（岩土工程专业论文）大跨浅埋公路隧道监测技术研究与分析.pdf

摘要 茅山隧道采取新奥法施工，新奥法是奥地利隧道工程新方法( n e w a u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ，缩写n a t m ) 的简称。在采用新奥法施工的隧 道中，围岩变形量测是检验围岩是否稳定和支护是否合理的重要手段之一， 是新奥法的核心内容。 当前隧道及地下工程建设正在向设计、施工一体化方向发展，就是通 常所说的信息化设计与施工，因此，为工程设计与施工提供信息的监控量 测便成为工程建设自始至终不可或缺的环节。国内外的学者对现场量测技 术、数据处理以及计算机工程应用等方面作了大量的研究与分析工作，但 是目前还没有形成一套成熟的监测理论及技术。 监控量测是从个体到群体解决隧道与地下工程力学、设计、施工问题 的一种重要手段和主要途径。可以断言，如果没有这种手段和途径，要最 终解决复杂围岩中的隧道与地下工程问题是不可想象的。 隧道工程监测技术的研究包括量测项目的规划、测试手段和工具、测 试方法、量测数据处理以及量测信息反馈等多方面的内容，既要作理论研 究工作，同时也要进行现场试验，是一项理论联系实际的应用型研究。 该文的宗旨是以茅山隧道工程为依托，密切结合工程需要，特别是针 对大跨浅埋公路隧道的特点，通过有效的监测点的布置，量测仪表的埋设 与观测，建立可靠的监测体系，确保该工程的安全与稳定。通过监测方法 的研究，完善和补充现有的监测技术，提出监测标准。 关键词：新奥法，变形量测，地下工程，监测系统，大跨公路隧道 a b s t r a c t n a t mi sa b b r e v i a t i o no fn e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d i nt h em i d d l eo ft u n n e le n g i n e e r w h i c hm a k i n gu s eo fn a t m ，d e f o r m a t i o nm e a s u r eo ns u r r o u n d i n gr o c ko ft u n n e lw h i c hc a np r o v e s u r r o u n d i n gr o c ki sw h e t h e rs t a b i l i z a t i o no rl o s i n gs t a b i l i z a t i o na n ds u p p o r tp a r a m e t e r i sw h e t h e ri nr e a s o no ri m p e r t i n e n c yi sai m p o r t a n tm e a n s d e f o r m a t i o nm e a s u r eo ns u r r o u n d i n g r o c ko ft u n n e li sn u c l e a rc o n t e n to fn a n 【 i nt h ec o n s t r u c t i n go ft u n n e l sa n du n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，m o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n g w h i c h p r o v i d et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o ni n f o r m a t i o nb e c o m en e c e s s a r yp r o c e s sw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t i o no fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt h a ti su s u a l l yb es a i d i n f o r m a t i z a t i o nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n f i e l dm e a s u r i n gt e c h n o l o g yt h es a m ea sd a t a p r o c e s s i n ga n dc o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e da n da n a l y z e dl a r g e l ym a n y s c h o l a r so v e rt h ew o r l d ，t h o u g ht h em o n i t o rt h e o r ya n dt e c h n o l o g ya r en o tw e l ld e v e l o p e d t h em o n i t o rs y s t e mc a nd i