公路岩溶隧道施工及监控量测技术.docx

公路岩溶隧道施工及监控量测技术廖品富 , 武劲(中铁隧道集团四处有限公司大寄项目部 , 河南洛阳471200)摘 要 : 通过某高速公路第 X 标段隧道施工过程中出现的溶洞 、溶槽情况 ,选择具有代表性的溶洞进行长时间监控量测 ,并 对监控量测结果进行分析 ,检验隧道溶洞处理效果 ,提出隧道 溶洞处理措施 。关键词 :公路隧道 ; 溶洞 ; 处理措施 ; 监控量测大增加工程成本 ,造成资源浪费 。岩溶在我国分布比较普遍 ,要想完全绕避是不大可能的 ,因此 ,在隧道施 工过程中也常常遇到溶洞等不良地质情况 。笔者对隧 道施工中出现的溶洞采取了一些相应的处理措施 ,通 过长时间的监控量测来检验隧道溶洞处理技术 ,收到了很好的效果 。中图分类号 : U45912文献标识码 : B文章编号 : 1004 22954 ( 2008 ) 05200832051 工程概况溶洞的形成是石 灰岩 地区 地 下水 长期 溶 蚀的 结果 。石灰岩的主要成分是碳酸钙 ( CaCO3 ) ,在有水和 二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙 ,后者可溶于 水 ,于是有空洞形成并逐步扩大 。在岩溶区中进行工 程建设风险大 ,对建筑影响范围区的溶洞如果处理不 好 ,会对工程留下安全质量隐患 ,但如果过于慎重会大某高速公路第 X 标段隧道起讫桩号为 YK154 +017 YK154 + 27817 ,隧道全长 26117 m ,净宽 1110 m , 净高 6165 m。隧道位于直线上 ,进口设计高程 193127 m ,出口设计高程 194106 m , 隧道穿越明洞段 、类围 岩浅埋段 、类围岩深埋段 、类围岩 ,共 4 种衬砌形 式 。 YK154 + 017 YK154 + 025 为 明 洞 段 、YK154 +025 YK154 + 180 进口浅埋段 类围岩节理裂隙 发 育 ,自稳能力差 ,有大规模溶洞 、溶槽 ; YK154 + 180 YK154 + 222 类围岩灰白色 ,褐红色 ,结晶结构 ,微风收稿日期 : 2007 210 212作者简介 :廖品富 ( 1977 ) ,男 , 2001 年毕业于广西大学公路与城市道路工程专业 。该隧道洞口浅 埋 段施 工减 少 土石 方 3 800 m3 , 节省长管棚 50 多 m ,节省喷射混凝土近 150 m3 ,通过与 原设计进洞方案造价比较 ,综合降低造价 19102 万元 , 经济效益可观 。期支护 ,然后每掘进 8 m ,施作二次拱圈模注钢筋混凝土衬砌 ,拱圈主筋可预加工成网片以加快施工进度 。 待浅埋上半断面二次衬砌全部结束后 ,立即转入下半断面施工 。318 下半断面开挖及仰拱施作开挖下半部时 ,以两侧错开短进尺 ( 110 m 以内 ) 开挖 ,及时接长边墙钢架和边墙喷混凝土支护 ,两侧边 墙支护完成后即进行仰拱格栅支护 ,使洞口段支护及时得以封闭 。顺利完成了洞口段开挖 。5 体会( 1 )洞口筑坝挡水 ,边仰坡喷锚加固 ,保证了雨季施工洞口段的安全 。( 2 )洞口冲沟回填 ,地表锚杆加固配合小导管注 浆超前支护 ,使松散的围岩及回填土得以固结形成整 体 ,减缓了回填土及松散围岩对洞室的压力 ,为安全进洞创造了良好的条件 。( 3 )上弧形导坑开挖预留核心极大地减小了因开 挖对围岩的扰动 ,保证了掘进的安全 。( 4 )二次衬砌及仰拱的快速跟进 ,结束了洞口浅埋 段初期支护可能产生的无限变形 ,满足了稳定性的要求 。参考文献 :4 实施效果堡上隧道入口软 弱围 岩浅 埋 段在 进洞 施 工过 程中 ,虽受多次暴雨影响 ,但始终未发生过任何大小坍塌 事故 。