浅埋偏压隧道下穿公路的监测控制研究.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１６０４０２基金项目：中铁二十二局集团２０１３年度科技研究开发计划课题（１３０３Ａ隧）浅埋偏压隧道下穿公路的监测控制研究戴培义白明禄（中铁二十二局集团第五工程有限公司重庆４０００４２）摘要结合沪昆铁路客运专线背阴坡隧道下穿高速公路的工程实践，介绍了隧道在浅埋偏压、弱风化岩层，小角度下穿高速公路错幅路基的监测控制方法，即采用洞内常规围岩量测＋洞外地表’Ⅰ·Ⅰ°无线自动化综合测试系统、光学成像位移监测系统的综合能力全面的监测控制技术，通过对洞内２监测数据分析、研究，掌握隧道围岩、路面、路基挡墙沉降、位移变化规律，并在隧道下穿施工过程中综合评价隧道自身及运营高速公路的稳定状态，动态优化方案，正确指导施工。关键词下穿高速公路监测控制自动化测试系统优化方案中图分类号°ⅤⅤ×ⅣⅤ文献标识码Ａ文章编号１００９４５３９（２０１６）０６００６００４Ⅰ±\"…△±“…\"”\"±\"△“±…\"”±±·“……\"\"°\"“…\"”…”’…Ｐｅｉｙｉ，ＢａｉⅠ…\"”ｕ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ２２ｎｄＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＦｉｆｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ±…\"…△△\"”…\"“…\"”“!△…!±……\"±\"\"ｉｎＳｈａｎｇｈａｉＫｕｎｍｉｎｇＲａｉｌｗａｙＰａｓｓｅｎｇｅｒＤｅｄｉｃａｔｅｄ隧Ｌｉｎｅｕｎｄｅｒｃｒｏｓｓｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｗａｙ，△…“…\"△“±!△±\"…△±“…\"”\"!±\"△“±△±±△\"\"ｕｎｄｅｒｃｒｏｓｓｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈ隧中６度’…\"△“!“±…\"\"”\"“±·“……\"\"△““±!\"△“△，期６科十基度，△!±·“\"…#±\"…△±“…\"”△!\"±±”…△\"…\"△”“△…±\"±!±\"#\"△…±\"“\"△±“““±\"…\"”“±!\"…\"…△△\"\"ｐｌｕｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆＣＤＪＭＭＣＵｗｉｒｅｌｅｓｓａｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｕｔｓｉｄｅｔｈｅｔｕｎｎｅｌ隧“!\"±△…!ｉｍａｇｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅ隧\"△±\"…△±“…\"”△Ⅳ“±”△…\"△“\"ａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌ±\"…△±“…\"”△\"…\"““!，△“△!\"”±△△△\"△\"…!\"△±△““±\"…\"”“±!\"，ｐａｖｅｍｅｎｔａｎｄｓｕｂｇｒａｄｅｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｌｌ，!““…±△ａｃｏｍ隧ｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｉｔｓｅｌｆａｎｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｈｉｇｈｗａｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｕｎ隧期十基，ａｎｄｔｈｅｎｍａｄｅａｄｙｎａｍｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｆｏｒｃｏｒｒｅｃｔｌｙｇｕｉｄｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．