉降监测。地表建筑物主要通过建筑物沉降及ＥＸＰ４８５０振动分析仪监测爆破震速，确保建筑物的稳定性；通过油管沉降和油管处的爆破震速，掌握浅埋地段开挖对输油管道的影响程度，确保输油管道是否处于安全的工作状态，以便对油管的稳定性作出综合评价。３．３隧道洞内监测隧道洞内监测主要从拱顶下沉、拱脚下沉、净空收敛等方面进行监测。４主要监测工艺及方法４．１新人工填筑土地表监测４．１．１测点的布置和埋设自Ｄ１３Ｋ２９＋６００一Ｄ１３Ｋ２９＋３００段内回填土地表每隔２０ｍ布置一个地表点监测断面，每个断面布置２５个地表监测点，地表点间间距为５ｍ。道路及地表沉降监测点的埋设首先用钻机钻透硬化路面，然后用洛阳铲进行探挖，以免破坏地下管线，开挖成孔以后放入钢筋，孔内放入钢套筒隔离钢筋与周边土体，上部回填砂土和木屑。测点上部安设保护盖，做好标记。如图１所示。图１地表监测点布置４．１．２监测方法沉降值计算：观测方法采用精密自动水准测量方法。监测基点和附近监测基准点联测取得初始８２铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４｛７）万方数据・隧道／地下工程・高程。观测时各项限差宜严格控制，每测点读数高差不宜超过０．３咖，对不在水准路线上的观测点，一个测站不宜超过３个；如超过时，应重新读后视点，以作核对。地表监测基点为标准基准点，监测△时通过测得各测点与基准点的高程差日，可得到各监测点的标准高程Ａｈｔ，并与上次所测高程进行比较，差值Ｍ即为该测点的沉降值，即：ＡＨｔ（１，２）＝Ａｈｔ（２）一Ａｈｔ。在条件许可的情况下，尽可能地布设导线网，以便进行平差处理，提高观测精度，然后按照测站进行平差，求得各点高程。４．１．３监测频率及控制基准—监测频率：距开挖掌子面距离（０～２）Ｂ时，１２次／ｄ；距开挖掌子面距离（２～５）Ｂ时，１次／２ｄ。控制基准：每天地表下沉不得超过３ｍｍ／ｄ；累计地表下沉量不得超过３０ｍｍ。４．２地中位移监控量测４．２．１量测仪器与安装采用杆式多点位移计，如图２所示。首先采用地质取芯钻成孔，孔直径不小于７６ｍｍ，成孔后将导管放入孑Ｌ中，直到最低观测点高程位置，然后再用专用工具依次将锚头埋人设计观测点位置，清除钻孑Ｌ中岩渣和积水，灌入水泥砂浆（亦可用锚固剂），注满全钻孔后，将杆式位移计插入钻孑Ｌ中，用干硬性水泥砂浆将孔口定位体与周围岩体固结牢靠，在地表对传输电缆线进行保护，待水泥砂浆固结后进行初始读数。（－３－一５）Ｂ一２Ｂ—Ｂ０２Ｂ（ｊ～）ＪＢ图２地中位移测点布置４．２．２监测方法在隧道开挖掌子面到达前开始测量初读数，然后每掘进一循环测量一次，直到二次衬砌施工完成，且监测数据已经稳定，可不再监测该点或该断面。每次进行监测后绘制不同深度的位移一历时曲线及孔深一位移关系曲线，当位移速率突然增大时立即对各种监测信息进行综合分析，判断施工中出现的各类问题，并及时采取保证施工安全的对策及应急措施。最后将监测数据上传监测数据管理与施工风险管理平台，利用该系统对监测数据进行评价、管理及报警功能，使整个工程处于可控状态。４．２．３监测频率和基准地中位移的监控频率主要是通过监测点距开挖面距离控制的。—监测点距开挖面的距离为０２倍的洞径时，检—测频率为１２次／ｄ；监测点距开挖面的距离大于２倍的洞径时，检测频率为１次／２ｄ。４．３机场输油管道监控量测隧道在开挖过程中，由于爆破轰击波产生的岩体纵向应力释放效应会使地下管线的位移发生变化，通过管线监测的目的确保控制管线的变形在规范允许的范围内，进而保证管线在隧道施工过程中的运行安全。４．３．１油管沉降监测断面布置机场输油管道位置相互平行交叉，监测断面测点布置沿油管走向每纵向间距５ｍ设置一处监测断面。具体布置情况如图３所示。ａ．横断面ｂ平面图３油管监测断面及平面布置（单位：ｍ）４．