施工期间的主要量测结果表明 , 地表下沉 (主要是回填段 ) ,最大只有 21 mm (二次衬砌施作后最终量测值 ) ;二次衬砌施作前拱顶下沉最大值 17 mm ,拱 腰水平收敛最大值为 3012 mm ,衬砌后变形停止 ;二次 衬砌施作前初期支护均未出现过裂缝及表皮剥落等现象 ;二次衬砌施作后同样未发现裂缝等质量问题 。这 说明选择的施工方法是安全可靠的 ,这一成功实践 ,为 今后浅埋软弱围岩隧道洞口施工技术方面提供了值得 借鉴的经验 。铁道标准设计 RA ILWA Y S TANDA RD D ES IGN 2 0 0 8 ( 5 ) 1 2 3 4 TB10108 2002 ,铁路隧道喷锚构筑法技术规范 S .TB10204 2003 ,铁路隧道施工规范 S . JTJ042 94 ,公路隧道施工规范 S .王圣涛 ,陈忠求 ,叶曲线. 张家隧道右线洞口段超前管棚设计与施 工 J . 铁道标准设计 , 2002 ( 4 ) .83廖品富 ,武劲 公路岩溶隧道施工及监控量测技术隧道 /地下工程 化状 ,无渗水 ; YK154 + 222YK154 + 266 出口深埋段类围岩灰白色 , 褐红 色 , 灰黑 色 , 碎裂 结 构 , 胶结 良 好 ,节理发育 ,弱风化和微风化 ,含少量裂隙水 ; YK154+ 266 YK154 + 27817出口浅埋段 类围岩节理裂隙发育 。隧道结构设计以新奥法原理为指导 ,除明洞外 , 各类衬砌均采用复合式衬砌 ,以砂浆锚杆 ,喷射钢纤维 混凝土或喷射混凝土作为初期支护 ,以钢筋混凝土或素混凝土作为二次衬砌 ,初期支护与二次衬砌间设置 橡塑防水板复合防水层 。3 溶洞的处理方法根据处理岩溶的经验 ,采取了跨越 、加固和堵塞相结合的处理措施 ,同时遵循了隧道新奥法原理为指导 的施工原则 。溶洞 、溶槽处理方法如下 : ( 1 )清除溶槽 (洞 )内的填充物 ; ( 2 )架立钢拱前增加 20 cm 20 cm 的 8钢筋 网 ; ( 3 )在溶洞内预埋 2 根 42 钢管 , 1根长 300 cm 用 于注浆 , 1 根长 330 cm 用于排气并兼作注浆观察管 , 排气管高出注浆管 30 cm; ( 4 )在溶洞口下方喷射钢纤 维混凝土 20 cm 厚 ; ( 5 )混凝土达到设计强度 70 %时 , 从注浆管向溶洞内注 M 715 的水泥砂浆 ,排气管内漏 浆时 ,堵塞管口 ,注浆结束 ; ( 6 )在溶洞较大 、溶槽较长 的地段采取钢拱架间距加密到 015 m /榀 ; ( 7 ) 在预先 探测到的地段布设超前小导管 ,同时施作超前锚杆 ,锚 杆和小导管间距见图 2。2 溶洞的分布及情况该隧道距澧水河约 100 m , 地形复杂 , 陡坎峭壁 ,隧道沿线发育的溶蚀沟槽随处可见 。隧道围岩节理裂 隙发育 ,开挖后自稳能力差 ,且溶蚀现象极为发育 ,溶 槽和溶洞内填充物均为软塑 流塑状黏土和大块孤 石 ,揭露的溶洞 、溶槽分布情况见表 1、图 1。表 1溶洞 、溶槽分布情况3 5 m ,深度 218 4 m深度 2 11 m深度 1 715 m115 5 m ,高度 8 m宽度 115 3 m ,高度 2 3 m图 2 狗子滩隧道溶槽 (溶洞 )处理方案 (单位 : cm )下口宽度 415 m ,高度 9 m4 溶洞的处理效果411 地表沉降在揭露溶洞处对应地表 ,共布置了 2个观测断面 , 其里程分别是 : YK154 + 050、YK154 + 063。在每个断 面上 布 置 9 个 观 测 点 , 共 布 设 了 18 个 地 表 沉 降 观 测点 。412 净空收敛及拱顶下沉量测净空收敛量测共布置了 2 个断面 , 里程分别是 : YK154 + 050和 YK154 + 063。量测断面的预埋件焊接 在初期支护的工字钢上 。