$±“ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｗａｙ；±\"…△±“…\"”\"!±\"△“±…\"”；ａｕｔｏｍａｔｅｄｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ；±△……%△…±\"!１工程概况１．１背阴坡隧道情况沪昆客专ＣＫＧＺＴＪ１２标背阴坡隧道全长１４２８ｍ，为双线隧道位于六盘水市盘县境内。隧道在’$&×\'()&\'*’$&×\'(+,\'处从镇胜高速公路崔家地大桥、崔家地Ⅰ号中桥之间的填方路基下穿，公路与铁路隧道的平面夹角为２２°，下穿长度为１６０ｍ，浅埋划镇胜高速公路（公路里程$)+\'/(&\'×），下穿隧道拱顶距离公路路面埋深１８．４ｍ，距高速公路左幅路肩挡墙基底最小距离仅４ｍ，崔家地Ｉ号桥台左侧桩基础距离隧道开挖轮廓线净距仅６．５ｍ。由于该段高速公路为分幅错台式路基，隧道与之小角度相交，分别在公路高路堑段边坡交角两侧存在偏压。下穿段为Ⅴ级围岩，洞内支护采用复合式衬砌，采用全环２５ａ型钢钢架支护，间距\'Ⅳ×，拱部设置双层压１０８超前大管棚，洞身系统锚杆采用压４２径向钢花管注浆，钢花管根长×间距\'Ⅳ/×\'Ⅳ/，梅花形布设。进口段ＤＫ９５０＋１０５～ＤＫ９５０＋１０９段地表采用压穿收钢管桩注浆加固，间距\'Ⅳ/×\'Ⅳ/交错布置，钢管底部控制在隧道开挖轮廓线外×\'!；施工前对高速公路错幅路基中央隔离带挡墙采用压力分散型锚索［１］加框格进行预加固，长度１２６ｍ。右设６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０６）·隧道／地下工程·幅公路路基为全填方路堤，填筑高度１０ｍ，为防止下穿扰动，填筑段发生塑限变形和沉降，采用注浆加固方法加固路堤，注浆采用&长压４２钢花管，间距１ｍ×１ｍ，矩形布置。隧道掘进由出口独头掘进，于ＤＫ９５０＋１０２进口明暗交界处贯通。１．２地质特征隧区基岩大多裸露，隧道洞身主要通过三叠系下统飞仙关组（团Ａ金）第一段，泥岩夹砂岩，浅灰、棕红色，薄*中厚层，粉砂质、泥质结构，其中砂岩含泥质较重。强风化呈半岩半土状，厚２～６ｍ，属Ⅴ级软岩，弱风化层（Ｗ２）节理发育，多呈碎块状，短柱状，石质软，易风化，属Ⅳ软石。隧区地表水以山间沟水为主，水量较小，雨季时沟内水量增加明显，地下水类型主要为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水，以季节水补给为主。隧道偏压地段围岩浸水软化较重，围岩稳定性差，且连接上部公路路基、边坡稳定性存在潜在的危险。２监控量测２．１监测目的通过对洞内围岩量测，洞外地表、公路路面、公路挡墙的位移、沉降观测，采集观测数据，通过对数据的整理分析，找寻隧道围岩、公路路面、公路挡墙的沉降、位移变化规律［２］，及时反馈信息，为下一步施工提供科学合理的基础数据，正确引导施工方案的优化，及时调整施工措施，从而保证隧道自身的稳定及公路的正常运营。２．２监测等级划分由于洞内监控、地表下沉监控与以往的监控情况类似，不作特别分析。而地表结构物及路面的监测需进行重要性等级划分，以便能根据不同等级采用更优化的监测方法。根据隧道与高速公路的相对位置关系，将地表监控区域进行了合理划分：分别为Ａ、Ｂ、道、Ｄ和Ｅ共×个区，每个区的重要性等级见表１。表１地表沉降监测分区区号分布位置拟用量测仪器控制特点备注注Ｇ６０左幅路面及路基层（１）路面行车，构筑物的重要性等级高；（２）路基层为高填方，埋深浅，洞内开挖对填方体扰动较大；（））薄层泥岩夹砂岩，存在开挖继续风化可能性；（４）酌情考虑浅埋段洞内爆破施工对路面及隧道临近桩、墩的爆破震动影响最危险ＢＧ６０右幅路面及路基层（１）路面行车，构筑物的重要性等级高；（２）路基层为高填方，随着隧道埋深增加，洞内开挖扰动对填方体的扰动相对较弱；（））薄层泥岩夹砂岩，存在开挖继续风化可能性最危险ＣＧ６０挡墙下沉、水平位移（１）构筑物片石挡墙，结构性能底；（２）高填方路基侧压较大；（））薄层泥岩夹（泥质较重）砂岩，存在开挖继续风化可能性最危险Ｄ地表沉降（１）地表无构筑物；（２）局部可能存在差异风化破碎带进行实时观测；（））薄层泥岩夹（泥质较重）砂岩，存在开挖继续（补充）风化可能性实时观测Ｅ地表沉降（１）地表无构筑物；（２）考虑泥岩隔水，强风化界限不易下潜隧道顶部酌情进行２．