３．２油管测点埋设原则油管测点依照设计图纸布点位置，在施工现场受施工影响的管线位置上设置。原则上地下油管监测点重点布设在航空输油管线上，测点布置时要考虑地铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４｛７ｌ８３万方数据・隧道／地下工程・下管线与洞室的相对位置关系；测点宜布置在管线的接头处和拐角处，或者对位移变化敏感的部位。４．３．３管线埋设方式及监测仪器基点埋设：对于雨水管或污水管下的地下输油管，采用模拟式管线埋设方案，见图４。图４模拟式管线测点方案监测仪器采用苏光ＤＳＺ２（自动安平）水准仪，配套钢卷尺等。４．３．４监控频率及控制基准当油管沉降和水平位移不超过２ｍｍ／ｄ，每日监测一次；当沉降或水平位移超过２ｍｍ／ｄ，需加大监测频率。待二衬浇筑后，油管沉降或水平位移基本稳定后可停止监测。控制基准：油管沉降和水平累积量不能超过ｌＯｍｍ；沉降和水平位移速率不能超过２ｍｍ／ｄ。４．３．５数据处理根据监测数据及时绘制时间位移曲线散点图和距离位移曲线散点图，根据沉降规律判断围岩稳定状态和施工措施的时效性。当位移一时间曲线趋于平缓时，可选取合适的函数进行数据回归分析，预测最大沉降值。４．３．６危险报警超过以上规定油管位移控制基准，油管变形突然明显增大，油管出现裂缝泄露等情况应及时预警，并及时联系油管产权单位进行油管无损检测，进一步确定油管是否损伤。４．４爆破震动速度监测４．４．１爆破震速测试原理ＥＸＰ４８５０振动分析仪主要用于对地震波、机械振动或各种冲击进行信号记录与数据分析、结果输出、显示打印存盘而设计的便携式仪器。它直接与压力、速度、加速度等各种传感器相连，并将其模拟电压量转换成数字量进行存储，再经自身ＲＳ２３２接口和笔记本电脑或台式电脑通讯由计算机进行波形显示、谱图显示，波形的各种特征参数及测试结果的表格显示、打印和存盘等，如图５所示。图５ＥＸＰ４８５０振动分析仪原理４．４．２测点布置根据现场施工地形位置选择在龙洞堡机场隧道上方航站楼处布置测点进行测试，每次爆破震速监测布３个测试点，分析数据时取最大值。４．４．３预估振动速度按照《爆破安全规程实施手册》的有关规定，选取振动速度应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、隧道围岩类别、支护状况、开挖跨度、埋深大小、爆源方向、周边环境等进行合理取值。４．４．４测试参数和控制标准现场测试，ＴＣ一４８５０振动测试仪触发电平设置为：０．０８ｃｍ／ｓ，频率设置为１０Ｋ，量程设置１０Ｖ，爆破频率为１０～５０Ｈｚ。根据《爆破安全规程》（ＧＢ—６７２２２０１１）评价爆破对不同类型建筑物的震动影响，应采取不同的安全允许标准。本次测量的航站楼属于严格控制爆破震速的钢筋混凝土结构物，根据设计文件其安全允许震速为４ｃｎｖ＇ｓ；地下建筑物的爆破震动判据，采用建筑物所在地点的震动速度和主振频率，评价结果应符合《爆破安全规程》的要求。４．４．５监测频率监测频率为１次／ｄ，具体监测频率及次数要求可按施工现场实际情况进行合理调整。４．５拱顶沉降监测４．５．１监测点布置隧道开挖后在已经施作完成的初期支护拱顶中线位置设置带挂钩的预埋件作为拱顶下沉监测测桩，埋设前先用小型机具在待测部位钻孔，然后８４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４｛７）万方数据・隧道／地下工程・将测桩放入孔内，并将其固定，在施工易破坏的位以后１２ｈ内和下一次开挖之前测取初读数。置用红色油漆做好标记并在测桩头设保护罩。对监测净空收敛位移可为判断隧道稳定性提供于围岩风化严重或破碎情况，测桩可在初期支护完可靠的信息依据，并根据收敛速度判断隧道围岩的成后布设。