s p l a yi t si n f o r m a t i o n a l i z e dc h a r a c t e r i s t i ct h em o n i t o ri sa n i m p o r t a n tm e a n sa n dm a i nw a y ，t os e t t l es u c hp r o b l e ma sm e c h a n i c si nt u n n e la n du n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n gf r o mi n d i v i d u a lt og r o u p o u to fq u e s t i o n ，w ec o u l d n td e a lw i t hc o m p l e x p r o b l e m so nt u n n e l a n du n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g , w i t h o u tm o n i t o r t h er e s e a r c ho fm o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e sf o rt u n n e lp r o j e c ti n c l u d em a n ya r e a s ：t h e p l a n n i n go ft h em e a s u r e m e n tp r o j e c t ，m e a n sa n dt o o l sf o rt h em e a s u r e m e n t s ，m e a s u r i n gm e t h o d s ， p r o c e s s i n go fm e a s u r e m e n td a t aa n dt h ef e e db a c k sf r o mt h em e a s u r e m e n ti n f o r m a t i o n 。b o t h t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hw o r k sa n da l s ot h ef i e l d t e s t s ，i ti sa na p p l i e dr e s e a r c ht h a t c o m b i n e st h e o r yw i t ht h ep r a c t i c e t h i sa r t i c l eo b j e c t i v ei st h ec l o s eu n i o np r o j e c tn e e d ，s p e c i a l l ya i m sa tg r e a ts p a na n d s h a l l o wb u r i e dh i g h w a yt u n n e lt h ec h a r a c t e r i s t i c t h r o u g ht h ee f f e c t i v et e s tp o i n t a r r a n g e m e n t ，t h eg a g i n gi n s t r u m e n te m b e d m e n ta n dt h eo b s e r v a t i o n ，e s t a b l i s h e st h er e li a b l e m o n l t o rs y s t e m ，g u a r a n t e e st h i sp r o j e c tt h es e c u r i t ya n dt h es t a b i l i t y t h r o u g ht h em o n i t o r m e t h o dr e s e a r c h ，t h ec o n s u m m a t i o na n dt h es u p p l e m e n te x i s t i n gm o n i t o rt e c h n o l o g y ，p r o p o s e s t h em o n i t o ts t a n d a r d k e y w o r d s ：n e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ，d e f o r m a t i o nm e a s u r e ，u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ， m o n it o rs y s t e m ，b i g s p a nh i g h w a yt u n n e l 东南太学学位论文锄创性声明 丰 一啊所v 宜的学位论主足噩十 舟导帅指廿f 世 r 竹研兜if 1 世“甜的州兜墟 粜球噩晰知昧，主l f i 特制加“杯f ：和照甜的地方卦 电上- - 1 ：也青i l - 他八l 三朴越 柏：址韵研兜成獭- 也币包舟为莪封求由尢李或蔓它教仃帆构的学竹蛆h l ：f ；咖憧i h 的忖科，覆1 0j 作的h 占对奉研究所做的件何血越均l 三 诗空r l ，f 1 ：，叫确的睫j u j i t + 托小，删矗 研兜崔格私；五筮：匕刺，里坐上+ 工。 