３监测项目监控量测作为控制隧道施工安全的主要手段，贯穿隧道施工的全过程，综合本项目的特殊情况，主要开展的监控项目及监测频率见表２。表２下穿隧道监测实施项目序号监控量测项目拟用量测仪器备注１洞内２观察现场观察、数码相机、地质罗盘常规２拱顶下沉全站仪＋反光片常规）净空变化收敛计、全站仪＋反光片常规４地表沉降静力水准观测系统（ＣＤＪＭＭＣＵ隧系统），单点位移计、全站仪＋反光片路基以外５路基路面变形单点位移计、光学成像位移监测系统重点６挡墙沉降、水平位移监测静力水准观测系统（ＣＤＪＭＭＣＵ隧系统）、全站仪＋反光片重点２．３．１监测点布置监测点布置见图１。图１公路路基、挡墙监测点平面布局２．４重点部位的监测方法由于高速公路路面存在２４ｈ的车流，高速公路路面出现的工程病害一旦有异常，则随时影响行车１６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０６）·隧道／地下工程·安全，因此实时监控，随时把握公路路面病害的发展趋势［３］方能确保行车安全。对于重点部位监控，此次采用高精度（精度高于规范要求）的自动化数据采集系统（监测频率高于规范要求），从而确保对于工程病害部位的变形监控做到及时准确。２．４．１公路路面变形监测方法采用光学成像位移监测系统［４］进行布控，该套系统可实现非接触式、自动化监测的目的，能较好克服当前气候、人员安全、行车安全等因素干扰；在下穿隧道影响范围内沿公路走向，在左幅左侧、右幅左侧边缘布设沉降监测点，共设计布设２个观测断面，每个断面设置×*1个观测点（见图２）。图２光学成像测量原理图本监测方法采用光学成像原理，利用物像关系监测路面沉降。监测系统由两个分离部分组成，其中一个为发光标志物，由ＬＥＤ等器件构成，安置于监测点，其位移反映了路面的沉降；另一部分为光学传感器［５］，主要由镜头和探测器组成，位于一个相对静止的基准桩上，测量的原理如图３所示。当路基发生沉降，标志物也产生相应的移动。根据成像原理，标志物在探测器上的像也会相应移动，即可由线性深深左［６］等探测器检测出像的位移，然后根据成像的垂轴放大率，可以换算得到标志物的位移，即路基的沉降量。其监测灵敏度达到±\'Ⅳ+。２．４．２公路路基沉降监测方法路基沉降拟采用单点沉降系统［７］开展监测工作，该套系统在原334·5444系列单点沉降计的基础上进行升级，融入3·Ⅰ°Ⅴ/×自动远程测试系统［８］，可实现无人职守测量，从而达到远程监控的目的。配套室内安全预警系统，则可及时报警路基层的变形状态，较好克服了当前气候、人员安全、行车安全等因素干扰；具体方法：在下穿隧道影响范围内沿公路走向，在左幅路基左右两侧、右幅路基左侧边缘布设沉降监测点，共设计布设３个观测断面，每个断面设置×*1个观测点。见图３。图３路基路面、基层沉降及位移监测点布置２．４．３挡墙位移监测（１）挡墙量测设计隧道断面大、埋深浅，围岩地质条件较差，施工中的隧道爆破振动容易对挡墙产生共振效应，致使结构松垮，改变其受力状态，对既有路基路面稳定构成威胁，因此，在隧道爆破掘进至挡墙下方时，需对挡墙的水平位移及垂直沉降进行严密监测，监测点布置，见图４。图４挡墙水平高位移、垂直监测点布置（２）监测设备及其原理静力水准观测系统一般安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，通常采用’·Ⅰ·Ⅰ°无线自动化综合测试系统采集数据［９］，通过有线或无线通讯与计算机连接，从而实现自动化观测，见图×。图×’Ⅰ·Ⅰ°无线自动化综合测试系统构成静力水准观测系统［１０］又称连通管水准仪，系统至少由两个观测点组成，每个观测点安装一套静力水２６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０６）·隧道／地下工程·准仪。静力水准仪的贮液容器相互用通液管完全连通，贮液容器内注入液体，当液体液面完全静止后系统中所有连通容器内的液面应同在一个大地水准面上\"Ｏ，此时每一容器的液位由传感器测出，即初始液位值分别为：Ｈ１０、Ｈ２０、Ｈ３０、Ｈ４０……、Ｈｉ０。