岩溶地质条件下厂区公路隧道施工监控量测技术

1 工程概况 穿岩洞隧道位于贵州省黔南州瓮安县境内岩英坪村，该隧道为矿山专用交通隧道，主要作为后期矿料开采的运输通道。该工程主体隧道为单洞双向双车道，全长920m，其中明洞12m，暗洞段908m，隧道纵坡4%；隧道建筑限界净宽9.5m，净高5m，行车道宽8m（含路缘），检修道宽0.75m。本区岩溶较发育，属重山地区，山间沟谷地貌。隧道所经地段主要为重山山脊地带，海拔高程在1100～1500m，相对高差近400m。隧道出、入口段均为山脊斜坡地段，地表自然坡度在25o～30o之间。隧道穿越地层有第四系坡残积层和寒武系层，岩性主要为白云岩、灰岩、页岩、粉砂岩、砂岩和泥岩等。K0+060～K0+115段围岩岩层产状与隧道轴向近乎垂直，节理较发育，主要有两组产状为70°∠62°和320°∠65°，节理间距多为20～30cm，宽度在1～3mm,多为密闭，部分微张,未见有地下水。根据洞内观察，综合评价该段围岩为Ⅳ级围岩，与设计文件Ⅲ级围岩不符，建议施工单位按Ⅳ级围岩进行支护。 2 监控量测方案 隧道是一种特殊的工程结构物，其受力特点与地面工程有很大的不同。隧道处于复杂多变的地质体中，所受外力具有不确定性。隧道从开挖起，直到地应力重新分布趋于稳定，围岩应力、支护和衬砌的内力及变形都在变化。同时由于勘探工作有限，隧道所穿越的实际围岩情况与设计的围岩级别会有出入，并可能在未探明的地质地段出现溶洞、断层和破碎带。因此，有必要进行监控量测工作，以便判断隧道开挖后围岩的实际类别。为了充分发挥围岩的自承能力，在经济合理的支护条件下，达到安全性的目的，采用以监控量测为基础的信息化施工具有重要意义。 为了确保隧道施工安全及顺利进行，并准确地掌握施工过程中围岩的稳定状态，检测各项初期支护的效果，对穿岩洞公路隧道施工进行监控量测，现场主要监控量测项目见表1。 隧道围岩变形是围岩应力动态变化最直接的表现，可根据洞周收敛位移量及速率的大小来判断围岩是否稳定，为隧道的二次衬砌提供合理的支护时间，从而来指导隧道施工现场的施工和变更设计。因此，隧道周边收敛位移量测是隧道监控量测的重要项目，量测断面测线布置见图1。为了有效地对隧道施工进行指导，可根据地质条件对洞内测点断面间距进行必要的调整。 3 监控量测结果与分析 表1 现场监控量测项目序号 量测项目 量测要求 量测工具 布置 备注1地质状态观察岩性、岩层产状、结构面、断层描述等地质罗盘、地质锤及皮尺开挖后进行每次爆破后进行2 地表沉降根据地表下沉位移量判断开挖对地表下沉的影响，确定隧道支护结构的稳定性精密水准仪及铟钢尺隧道进、出口等浅埋段，一条测线隧道进口端地表沉降测点埋设见图7 3 周边收敛量测隧道围岩周边位移、掌握收敛状况、断面变形状态，判断隧道的稳定性收敛计断面测线埋设见图2 4 拱顶下沉了解隧道拱顶下沉的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性收敛计Ⅲ级围岩15m一个断面；Ⅳ级围岩10m一个断面；Ⅴ级围岩5m一个断面 图1 隧道断面测线布置图 3.1 周边位移量测分析 隧道周边位移是指隧道内壁相对方向两个固定点连线上的相对位移值，此值称为“收敛”。它是隧道开挖所引起围岩变形最直观的表现，同时，根据所测结果绘制成时态曲线，再根据时态曲线的变化情况判断围岩的稳定状态。判断依据如下： （1）当变形曲线d2u/dt2＜0时，表明曲线变形速率下降，变形曲线趋于平缓。此时，曲线为正常曲线，表明围岩变形向稳定方向发展。 （2）当变形曲线d2u/dt2=0时，表明曲线变形速率匀速变化，变形曲线直线上升，表明围岩不稳定，应立即通知施工单位管理人员和现场监理，检查围岩和支护状态，发现裂纹扩大或有扩大趋势应立即对初期支护进行加固，严重时应停止掘进。 （3）当变形曲线d2u/dt2＞0时，表明曲线变化速率出现了拐点，即变形速率逐步增大，此时变形曲线为反常曲线，表明围岩即将失稳，应立即通知施工单位管理人员和现场监理，暂停施工。 本文取有代表性的围岩断面进行分析。Ⅴ级围岩取K0+045断面（该断面围岩为中风化白云岩，节理、裂隙较发育，岩体整体性不好，较破碎、自稳能力较差）、Ⅳ级围岩取K0+100断面（本断面埋深50～60m，围岩为弱风化灰岩，细晶结构，岩体整体性良好，有较强的自稳能力）为例进行洞周位移分析。图2是根据K0+045断面洞周收敛位移实测值所绘制的图形以及回归曲线 （回归曲线所采用方法为两倍时差法）。从图2可以看出，在掌子面开挖一月后，隧道洞周收敛速率明显减小，围岩趋于稳定，实测值为3.12mm，趋于最大值；从图3(K0+100断面洞周时态曲线)中可以看出，该断面洞周收敛值较小，实测值2.07mm接近回归曲线最大值2.05mm，开始时洞周收敛速率较大，呈直线式增长，初期支护10天后，洞周收敛处于缓慢增长阶段，最后趋于稳定，表明围岩被扰动后，要经过一段时间才能稳定。从上面洞周位移时态曲线的变形趋势看，监测结果基本反映了隧道内周边收敛的基本特征。 图2 K0+045断面洞周收敛位移时态曲线 图3 K0+100断面洞周收敛位移时态曲线 同时从时态曲线（图2和图3）还可以看出，隧道周边收敛位移变形大致经历了3个阶段：（1）急剧变化期，持续时间8～10天，此阶段的变形量约占趋于稳定时总变形量的75%；(2)缓慢增长期，持续时间在10～30d间，此时变形量已释放90%以上；（3）基本稳定期。在一般情况下，隧道洞周收敛位移量与围岩条件有一定的联系，围岩越好，洞周收敛位移值就越小，反之，围岩越差，洞周收敛位移值就越大。 3.2 隧道拱顶下沉量测分析 隧道拱顶内壁的绝对下沉量为拱顶下沉值，单位时间内拱顶下沉值称为拱顶下沉速度。拱顶下沉量测数据是判断支护效果、指导施工工序、保证施工质量和安全的必要资料。一般情况下，隧道拱顶下沉量测与隧道周边位移收敛量测是同步进行的。图4是K0+045断面拱顶下沉量时态曲线图，图5是K0+100断面拱顶下沉量时态曲线图。 从图4时态曲线中可以看出，该断面拱顶下沉值较大，最大值为12.77mm，接近回归曲线最大值12.93mm。开始时，拱顶下沉速率较大，最大速率为4.62mm/d，由于及时施作初期支护，拱顶下沉速率有所降低，围岩变形得到了有效的控制。变形历经半个月左右，随着时间的增长，位移几乎不再增加，表明围岩已趋于稳定状态。 从时态曲线图5中可以看出，曲线开始段拱顶下沉实测值与回归曲线拟合有一定的误差，曲线后半段拟合较好，两者几乎重合。拱顶沉降量最大值为5.52mm，变化速率多数处在0.2～0.5mm/d，最大速率为3.11mm/d；刚开始时拱顶下沉速率较大，经过15天左右，沉降量进入缓慢增长阶段，速率明显减缓，最后围岩趋于稳定。说明该断面围岩自稳性较好，沉降速率在正常变化范围之内，无异常现象，不存在大变形的可能性。 图4 K0+045断面拱顶下沉时态曲线 图5 K0+100断面拱顶下沉时态曲线 从图4和图5的对比中可以看出，拱顶下沉量与围岩级别存在着极大的关系，围岩越好，拱顶下沉越小，反之，围岩越差，拱顶下沉越大。综合两断面的洞周收敛位移时态曲线图分析，不难得出，在一般情况下，围岩级别对拱顶的影响相对较大，洞周收敛相对较小。 3.3 地表沉降观测与分析 浅埋隧道和隧道的洞口段通常位于软弱、破碎、自稳时间较短的围岩中，施工方法不妥极易发生冒顶塌方或地表有害下沉，因此，地表下沉量测具有重要的意义。针对本隧道，在隧道进口端浅埋段地表埋设了一组地表横断面，测点布置如图6所示，该断面埋深浅，覆盖层约在10～15m内，距洞口8m左右，围岩为中风化白云岩，薄至厚层状，部分地段呈块状，局部间夹薄层泥质灰岩，裂隙、节理较发育，围岩整体性较差。