求南大掌学位论文使用授权膏明 m 南 乍，i q 引乍抽水n u 划饨刨，l q 窜hl 订n “佩 m t 0 潦二l l 巾 u r f 和电r 上h i j j “果i i f 姑印，编印成坫他u 制卜幢佯仃呛主，丰i i ! ，z n 帕i 棹帛l 吼城沧王帕山冉柑r 且、睥冉侃拖驯内的性嘶地土蚪兜许电主峨 蝌和i 仍州- 一j u 廿巾i 心i f l j 和，呛上帕十 e 一毫郫 ，i 勺样地上帕h 佃r “j l l i 仔j + 4 j 、j n 叶 e l ，虻n 埋。 刮l 究t 链私：拴王甘帅格# ：，捌趣五l ，l ：坷，工。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从有人类记载以来，隧道和类似隧道的地下空间就成为人类躲避天灾猛兽有利的设 施。现在，隧道与地下空间的利用，远远超出为个人生活服务的利用领域，而扩大到作为集 团的生活需要空间。尤其是现代，人口向城市集中，使城市人口密集、城市功能恶化。为了 保持城市功能及交通所需空间，在经济可持续发展的战略中，隧道与地下空间将占据重要地 位，其利用和规模将会日益扩展。世界各国都在修建隧道与地下工程，秦岭铁路隧道全长 1 8 4 6 公里，是我国铁路隧道之最。英吉利海峡从伦敦到达巴黎只需几个小时。日本的青函 ( k o n a n ) 隧道连接本州与北海道这两个岛屿，长5 3 千米，2 25 千米在水下。瑞士兴建的戈 特哈尔德隧道全长5 7 6 公里，为全世界最长铁路隧道。中国辽宁在造的引水隧道长8 5 3 公里， 成为世界上最长的隧道。 隧道在人类的生活中起着越来越大的作用，隧道是地下通道的工程建筑物。一般可分为 两大类：一类是修建在岩层中的，称为岩石隧道，一类是修建在土层中的，称为软土隧道。 岩石隧道修建在山体中的较多，故又称山岭隧道，埋置较浅的隧道，一般采用明挖法施工， 埋置较深的隧道则多采用暗挖法施工。用作地下通道的有道路隧道，水底隧道，城市道路隧 道，地下铁道、铁路隧道和航运隧道等i ”。本文所研究的是公路隧道。 在隧道施工中，现在多采用新奥法，新奥法是新奥地利隧道施工方法的简称( n e w a u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d - n a t m ) ，在法国又称为收敛约束法，有些国家称为动态规划设 计施工法“。它是六十年代奥地利专家拉布西维兹( l v r a b c e w i c z ) 教授等在长期从事隧 道施工实践中，从岩石力学的观点出发而提出的种合理的旄工方法，是采用喷锚技术、旖 工测试等并与岩石力学理论构成的一个体系而形成的一种新的工程施工方法。因其工艺简 单、结构可靠和造价低廉等特点而引起许多国家的重视，并已在世界各地的矿山、铁道、水 工隧道或其他地下建筑工程中获得广泛的应用p “。 利用新奥法构筑隧道的适用范围是很广泛的。从地质条件来讲，由坚硬岩、软岩、土砂 质地层中的隧道，一直到具有强大膨胀性地压的地层中的隧道，均可以用新奥法构筑，特别 是在膨胀性地层和在软弱的土砂质地层中，采用新奥法可以有效地克服塌方事故。在城市地 下工程中，采用新奥法可以成功地控制地表下陷，如慕尼黑地下铁道采用新奥法构筑。把地 表下陷量成功地控制在5 1 0 毫米内心。 新奥法是应用岩体力学原理为指导，采取弱爆破以维护和利用围岩的自稳能力为基点。 使锚杆和喷射混凝土混合在一起作为主要支护手段，进行支护，以便控制围岩的变形与松弛， 使围岩成为支护体系的组成部分，形成以锚喷混凝土和隧道围岩为三位一体的承载体系，共 同承受建筑物压力。通过对围岩与支护的现场量钡4 ，及时反馈围岩支护复合体的力学动态 及其变化状况，为二次支护提供合理的架设时机；通过监控量测及时反馈的信息来指导隧道 和地下工程的设计与施工。 新奥法构筑隧道的主要特点是，通过多种量测手段，对开挖后隧道围岩进行动态监测， 并以此指导隧道支护结构的设计与施工，其理论是建立在岩体力学特性利岩体变形特性以及 莫尔学说的基础上，并考虑到隧道掘进时的空间效应和时间效应对围岩应力与变形的影响。 它集中体现在支护结构种类、支护结构的构筑时机、岩体压力、围岩变形四者的关系上，贯 穿在不断变更的设计与施工过程中。新奥法提出了与传统方法完全不同的新概念和新观点， 指导着喷锚支护的设计和施工，指导着构筑隧道的全过程。 作为信息化施工重要组成部分的隧道的现场施工监测已成为现代隧道建设过程中的重 要一环。现场监测的目的有，保证隧道以及隧道邻近的和隧道覆盖表结构及环境的安全；评 价及确定隧道支护的结构形式；评价围岩、支护结构以及承重结构的受力性能。为了完成以 上的目的，量测贯穿整个施工过程。在隧道的开挖过程中，使用各种量测仪器仪表对隧道围 岩变化情况和支护结构的工作状态进行量测，可以及时提供围岩稳定程度和支护可靠性的安 全信息，预见事故和险情，化解风险于未然，改进施工方法，指导施工。将监测结果反馈于 设计，与计算分析结果相比较，修正及孙充计算分析中采用的参数，计算模型及计算方法， 分析设计的合理性，作为调整和修改支护设计的依据。