假设被测物体测点１作为基准点，测点２的地基下沉，测点３的地基上升，测点４的地基不变等，当系统内液面达到平衡静止后形成新的水准面\"ｉ０，则各测点连通容器内的新液位值分别为：Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４……Ｈｉ，见图６。图６静力水准观测系统工作原理系统各测点的液位由静力水准仪传感器测得，各测点液位变化量分别计算为：△ｈ１＝Ｈ１－Ｈ１０、△ｈ２＝Ｈ２－Ｈ２０、△ｈ３＝Ｈ３－Ｈ３０、△ｈ４＝Ｈ４－Ｈ４０……△ｈｉ＝Ｈｉ－Ｈｉ０。其中计算结果：△ｈｉ为正值表示该测点贮液容器内的液面升高，△ｈｉ为负值表示该测点贮液容器内的液面降低。在此，选定测点１为基准点，则其它各测点相对基准点的垂直位移（沉降量）为：△Ｈ２＝△ｈ１－△ｈ２、△Ｈ３＝△ｈ１－△ｈ３、△Ｈ４＝△ｈ１－△ｈ４……、△Ｈｉ＝△ｈ１－△ｈｉ。其中计算结果：△Ｈｉ为正值表示该测点地基抬高，△Ｈｉ为负值表示该测点地基沉降。如果知道两测点间的水平距离Ｌ，则两测点间相对倾斜的变化也可算得。３沉降监测数据分析２０１４年×月３１日，上台阶掌子面施工里程至ＤＫ９５０＋１８６，开挖掌子面进入左幅路基及中央分隔带下方，从各监测项目变形累计值统计情况如下所述。（１）初期支护：拱顶沉降累计沉降最大值出现在ＤＫ９５０＋２１５（中央分隔带挡墙正下方）断面测点Ｄ（８０．４ｍｍ）。净空变化累计位移最大值出现在ＤＫ９５０＋２３０（公路右幅路基下方）断面测线ＡＥ（－３６．４ｍｍ）。（２）二衬：拱顶沉降累计沉降最大值出现在ＤＫ９５０＋２８４断面测点Ｄ（－０．５ｍｍ），净空变化累计位移最大值出现在ＤＫ９５０＋２４７断面测线ＢＤ（－０．５ｍｍ）。（３）地表沉降：累计最大值出现在ＤＫ９５０＋２７０测点Ｅ（－７．５８ｍｍ），见图７。图７ＤＫ９５０＋２７０测线地表沉降累计时程曲线图（４）挡墙位移、沉降：累计垂直沉降最大值出现在挡墙测点Ｄ（ＤＫ９５０＋１９３．５处－４９．４ｍｍ），见图８。此时隧道已开挖掘进至中央分隔带挡墙下方，挡墙沉降变化范围呈现凸变现象，且沉降量线形增长，说明开挖工法对挡墙沉降有较大影响作用。隧道掘进开挖应加强掘进管理，严控掘进进尺，降低扰动。加强临时支护同时调整注浆工艺。图８Ｇ６０高速公路中央分隔带挡墙沉降累计时程曲线（收）路基变形：累计最大值出现在公路右幅路面左侧处位于下隧道中线处的测点，累计最大沉降值－７．３６ｍｍ。（６）挡墙裂缝：累计最大值出现在公路右幅挡墙测线ＹＤ２１，累计最大裂缝－１．３０ｍｍ，见图&。图９公路右幅挡墙裂缝变化累计时程曲线（７）路面裂缝：累计最大值出现在公路左幅路面，因右幅挡墙位移、沉降变形引起左幅路面局部牵引裂缝，测线36·)最大裂缝宽度－０．２７ｍｍ。（下转第６８页）３６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０６）·隧道／地下工程·［４］陈拥军．狭小场地综合性交通运输工程规划设计与布置探讨［肩］．铁道建筑技术，２０１３（４）：９０－９３．［Ｉ］钟登华，李景茹．复杂地下洞室群施工交通运输系统仿真与优化研究［肩］．系统仿真学报，２００２，１４（２）：１４０－１４２，１４５．［６］钟登华，冯志军，张伟波．大型水利工程施工交通运输系统仿真与可视化研究［肩］．系统仿真学报，２００３，１５（收）：７５２－７５５．［７］孟祥义．浅谈计算机三维技术在地下洞室施工中的应用［肩］．铁道建筑技术，２００５（１）：３６－３８．［８］申明亮，宋媛媛．基于Ｐｅｔｒｉ网的地下洞室出渣系统建模仿真［肩］．武汉大学学报，２００９，４２（６）：７５３－７５７．［９］…\"”±…\"”，3±\"”…\"”Ⅳ\"…△…#…△\"…±△“\"·ｐｏｒｔｍａｃｈｉｎｅｒｙｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｉｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃａｖｅｒｎｇｒｏｕｐ技日期集２０二技２：日期［肩］．ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＳｏｆｔ道日科３二隧２：期１，２０１２，１７（６－Ｓ）：７１１－７１８．［１０］Ｇｉｒａｕｌｔ道，ＶａｌｋＲ．Ｐｅｔｒｉ\"△±“△\"”…\"“…\"”：Ａ１二：４十２日科日４十基：期１，ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［底］．“…\"”“·7“”89±“\"，Ｉｎｃ．２００１：１４３３－１４４２．［１１］吴益民，余列强，李志军．基于Ｐｅｔｒｉ网的地下洞室群交通运输系统模拟方法研究［肩］．水利水电技术，２００５，３６（７）：９０－９２，１０２．［１２］靖仲虎．基于Ｐｅｔｒｉ网的地下洞室群路径规划［肩］．科技信息，２０１４（１０）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪１１９－１２０．（上接第６３页）由图７～９可以看出，在隧道下穿至公路中部后，监测指标数据均有不同程度的异常，说明目前施工措施至少在某一环节存在超限，或某一施工工艺待以优化，根据现场技术条件，需调整施工工艺，进一步加强围岩支护稳定［１１］。通过以上数据反应规律及时分析原因：受地形浅埋偏压作用，隧道拱顶沉降逐渐加大，岩体在开挖作用下，右上方的山体边坡整体向下移动，公路挡墙和公路路面总沉降量逐渐增大，挡墙位移变形速率超设计警戒值，并相继发现明显裂缝的现象。隧道开挖在公路中间下方位置时，存在明显的拱顶塑形区同边坡坡脚位置的塑形区连通的变形发展规律［１２］，一旦拱顶压力拱过度发展［１３］，并达到一定程度时，下穿隧道的垮塌必然导致边坡的失稳，从而引发公路的坍塌事故。通过后续增加有效工程措施，洞内沉降及洞外路面、挡墙沉降、位移得以控制，顺利完成下穿施工。４结束语本隧下穿高速公路段施工，根据隧道下穿实际情况，制定科学合理的监测体系，并对洞外监测区域进行等级划分，突出重点监测对象，通过洞内围岩量测，“334·5444系列单点沉降计融合3·Ⅰ°Ⅴ/×自动”“远程测试系统和深左肩底离底深最无线自动化综合测试”系统对地表、公路路基、路面沉降位移、挡墙位移、垂直沉降的实时观测，准确采集数据，通过对数据分析，及时掌握围岩、公路路面、公路挡墙等监测项目的沉降、位移状态，为下一步施工方案的优化调整提出基础依据，充分体现了科学合理的监测控制在隧道下穿公路过程中的重要意义。参考文献［１］郑筱彦．压力分散型锚索加固边坡效应研究［左］．武汉：武汉理工大学，２００９．［２］杜小虎，阎晋卫，韩继锋，等．隧道下穿城铁施工期间线路变形监测方法的探讨［肩］．铁道建筑技术，２００４（收）：２８－３０．［３］段恩新．铁路隧道下穿施工引起高速公路路基沉降规律研究［肩］．石家庄铁道大学学报：自然科学版，２０１３，２６（２）：４１－４４．［４］吴倩倩．基于位移传感器的像差检测光学系统的研究［左］．长春：长春理工大学，２０１３．［Ｉ］赵竹新．基于线阵光学图像的运动参数测量技术及其应用研究［左］．长沙：国防科学技术大学，２０１２．［６］邬明慧．基于线阵’的非接触微位移测量系统研究［左］．长春：长春理工大学，２０１１．［７］廖世芳，叶满珠．兰新高速铁路路基沉降自动化监测系统整体设计方案［肩］．高速铁路技术，２０１３（收）：２６－３０．［８］张斌，冯其波．路基沉降远程自动监测系统的研发［肩］．中国铁道科学，２０１２（１）：１３９－１４４．［９］高爱林，张建全，张建旭．基于无线传输的自动化监测系统在地铁中的应用［肩］．都市快轨交通，２０１１（２）：３５－３７．［１０］韩三琪．静力水准在城市轨道交通既有线变形监测中的应用研究［肩］．铁道勘察，２０１５（３）：８－１１．［１１］黄才华，雷位冰．温福铁路头岭隧道下穿公路隧道施工技术［肩］．铁道建筑技术，２００８（１）：１１－１５．［１２］齐为涛．浅埋暗挖:’法下穿高速公路监控量测分析［肩］．洛阳理工学院学报：自然科学版，２０１５（１）：３５－３７．［１３］卿伟宸，章慧健，朱勇．基于压力拱理论的大跨度隧道深浅埋划分研究［肩］．石家庄铁道大学学报：自然科学版，２０１３（项题）：２２７－２３０．８６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０６）