413 隧道动态监控量测结果分析41311 地表沉降量测结果2003 年 11 月 26 日 12 月 30 日 ,对里程 YK154+ 050断面 1进行了连续观测 ; 2003 年 12 月 11 日 12月 30 日对里程 YK154 + 063 断面 2 进行了连续观 测 。 2个断面上测点 A 的顺序编号为高程由大到小的规律 ,测点之间间距为 2 4 m。通过对 2 个断面图 1溶洞 、溶槽形状示意铁道标准设计RA ILWA Y S TANDA RD D ES IGN 2 0 0 8 ( 5 )84序号溶洞里程溶洞 、溶槽情况1YK154 + 049 YK154 + 051拱部左 、右两侧出现纵向溶槽 , 宽2YK154 + 051 YK154 + 063拱部出现纵向溶槽 , 宽 215 6 m ,3YK154 + 063 YK154 + 073拱部出现纵向溶槽 , 宽 115 5 m ,4YK154 + 073 YK154 + 082拱部中 线 处 出 现 溶 槽 , 下 口 宽 度5YK154 + 088 YK154 + 097拱部中线左侧处出现 1 溶洞 ,下口6YK154 + 102 YK154 + 109拱部中线左侧处出现 1 溶洞 ,溶洞7YK154 + 128 YK154 + 136拱部中线左侧处出现 1 溶洞 ,溶洞 下口宽度 2 3 m ,高度 2 3 m8YK154 + 136 YK154 + 140拱部中线处出现 1 溶洞 ,溶洞下口 宽度 216 316 m ,高度 2 3 m9YK154 + 142 YK154 + 148拱部右侧出现 1 溶洞 ,溶洞下口宽 度 5 6 m ,高度 6 715 m10YK154 + 155 YK154 + 160拱部右侧出现 1 溶洞 ,溶洞下口宽 度 2 5 m ,高度 3 5 m11YK154 + 166 YK154 + 172拱部出现溶洞 ,溶洞下口宽度 118310 m ,高度 215 315 m12YK154 + 173 YK154 + 176拱部右侧出现 1 溶洞 ,溶洞下口宽 度 216 310 m ,高度 4 5 m13YK154 + 222 YK154 + 226拱部两侧出现溶洞 ,溶洞下口宽度118 310 m ,高度 114 310 m廖品富 ,武 劲 公路岩溶隧道施工及监控量测技术隧道 /地下工程 观测数据的整理 ,绘出不同测点沉降量随时间的变化关系图 。图 3 图 4 表示不同断面 、不同测点沉降量 随时间的变化关系图 ,图 5 表示同一断面不同测点累 计沉降量差异图 ,地表沉降采用通用的水准仪进行测 量 ,其精度为 1 mm。数予以描述 B( 1 )U b = A ex式中 , A、B 为系数 。利用非线性函数回归分析的最小二乘迭代法求得A、B , 则其表达式为 - 2164U b = 231528 e x( 2 )其地表沉降 2量测时间曲线关系见图 6。图 6 YK1 54 + 05 0 断面 D 测点地表沉降 2时间曲线将实测值与回归曲线上的对应值进行比较 ,并计算剩余标准离差 ,得2S = 21061 mm再利用相关系数 r来进一步判别选用的指数函数 进行回归分析的合理性 , 由计算得图 3YK1 54 + 0 50 断面各测点沉降量随时间变化r = 21554 6 /01967 4 61880 3 = 01990查相 关 系 数 检 验 表 , 当 n - 2 = 17 时 ,=rm in0145601575 r, 故 地表 沉 降与 时 间 之 间 线 性 关 系较好 。 根 据 此 回 归 公 式 预 估 开 挖 阶 段 量 测 最 大 值 为231528 mm ,从量测至今实际测得的数据是 23 mm ,占总沉降量的 97175 % 。