现场监测可为科学研究提供必要的数 据 9 - 1 1 】。 隧道工程监测技术的研究包括量测项目的规划、测试手段和工具、测试方法、量测数据 3 东南大学硕士学位论文 处理以及量测信息反馈等多方面的内容，既要作理论研究工作，同时也要进行现场试验，是 一项理论联系实际的应用型研究。2 0 世纪5 0 年代以来，国内外学者对于隧道及地下工程安 全监测项目的确定、仪器的选型，仪器的布置、仪器的埋设技术与观测方法、观测资料的整 理与分析等的研究工作正在逐步加深。 自新奥法在隧道工程中得到应用和推广以来，隧道现场监控量测工作及量测数据的分析 和反馈同时也发展起来，国内外很多学者和技术人员在这方面作了大量的工作。由于隧道工 程支护系统工作环境的不同和围岩状况的复杂多变以及理论上的不完善，目前还找不到一种 计算模型能全面、准确的表达各种情况下围岩状况及其与支护系统的相互关系和支护系统的 工作条件，通过力学计算来设计也是困难的。因而，现今的施工前预设计主要是依靠某些勘 探资料及工程类比法进行的，在实际施工过程中会发现由于工程地质、水文地质、施工方式、 支护特性等的变化，常常使原设计不尽合理锚喷支护的采用和新奥法的实施，使得有必要 在隧道开挖过程中及时对围岩变形进行监测，通过这种监测对围岩稳定性作出判断，并且使 客观的评价支护与围岩的状态和合理的设计成为可能，从而使围岩受力状态达到平衡与稳 定。但由于围岩条件的复杂性、施工操作的不一致性、支护结构及标准的不均衡性，以及支 护构筑时间的差异性等，使得目前要用某些力学理论来解决这种非线性的多因素关系的实际 问题尚存在相当大的困难。基于这种情况，对于现场监测，目前多从隧道开挖时围岩内空变 位量测入手，结合现场工程地质状况、开挖施工条件以及支护的工作状态等的考察来研究隧 道围岩的变形规律以及与隧道施工，支护类型的关系，找出围岩变形速率与稳定性的关系、 变形速率与开挖面距离的关系、开挖时间与稳定时间的关系，并预测围岩最终稳定时间以及 最终变位量的判断准则等。 随着监测理论与数据处理方法的发展以及计算机技术的进步，在地下工程安全监测工作 中，采用计算机进行监测资料整理正在逐步取代人工作业。意大利的微机辅助监测系统 ( m a m s ) ，可实现数据采集，校验、存储和传输，并具有快速在线判断和报警功能”+ ”j 。我 国南京自动化研究所、清华大学，中国水利水电科学研究院和松辽委勘测设计院等科研院校 共同努力，通过攻关研制成工程急需的变形和渗流监测仪器。南京自动化研究院大坝监测研 究所研制的d a m s 大坝安全自动检测装置和d s i m s 大坝安全信息管理系统软件于1 9 8 5 年1 0 月首次在梅山水库试运行。十多年来不断总结完善，该所己先后开发了d a m s i i 型混合式 数据采集系统、d a m s - - i i i 型分布式数据采集系统、d a m s 一智能型分布式数据采集系统 d s i m s 大坝安全监控管理系统，并在工程中得到应用和推广。翁汉民1 9 9 2 年根据铁道部 基本建设总局颁布的铁路隧道新奥法指南技术标准编制丁新奥法量测及施工的计算机管 理系统，该系统由工程动态信息数据库、预测及反馈、施工管理、系统维护四个主模块组成， 能够追加、删除、修正量测数据，输出报表和图形绘制，进行位移回归预测、反推岩体初始 参数及初始地应力场和洞室开挖后的应变场。晏小明等人1 9 9 6 年开发了滑坡监测预测预报 数据库l s m o s 系统，可以说是套较完善的分析预测预报软件系统。张文波等人1 9 9 6 年介 绍了其研制的边坡监测信息管理系统，该系统具有对边坡监测资料进行数据管理、数据处理、 变形预报以及绘图等功能。兰海1 9 9 7 年在其硕士学位论文中具体阐述了大型桥梁结构监测数 据库的构思与实现方法。胡金莲、陈扬友1 9 9 7 年在开发三峡工程施工安全监测数据库管理 系统中提出了工程数据库可视化查询的设想，并采用了实现可视化查询的关键技术刘大安、 女1 j 4 , 佳1 9 9 7 年提出了开发地质工程监测信息系统的构想，并对开发中的若干重要信息进行 了探讨。袁宝远1 9 9 8 年在其博士学位论文中对边坡地质信息系统与监测信息系统作了研究， 文中对可视化分析、三维图形分析都作了详细的介绍”+ “j 。 1 2 大跨隧道 目前为止，国内外已经修建了大量的大断面交通隧道，而且随着交通需求的日益增加其 表1 1 日本断面划分标准 划分开挖面积( m 2 ) 标准断面 大断面 超大断面 7 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 数量会越来越多，断面面积也有不断正增大的趋势。主要依据为基于开挖面积下的矢跨 4 釜二童堑堡 比、扁平率等确定。大断面隧道的基本划分可参考表1 1 即日本隧道断面划分标准和表1 - 2 即国际隧协建议的划分标准。 表1 2 国际隧道协会( i t a ) 断面划分标准 超小断面 1 0 0 从上述划分标准来看大断面隧道基本上是指断面面积大于1 0 0 m 2 的隧道。对我国铁路系 统、公路系统而言，三线或三车道隧道均可纳入大断面隧道之列”w 。 我国自6 0 年代修建断面面积超过2 0 0 m 2 以上的隧道有5 座，其中9 4 年修建的狗磨湾隧道 高达2 5 0 m 2 4 9 。