图7是图6中各测点的沉降曲线图。 图6 隧道进口端地表沉降测点布置图(单位：cm) 图7 各测点最终沉降曲线图 从图7可以看出：浅埋段洞口上方地表沉降呈现出一般的规律，基本上呈现一漏斗状曲线，由隧道拱顶逐渐向两边扩散。沉降曲线几乎成对称布置，但由于埋深的缘故，有非绝对对称。沉降量主要集中在隧道正上方，与Peck曲线的描述基本一致。沉降量最大测点位于隧道拱顶正上方，沉降值为7.35mm。 4 溶洞的处理技术 在岩溶段隧道开挖过程中，通过监测隧道周边收敛位移及拱顶下沉位移值，判断围岩稳定状态，对及时调整支护措施和施工方案有着极其重要的指导意义。根据以往处理岩溶的经验，可以概括为以下几种工程措施：（1）对较大的溶洞、暗河，一般以桥涵等建筑物跨越;（2）对基本停止发育的干涸溶洞，宜采取堵塞方式；（3）为防止溶洞塌陷和处理岩溶水引起的病害，常采用加固的方法。下面根据溶洞段K0+165断面的时态曲线进行分析判断及简单介绍该隧道溶洞段的处理技术。 图8 K0+165断面洞周收敛位移时态曲线 从图8时态曲线中可以看出，溶洞、溶槽段洞周收敛位移开始时变形速率很大，最大速率达5.97mm/d，围岩变形持续4天后，时态曲线出现了拐点，即所谓的反常曲线。由于及时反馈信息，施工单位积极采取了有关处理措施，围岩变形才得以控制，避免了围岩失稳事故的发生。溶洞处理的一般施工原则为：短进尺、少扰动、快封闭、勤量测、强支护。同时根据溶洞的大小、有无岩溶水及溶洞的发育状况等，综合分析采用加固、跨越及堵塞等方法中的一种或几种。针对本隧道溶槽密集段K0+162～K0+170，以加固方式为主，采用多种措施综合治理。具体措施如下：初期支护由原设计的I14钢拱架，间距1.2m改为I18钢拱架，间距0.75m，喷射混凝土厚度由20cmC20改为24cm，二次衬砌改为钢筋混凝土，同时增加辅助施工措施超前小导管施工，设计参数为A42mm×3.5mm，环向间距45cm，长4.0m的热轧无缝注浆钢管及加设仰拱；每轮爆破进尺1.0m左右，开挖后立即进行喷射混凝土封闭，并架立初期支护的钢拱架及周壁注浆加固措施，浆液采用单一水泥浆浆液。从图8中可以看出，由于及时采取施工加强措施，该断面周边收敛位移变形约一周后，围岩变形处于缓慢增长状态，消除了围岩失稳的危险，保证了施工安全进行。同时在该段加强了监控量测频率2～3次/天，如发现危险情况第一时间通知施工单位。最终该溶槽段按改变后的初期支护参数及监控量测随时反馈的围岩信息，顺利、安全地通过了该不良地质阶段，保证了隧道施工的进程。 5 结论与施工建议 （1）K0+060～K0+115段围岩岩质较坚硬，属较坚硬岩，但岩体整体性较破碎，节理、裂隙较发育，节理间距多为20～30cm，宽度在1～3mm,多为密闭，部分微张，未见地下水。该段围岩级别大部分与地质勘察是相符的，仅少部分有偏差，但溶洞等出现较多。 （2）地表沉降最大值为7.35mm，沉降量最大值测点位于隧道拱顶正上方，其它测点沉降值由隧道拱顶逐渐向两边扩散，基本上是一漏斗状曲线。 （3）K0+045断面(Ⅴ级围岩)洞周收敛位移持续变形时间25天后，围岩趋于稳定，最大值为3.12mm；K0+100断面(Ⅳ级围岩)洞周收敛位移持续变形时间18天后，围岩基本稳定，最大值为2.07mm。 （4）K0+045断面 (Ⅴ级围岩)拱顶下沉量较大，最大值为12.77mm，持续变形时间约15天；K0+100断面(Ⅳ级围岩)拱顶下沉持续变形时间10天后，围岩变形基本稳定，最大值为5.52mm。 （5）在地质围岩较差段，建议采用“弱爆破、短进尺、勤量测、强支护、早封闭”的施工方法，必要时，建议采用“先支后挖”技术，尤其遇到溶洞、溶槽段必须做好超前支护(管棚、小导管、超前锚杆等)确保支护质量后方可进行开挖作业。

上一篇：福建永定、武平跨省协作摧毁非法稀土采矿

下一篇：没有了