但是 , 如若考虑到以下两方面 的影响 :一是在未量测前由于 YK154 + 050 里程以前的洞室开挖所引起地表沉降 ;二是至今未达最终沉降 ,用此函数对 YK154 + 050 断面 D 测点进行的拟合分析 是可信的 。同时 ,从图 5可以看出 , 2 个地表沉降量测断面的沉降量并不是沿隧道中线对称 ,地表最大沉降量的点 并非在拱顶中心线的 E 测点 , 而是 位于 靠 左的 D 测点 ,这说明该隧道在本段偏心受压 ,这点从现场地形可 以得到印证 。事实可以看出 :测点离拱顶中心线越远 , 沉降量越小 ,隧道开挖对地表的影响范围大致可认为在以隧道拱顶中心线为中心的 24 m 范围内 。41313 净空收敛及拱顶下沉量测在隧道内依据量测方案 ,分别于 2003 年 11 月 25 日在 YK154 + 050、2003 年 12 月 9 日在 YK154 + 063 设置 2 个观测断面 ,同时对其进行观测 。拱顶下沉量测采用天光 AM 224 水准仪 ,精度为 1 mm;净空 收 敛 采 用 中 铁 西 南 科 学 研 究 院 所 研 制 的SW J 2收敛仪 ,精度为 0101 mm。85图 4YK1 54 + 0 63 断面各测点沉降量随时间变化图 5 两个断面上各测点累计沉降量曲线 ( 20 03 年 12 月 30 日 )41312 地表沉降观测结果分析从 图 表 可 知 , 最 大 的 地 表 沉 降 为 23 mm(为YK154 + 050 断面的 D 测点 ) ,该处山体覆盖层厚度为3117 m , 23 mm 的地表沉降对山体稳定性影响非常小 。 由于 YK154 + 050断面上各测点的沉降在时间上已基 本趋 于稳 定 , 故取 该断 面 D 测点 进行 非线 性 回 归 分 析 ,从变形总量来看 ,根据量测数据对地表沉降进行了 统计分析 。地表沉降数据的回归分析可用以下指数函铁道标准设计RA ILWA Y S TANDA RD D ES IGN 2 0 0 8 ( 5 )廖品富 ,武劲 公路岩溶隧道施工及监控量测技术隧道 /地下工程 ( 1 ) YK154 + 050 断面拱顶下沉及净空收敛量测结果2003 年 11 月 25 日 12 月 30 日对 YK154 + 050 断面进行拱顶下沉监控量测 ,通过对量测数据的统计 分析 ,拱顶下沉量于 2003年 12月 4日基本稳定 ,拱顶 下沉量为 16 mm。2003 年 11 月 25 日 12 月 30 日对 YK154 + 050 断面进行净空收敛监控量测 ,通过对量测数据的统计 分析 ,隧道净空于 2003年 12月 1日基本稳定 ,净空收 敛量为 31111 mm。结果分析a1拱顶下沉根据量测结果 , 对 YK154 + 050 断面进行 S形曲 线拟合 ,函数形式为2S = 01270 mm再利用相关系数 r来进一步判别选用的指数函数 进行回归分析的合理性 , 由计算得r = 01275 8 /01163 5 01493 3 = 01971查相 关 系 数 检 验 表 , 当 n - 2 = 15 时 ,=rm in0148201606 r,故 YK154 + 050 断面净空收敛与时间之间线性关系较好 。 根 据 此 回 归 公 式 预 估 开 挖 阶 段 量 测 最 大 值 为3113 mm。对 YK154 + 050 断面净空收敛的非线性回 归分析曲线 、实测曲线与时间的关系见图 8。U = 1 / (A + B e- x )式中 , A、B 为待求系数 。 