随着高速公路的快速发展，三车道以上大断面隧道数目急剧增多。自2 0 世 纪9 0 年代起，相继修建了南京中山门隧道、老山隧道、茅山隧道、大宝山隧道、白云山隧 道、靠椅山隧道、虎背山隧道、自花山隧道、大梅沙隧道、鹅公岌隧道、潭峪沟隧道、八达 蛉隧道、铁山坪隧道、真武山隧道、歪嘴山隧道、阳宗隧道和小团山隧道等3 车道以上高速 公路隧道9 q 。现在，对大断面隧道的研究也在系统进行着。 国外隧道工程技术也正朝着大断面扁平趋势发展。如日本第二东名公路初期建设的三车 道断面面积从1 1 3 1 7 0 m 2 ，比一般双车道的8 5 m 2 大1 5 2 0 倍。英法海峡隧道分叉处断面 的开挖宽度达2 1 2 m ，开挖高度达1 5 4 m ，开挖断面2 5 2 m 2 。有些参考文献，将大跨隧道等 同于大断面隧道，但有时使问题变得模糊不清，因为大跨隧道与大断面隧道在力学行为上毕 竟存在许多不同之处，因此，关于大跨隧道的定义应不仅仅以断面面积为标准进行划分，引 入基于开挖面积下的矢跨比、扁平率等参数似乎更为合理。 我国高速公路隧道的建设起步较晚，发展较慢，理论研究和工程实践尚不能满足目前交 通建设快速发展的要求，特别是当前高速公路建殴中大量大跨公路隧道的修建，很多相关的 设计和施工方面的问题有待于研究和完善。在借鉴国内铁路隧道和国外大跨公路隧道建设成 功经验的基础上，对于复杂地质条件下的大跨公路隧道施工过程的安全稳定问题进行系统深 入地研究，期望在理论上取得一些规律性的成果，能够达到指导我国大跨高速公路隧道的设 计和施工的目的。 常宁高速公路穿越江南丘陵山区，气候湿润多雨，茅山断裂横穿其间。岩体结构复杂破 碎，稳定性较差。东、西隧道全长1 5 4 7 m ；开挖跨度达1 71 5 1 7 3 3 m ，成型后跨度达1 5 m 以上，最大开挖高度11 9 8 m ，最大开挖面积达1 7 0 m 2 ，形状扁平，扁平度0 5 左右【”j 。 1 3 浅埋隧道 茅山隧道东西隧道埋深均较浅，8 0 以上的隧道埋深不超过5 0 m ，最浅处不超过08 2 m ，局部为负埋深，特别是西隧道下行线西洞口1 1 5 m 处最大埋深仅7 m 左右，为一典型浅 埋人跨扁平隧道【1 9 】。见罔1 1 。 图l 一1 冲沟超浅埋段示意图 5 东南大学硕士学位论文 1 4 研究现状与存在的问题 1 4 1 监控量测工作现状 自上世纪6 0 年代新奥法出现以来，隧道监控量测在国外得到了广泛的应用和长足的发 展。我国从8 0 年代开始逐步的采用新奥法施工，经过2 0 多年的发展，在量测方法和量测手 段上取得了很大的进步。 ( 1 ) n 内外隧道施工监控量测的内容 国内外隧道施工监控量测的内容涵盖了隧道围岩一支护结构力学体系的各个方面，包括 位移、应力、应变、压力等，具体的量测项目有；工作面地质观察、隧道拱项下沉、洞周收 敛、地表下沉、围岩内部位移、围岩应力、支护结构压力、锚杆轴力和抗拔力等。目前进行 得最多的、最有效的有隧道工作面地质观察、拱顶下沉、洞周收敛等，其它项目( 我们称之 为选测项目) 主要在一些科研项目中进行。 ( 2 ) 仪器的选用及数据处理现状 目前国内外采用的监测仪器大体有以下几种：位移量测，主要采用经纬仪、水准仪、塔 尺、刚尺、收敛计、百分表等量测设备，塔尺和水准仪仍然是国内外进行隧道拱顶下沉的主 要仪器。应力、压力、应变量测则采用各式各样的压力和应变计等，根据其传感器的种类可 以分为电测式和机械式，其中电测式可以分为电阻方式、电感方式、电容式以及新型的压电 式和压磁式：机械式主要是钢弦式。 在数据的处理上，位移量测一般是进行现场的数据采集后，绘制成位移一时间、速率 时间曲线，然后进行相关的回归分析，以求对隧道支护体系的稳定性及支护时机等有所指导。 其它量测则主要是通过相关的换算公式，将现场测试数据转化为应力、应变等。 1 4 2 存在的问题 ( 1 ) 隧道设计、施工与监控量测很难做到有机结合 我国隧道施工规范规定，采用复合式衬砌的隧道，施工、设计单位必须紧密配合隧道监 控量测，共同研究，分析各项量测数据，确认或修改支护参数。但在实际隧道施工中，由于 各种原因的存在，隧道监控量测数据却很少的被应用于修改支护参数，甚至一些隧道的施工 中少作或不作监控量测。 ( 2 ) 测试手段和测试仪器有待提高 测试手段和测试方法更新过慢，以位移量测为例，目前大多数情况下仍然采用水准仪和 塔尺的方法进行拱顶下沉量测，虽然长安大学吕康成教授早在2 0 0 2 年就发明了隧道位移实 时监控系统，但这组仪器在工程实际中的普及率仍然很低：其次，前面提到的其它量测仪器、 器械的精度较低、自动化程度低、环境适应能力差、可操作性不强等问题，一些传感器在埋 入地下之后动辄出现数据紊乱等质量问题。 ( 3 ) 数据处理技术有待提高 以洞内位移量测为例，目前大部分隧道施工监测的数据处理在e x c e l 里进行，大家般 用该软件白带的曲线回归函数进行回归，北方交通大学等国内科研院校也有采用o r i g i n 软件 进行回归分析的。这些回归分析方法在有足够数据的情况下，回归结渠相当精确，然而，由 于采集数据周期过长，对现实的施工指导意义不大。