测点按每个断面３个点布设。稳定程度，为二次衬砌提供合理的施作时机。将量４．５．２监测仪器及数据分析与整理测结果进行综合分析，可以得出累计洞周净空收敛仪器采用全站仪、自动安平水准仪、反光片和与时间的关系曲线，对曲线进行拟合分析，可以对后视镜等。隧道净空的最终变形情况进行预测，从而达到正确及时对现场监测数据绘制时态曲线和空间关有效地指导施工的目的。系曲线图。当位移一时间曲线趋于平缓时，进行数４．５．５隧道内变形位移监测频率和控制基准据处理、回归分析，推算最终位移和掌握位移变化—监测频率：距开挖面距离（０１）Ｂ时，２Ｏ＜ｉｄ；规律；当位移一时间曲线出现反弯点时，表明围岩位移速度１～５ｍｍ／ｄ时，ｌ０＜／ｄ；位移速度０．５一和初期支护已呈不稳定状态，此时应及时增加监测ｌｎｎｗ＇ｄ时，１次／２—ｄ；位移速度０．２０．５ｍｍ／ｄ时，频率、密切监视围岩动态，并采取有效的加强措施，１次／３ｄ；位移速度＜０．２ｍｍ／ｄ时，ｌｉ眵Ｅ／７ｄ。必要时暂停开挖，研究加强及下步施工对策。当位控制基准：每天变形不得超过５ｍｎＶｄ；累计不移速率无明显下降，而此时实测位移值已接近控制得超过５０ｍｍ。标准，或喷射混凝土表面出现明显裂缝时，立即采．冲士觜取补强加固措施，并调整原初期支护设计参数或开叶缅术喟挖方法。龙洞堡机场隧道属高风险隧道，监控量测工作４．５．３拱脚下沉监测的开展具有重大的监测意义，同时存在设计标准监测仪器、拱脚下沉量测方法，与拱顶下沉监高、施工技术难点多、施工干扰大等众多高标准的测相同。监测点布置在左右拱脚各埋设一个测点，要求；隧道施工中进行监控量测可使隧道的设计与其埋设方法与拱顶下沉埋设方法相同。施工运作纳入科学的动态管理中，使工程始终处于４・５．４隧道净空收敛监测良好的运行状态，确保了隧道施工安全和工程建设隧道净空收敛的监测点布置如图６所示。质量，使隧道工程达到经济、合理和可靠的目的。Ｉ３根据现场监控量测数据，提供监控设计的依据和信／／／＼＼息。通过监测信息，掌握浅埋地段开挖对地中位移／／Ｂｃ＼＼和地中围岩的影响程度，以便对隧道地质围岩及机ｌ丘皇业场众多构筑物稳定性做出综合评价，确保处于安全弋一一１二－一一一泰｛的工作状态。————４￥＿．旦一ｊ龙洞堡机场隧道下穿新人工填筑土区及众多——————＼＿＿上Ｊ构筑物区多种监控量测方法相结合，真正实现了有图６隧道净空收敛的监测点布置效监测、数据分析、正确指导施工的重要作用，监测获得较好的结果，可有效指导隧道施工，为今后类隧道净空收敛是指隧道周边相对方向两个固似工程提供了详细有效的参考。定点连线上的相对位移值，它是隧道开挖所引起围岩变形最直观的表现，采用收敛计进行量测。隧道参考文献开挖爆破后应及时在隧道两侧边墙、拱腰水平方向［１］中华人民共和国建设部．ＪＧＪ—８２００７建筑变形测量埋设测杆或球头测桩，埋设深度２０～３０ｍｉｌｌ，钻孔直—规范［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１２：４１４６．径４０～５０ｍｍ，用快硬水泥进行有效固定，测桩球头［２］中华人民共和国建设部．ＧＢ—５００２６２００７工程测量必须设保护罩。监测断面必须尽量靠近开挖工作—规范［ｓ］．北京：中国计划出版社，２００８：７４７８．面，但太近会造成爆破下的碎石砸坏测桩，太远又［３］中华人民共和国住房和城乡建设部．ＧＢ—５０４９７２００９会漏掉该监测断面开挖后的收敛值。测点应按设建筑基坑工程监测技术规范［Ｓ］．北京：中国计划出在距开挖面１～１．５ｍ范围之内，并应在工作面开挖版社，２０１２：１１－２８．铁道建簏技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４ｒ７Ｊ髓万方数据