现实丁：程施工中，还有不进行数据的回 归分析，单纯根据位移值的大小，根据以往的j 二程经验，判断围岩支护结构是否安全、经济 的。这种方法需要丰富的工程经验，没有牢固的理论依据，可靠度不高。 ( 4 ) 对一些特殊地质情况的隧道施工监测办法不多 特殊地质情况主要是指塌方、涌水等。这些地段进行施工监测有很大的局限性：一方面 在这些情况下进行施工监测安全无法得到保障，另一方面由于塌方、涌水等原因造成的围岩 应力变化很难预测，而普通的现场监测不能做到实时监控。最终导致工程抢险过程中无法进 行监控量测或者是治理过后才能进行量测。 1 5 研究内容与技术路线 监控量测是新奥法施工的三大支柱之一，充分阐述了隧道监控量测各个项目的实施意义 和监测目的，介绍了每个量测项目的选用仪器及断面布置方法等，本文以茅山隧道本项目研 究的根本目的是密切结合茅山隧道的工程特点及工程需要，通过有效的监测点的布置，量测 6 笙二垩堑堡 仪表的埋设与观测，建立可靠的监测体系，确保该工程的安全与稳定。研究的内容有： ( 1 ) 监测点的布置。能否反应隧道地质变化和支护各点产生的应力，应变不同的变化。 进而达到修改设计与指导施工。 ( 2 ) 量测仪表的埋设与观测要点。针对监铡内容的不同，现场仪表埋设的方式方法、 深度及角度等也各不相同，同一种监测内容由于地质条件不一，支护状况不同，也会出现埋 设方法的不同。 ( 3 ) 监测数据的分析。量测数据经分析处理与必要的计算和判断后，进行预测和反馈， 以保证施工安全和隧道稳定。 ( 4 ) 成果总结。通过监测方法的研究，完善和补充现有的监测技术，提出监测标准。 7 第二章大跨浅埋隧道现场试验研究 第二章大跨浅埋隧道现场试验研究 2 1 概述 宁常高速公路穿越江南丘陵山区，气候湿润多雨，茅山断裂横穿其间，设计采用隧道穿 越茅山。茅山隧道设计采用双洞分离式方案，由东隧道和西隧道两部分组成，分别由上行和 下行两个单向隧道组成，均为双洞三车道单向交通。西隧道上行洞：e k 2 4 + 8 7 5 - e k 2 5 + 3 2 7 ， 长度4 5 2 mi 下行洞：f k 2 4 + 7 4 0 - f k 2 5 + 3 2 2 ，长度5 8 2 m 。东隧道上行洞： e k 2 5 + 5 7 0 一e k 2 5 + 8 1 5 ，长度2 4 5 m ；下行洞：f k 2 5 + 5 1 4 f k 2 5 + 7 8 2 ，长度2 6 8 m 。隧道洞 群上行洞全长6 9 7 m ，下行洞8 5 0 m 。隧道洞外亮度按4 0 0 0 c d m 2 设计；照明设计行车速度按 1 0 0 k m h 设计，同时设有入口段、过渡段、中间段及出口段。隧道上下行线最小净距为 3 4 3 5 m 。隧道衬砌断面采用三心圆形式，最大开挖跨度1 7 3 3 m ，最大开挖高度11 ，9 8 m ，形 状扁平，且埋深较浅，8 0 以上的隧道埋深在5 0 m 以下，最浅处不超过2 m 。 地貌属剥蚀丘陵，穿越围岩岩性复杂，地质条件较差，初勘揭露，西隧道上行洞、 类嗣岩占6 5 7 ，下行洞i i 、i 类围岩占7 4 - 2 ；东隧道上行洞i 类围岩占6 7 3 ，下行洞 类围岩占8 8 8 ，围岩稳定性差，为典型浅埋大跨扁坦隧道 2 1 2 2 1 。 茅山隧道衬砌结构除洞口和洞身浅埋段结合地形、地质条件设置明洞，采用盖挖法结合 长管棚施工外，其余隧道段均按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌。根据围岩类别和隧 道埋深条件，并结合构造要求，拟定相应的支护参数，通过必要的理论分析计算进行校核。 结合地质情况，东隧道施工开挖方案设计采用c d ( c e n t e rd i a p h r a g m ) 、c r d ( c r o s s d i a p h r a g m ) 法施工，实际施工时西隧道采刚c r d 法、东隧道采用上下台阶法施工。 2 2 茅山隧道施工方案 2 2 1 公路隧道常用开挖方法 2 2 2 1 全断面开挖法 全断面开挖法就是按照设计隧道轮廓一次爆破成型，然后进行喷锚支护和二次衬砌的施 工方法。适用于整体性好的v 、类围岩。 2 2 2 2 台阶法 台阶法是指正台阶二步开挖法，是全断面开挖法的改进型。台阶法根据台阶长度的不同， 可划分为长、短、超短台阶法三种。台阶法适用于在短期内围岩能处于稳定的地层。 2 223c d 法 该方法是将断面分成四块，即先挖一侧上部与下部，左右两侧间布置中隔墙，后分别开 挖另一侧上部与下部的施工方法。c d 法适用断面大跨度大，软弱围岩条件的浅埋隧道。 2 2 2 4c r d 法 是由c d 法改进而来的施工方法，采用增设临时仰拱措施将一侧封闭成环，通过中隔墙 的减跨、临时仰拱及时封闭成环组成有效有力的支护体系，能非常有效的控制掌子面的稳定。 c r d 法适用丁二浅埋大跨或特大跨软弱围岩条什的隧道。集中了上述几种施_ 方法的优点， 是目前在软弱围岩条件隧道施工中安全性最高的方法。 2 2 2 5 施工方法比较 施工方法比较表2 2 2 2 茅山隧道开挖方法的确定 8 第二章大跨浅埋隧道现场试验研究 由于茅山隧道属于浅埋大跨软弱围岩隧道，特别是洞口段为坡积物和人工弃土且覆盖层 非常薄，采用暗挖进行施工，难度相对较大，进洞前采取地表深孔注浆和长管棚预加固措施， 以策安全、顺利进洞：在充分考虑到隧道浅埋，围岩破碎，自稳能力极差，靠山侧有偏压， 不允许产生较大变形，必须控制围岩的变形，充分发挥围岩的自稳能力，因此茅山隧道决定 在、类围岩采用c r d 开挖法施工，在类围岩采用c d 开挖法施工，进口采用“套拱+ 3 0 m 长管棚”进洞，出口采用s 2 a 自进式超前锚杆，以减小变形，确保施工安全。洞身段衬砌按 新奥法原理设计，初期支护采用喷、锚、钢拱架联合支护，二次衬砌采用钢筋混凝土或素混 凝土衬砌。 2 3 试验地点与工程地质条件 2 3 1 试验地点 茅山隧道位于句容县境内磨盘山林场以东，方山以北、桃山南坡，属茅山山脉之中部， 茅山山脉在工作区总体呈南北向展布，最高为1 5 9 m ，高差6 0 8 0 m 。主要为剥蚀低山丘陵地 貌，山体坡度较缓，一般为1 3 2 0 0 ，西隧道山体的西坡、东坡坡度分别为2 0 0 、1 9 0 ，东隧 道为1 3 0 、2 0 0 。区内总体土壤覆盖层较厚，植被茂密。 图2 一l 研究区交通地理位置图 2 3 2 工程地质条件 2 3 2 1 隧址区地层岩性 茅山山脉位于宁镇山脉南侧，与宁镇山脉呈“弓矢”形。北起镇江宝埝，向南南西方向 延伸，经句容与金坛、溧水与溧阳、高淳与安徽宦城之间，止于青戈江，与皖南山区隔盆相 望，山体呈“s ”型展布，长1 3 4 k m ，宽2 1 4 k m ，海拔1 0 0 4 0 0 m ，其中晟高峰丫吉山高 4 1 0 m 。主峰顶宫是我国著名道教胜地，西麓南镇街是新四军纪念馆所在地，现己成为重要 旅游区。山脉东侧属太湖平原区，海拔3 4 m 。 茅山山脉东西两麓为丘陵一平原地带，地形上的特点是：具有低山、丘陵、斜地、平原 和洼地等五种地形；水平向分布特点是中部突起，西北地势高，东南是平原洼地；区内地形 总的趋势是西北高，东南低洼。茅山山麓的植被发育，松竹茂盛，基岩地区覆盖较厚o q 。 图2 - 2 茅山山脉位置图 9 奎塑查兰堡主堂垡堡奎 a 在区域地质图上( 1 ：5 0 0 0 0 ) ，隧址区处在茅山西侧断裂( 逆冲断层) 前缘，为一构 造窗，隧道工程区未见大型断裂构造破碎带。 b 据物探资料推测，西隧道东口处，浦e l 组砾岩与侏罗龙王山组地层之间有一逆断层。 其断面产状：走向北北东，倾向东。详勘z k 4 3 4 1 孔在穿透厚层( 3 8 4 m 厚) 安山凝灰岩其 断面产状为走向北北东，倾向东。但在两岩性接触带处，钻探岩芯中未观察到明显破碎现象。 该断层可能为茅山西侧断裂一分支。 c 据区域地质资料( 1 ：5 0 0 0 0 地质图) ，东隧道处岩层较复杂，花岗斑岩侵入于安山岩 之中，两者为侵入接触，但该侵入体( 花岗斑岩) 目前钻孔均末遇到；安山岩类岩性较复杂， 既有安山岩( 熔岩) ，又有安山质凝灰岩和碎裂状安山质角砾凝灰岩，其岩样强度有明显区 别。 d 茅山东隧道出口处东侧地表见志留系坟头组泥岩，泥质砂岩，据隧址区以东的z k 2 孔 钻孔，在孔深3 0 米处( 标高约为3 0 米) 穿过坟头组，见侏罗系安山岩，说明该处坟头组为 茅山西侧断层上盘推覆体( 逆冲断层上盘) 。 e 东隧道南侧安山岩采石坑露头处观察到节理构造。l z l l 2 3 2 3 围岩分级判别 隧道围岩的分级或分类是隧道工程设计、施工的基础，是选择施工方法、进行科学管理、 正确评价经济效益、制定劳动定额、材料消耗标准、工程计价的依据，是隧道工程技术的重 要问题。在具体工程中，围岩类别只能通过前期勘探和后期隧道开挖揭露围岩的状况来进行， 因此分类工作很难有前瞻性和较好的实用性。目前一般是按公路隧道设计规范而确定的。 但由于地质情况复杂多变，地层深处的岩体状况看不见、摸不着，多半是凭经验推断。另外， 在施工前进行地质调查对，由于使用的手段、方法、投入时间、调查人员的技术水平等原因， 对隧道围岩预测精度不可能很准，因此，在施工中必须进一步核实确认。这是隧道施工中十 分重要的一项工作。 我国的公路隧道和铁路隧道规范中，都颁布了围岩分类标准，按不同指标将围岩分成六 类，各规范关于围岩分级档次之间的关系如表2 2 所示。 隧道围岩和岩体分级标准表2 - 2 【2 4 - 2 6 隧道围岩类别与判别： 步骤1 ：鉴定围岩的坚硬程度，初步判断出硬软岩石。按岩石定性表对硬、软岩石做出 初步判断。 步骤2 ：按照岩石单轴饱和抗压强度尺，作出硬、软岩石定量判断。 2 3 2 4 隧道围岩的分级或分类的作用 隧道围岩的分级或分类的作用是为了隧道施工中的动态设计修正。根据东西隧道隔岩时 间变化情况，设计单位及时恰当的提出了解决方案，进行了设计变更，保证了工程安全、经 济，顺利推进。 ( 1 ) 盖挖法优化设计 茅山西隧道f k 2 4 + 8 7 5 - f k 2 4 + 9 1 0 超浅埋( 部分负埋深) 穿越沟谷段，预设计为明挖 法施工，采用“套拱+ 3 0 m ”长管棚辅助方案，方案成熟，安全可靠。但根据施工单位的工 期安排，该段施工正值雨季，而该段正处于山谷冲沟之中，上游汇水面积较大，雨季和洪水 期水流湍急，如采用明挖长管棚法施工，周期预计较长，而且水流很可能灌入暗洞之中，排 水难度增大，对暗洞的开挖造成安全隐患。基于此，施：r 单位提出了盖挖法施工，经设计院 的反复研究论证，最后将f k 2 4 + 8 7 5 - f k 2 4 + 9 1 0 中的f k 2 4 + 8 7 5 3 f k 2 4 + 9 0 03 部分由原来 的明挖法设计改为盖挖法设计，其余部分采用反压回填暗挖通过。如图2 - 3 所示。 1 0 第二章大跨浅埋隧道现场试验研究 图2 3 西隧道f 行线盖挖断施工 ( 2 ) 东隧道施工方案的变更 东隧道上行洞白2 0 0 5 拄= 4 月2 7 日开始自东往西掘进，根据现场地质条件，2 0 0 5 年6 月1 日起从e k 2 5 + 7 6 1 开始施工方案改为台阶法施工；东隧道下行洞自2 0 0 5 年5 月1 8 曰开始自东 往西掘进，计划上下台阶法推进，由于地质情况突变改为中隔壁法，洞口补设中隔墙5 m 左 右，后又发现地质情况好转，随后又改为台阶法施工，东隧道施工采用台阶法施工。 ( 3 ) 西隧道卵砾石层与砾岩接触界限 勘察报告中西隧道下行线砾岩与残积层界线位于f k 2 5 + 0 7 0 一f k 2 5 + 0 9 0 间，而根据实 际开挖时掌子面地质情况调查，该界线位于f k 2 5 + 1 0 7 处。因此，原设计采用c d 施工，实 际采用c r d 法施工。 2 4 测试项目 为了确保施工安全进行，并及时了解围岩在开挖时的情况，达到动态反馈设计与信息化 施工的目的，对茅山东隧道的施工进行了现场监控量测，主要目的在于： 通过围岩基本物理力学参数试验、开挖后洞室围岩塑性区及内部位移测试、支护与衬砌 压力和应力测试以及隧道变形的监测，分析大跨破碎岩体公路隧道开挖变形机理，掌握围岩 应力释放与围岩压力的作用规律，分析研究隧道极限位移和位移分级管理标准，确定大跨破 碎岩体公路隧道衬砌结构形式及设计计算参数、确定合理的施工工序与方法，验证该种条件 下，围岩衬砌结构设计段面，并对结构运营安全、可靠度提出评价。 公路隧道施工技术规范( j t j 0 4 2 - - 9 4 ) 第9 2 1 条规定复合式衬砌的隧道监测项目。 监测项目分为必测项目和选测项目。见表2 1 0 。 2 5 现场埋设点的布置与仪器埋设 2 5 1 监测方案设计 隧道监测的设计应看成是整个工程设计中的一个重要组成部分。监测设计不仅仅是仪器 选择和布置，而且是一项综合的工程技术，应从监测目的、原则到监测资料的整理与应用等 整个过程全面系统的考虑。它从确定目标开始，剑进行操作和根据资料进行分析提出评价为 止。其设计原则主要有以下几点： 1 隧道监测设计应在围岩条件和工程性状预测的基础上进行，设计应以施工期监测为重点， 施工期监测又应以围岩稳定性和支护结构的_ t 作状态监测为重点。 2 观测项目和测点的布置应满足预测模型的要求，监测系统应能全面监控隧道工程的工作 性状，对各种内外因素所引起的相互作用，都应统一考虑。 3 观测仪器布置要合理，注意时空关系，控制工程的关键部位。随隧道工程开挖的进展或 者说随时间的推移，空间不断扩大，对按监测目的所选定的物理量应测其空间分布和随时间变 化的全过程。空间变化过程中，应有选择的做到所监测的物理量沿一定方向或沿一定边界分布： 时间变化过程中，应做到尽量早地开始观测读数，中间不间断。也就是说，要做到空间平【i 时间 两个方面的监测都连续。这就要掌握洞室施工开挖工序，并根据施工工序进行监测仪器安装施 工的设计。 4 为尽量求得监测围岩和支护结构性状变化的全过程，在条件许可时，能从附近钻孔预埋观 测仪器的，采取预埋监测的方式，不具备预埋条件的，应紧跟掌子面及时埋设。 5 安全监测设计应和工程设计一样，纳入设计正常工作范围内。分阶段进行设计，随工程开 1 1 东南大学硕士学位论文 挖的推进，出现新问题时要及时补充或修改监测设计。 6 隧道工程施工期监测和运行期监测应作为一个整体统一进行设计。 7 仪器监测点的布设都是典型的断面和有代表性的位置，应该采取仪器监测为主，人工巡视 调查与仪器监测相结合的方式，以弥补仪器祖盖面的不足。 表2 1 0 茅山隧道暗挖段动态施工监测项目设计表【2 7 i 结合隧道施工要求及嗣岩分类情况，每1 0 2 0 m 左右设置收敛变形测面，每断面分别在 拱顶、拱腰、仰拱部位设置变形测点或测线，进行隧道拱顶下沉、水平收敛和仰拱隆起的测 量。各洞口布置地表沉降观测段面共1 2 个。 2 5 2 监测断面的考虑 隧道监测断面应按工程的需求、地质条件以及施，t 条件选择具有代表性的断面，它应能 代表相应范围地段的洞室性态发展情况。监测断面布置要合理，注意时空关系，采取表面与 深部结合、重点与一般结合、局部与整体积结合，使测网、断面、测点形成一个系统，能控 制整个工程的各关键部位。在断面的选择上应注意埋深、岩体结构特性、围岩性态、结构物 尺寸及性状、预计的变形及应力以及施工方法、施工程序等。 断面可分为重点监测断面和辅助监测断面，重点断面可埋设多种仪器，进行多项监测， 以使监测结果互相对照，相互检验，辅助监测断面埋设仪器少，用以监测个别重大的有意义 的参数。如果隧道周围存在建筑物，需要预测地基变化和爆破振动对邻近建筑物的影响，注 意研究开挖中的深层滑移和地层失稳，以及支护设计的安全度。 在观测断面上，应根据围岩性态变化的分布规律、结构物的尺寸与形状以及预测的变形 和应力等物理量分布特征布置测点，应在考虑均匀分布、结构特性和地质代表性的基础上， 依据其变化梯度来确定测点数量。梯度大的部位点