利用非线性函数回归分析的最小二乘迭代法求得A、B ,则其表达式为( 3 )图 8 YK15 4 + 05 0 净空收敛 2时间曲线U = 1 / ( 01062 + 01725 e- x )( 4 )( 2 ) YK154 + 063 断面拱顶下沉及净空收敛量测结果2003 年 12月 9 日 12月 30日对 YK154 + 063 断 面进行拱顶下沉监控量测 ,通过对量测数据的统计分 析 ,拱顶下沉量于 2003 年 12 月 14 日基本趋于稳定 , 拱顶下沉量为 12 mm。2003 年 12月 9 日 12月 30日对 YK154 + 063 断 面进行净空收敛监控量测 ,通过对量测数据的统计分析 ,隧道净空于 2003 年 12 月 15 日基本稳定 ,净空收 敛量为 21533 mm。结果分析a1拱顶下沉根据量测结果 , 对 YK154 + 063 断面进行 S形曲 线拟合 ,函数表达式为将实测值与回归曲线上的对应值进行比较 ,并计算剩余标准离差 ,得2S = 01176 4 mm再利用相关系数 r来进一步判别选用的指数函数 进行回归分析的合理性 , 由计算得r = 01165 9 /01163 5 01183 8 = 01957查相 关 系 数 检 验 表 , 当 n - 2 = 15 时 , =rm in01482 01606 r,故 YK154 + 050 断面拱顶下沉与时间之间线性关系较好 。 根 据 此 回 归 公 式 预 估 开 挖 阶 段 量 测 最 大 值 为17166 mm。对 YK154 + 050断面拱顶下沉的非线性回归分析曲线 、实测曲线与时间的关系见图 7。U = 1 / ( 01727 + 01940 e- x )( 6 )将实测值与回归曲线上的对应值进行比较 ,并计算剩余标准离差 ,得2S = 01460 mm再利用相关系数 r来进一步判别选用的指数函数 进行回归分析的合理性 , 由计算得图 7 YK15 4 + 05 0 拱顶下沉 2时间曲线r = 01162 5 /01164 5 01173 6 = 01961b1净空收敛根据量测结果 , 对 线拟合 ,函数表达式为查相 关 系 数 检 验 表 , 当 n - 2 = 14 时 , =rm inYK154 + 050 断面进行S形曲0149701623 r,故 YK154 + 063 断面拱顶下沉与时间之间线性关系较好 。 根 据 此 回 归 公 式 预 估 开 挖 阶 段 量 测 最 大 值 为13176 mm。对 YK154 + 063断面拱顶下沉的非线性回 归分析曲线 、实测曲线与时间的关系见图 9。铁道标准设计RA ILWA Y S TANDA RD D ES IGN 2 0 0 8 ( 5 )U = 1 / ( 01319 7 + 11687 e- x )( 5 )将实测值与回归曲线上的对应值进行比较 ,并计算剩余标准离差 ,得86廖品富 ,武 劲 公路岩溶隧道施工及监控量测技术隧道 /地下工程 概率为 99 %的散点误差在 1103 mm 之内 ,这在现场工程应用中已基本满足精度要求 。( 2 )同理 ,拱顶下沉及净空收敛的回归函数是合 理的 , 2S = 01165 0146 mm、相 关 系 数 达 9113 % 9711 % ,从而 反 映 了 各 量 测 值 与 时 间 之 间 线 性 关 系 较好 。( 3 )从实测数据可知 ,在 1星期之内大多都已达到 总变形量的 85%以上 ,且随后变形速率降低 ,变形值继 续增长 ,在 15 d左右曲线平缓 ,表明围岩已进入稳定状 态 。同时 , 类围岩的收敛值为 1550 mm ,而本阶段监 测到的净空收敛结果在规范允许范围内且均远比规定值小 ,说明初期支护采用钢拱架是安全可靠的 。 从上述可得出如下分析结果 :( 1 )在地表沉降观测过程中 , 地表沉降量变化值 未出现异常变化 , 因此 , 在该隧道 地表 沉降 观 测过 程 中 ,其量测频度符合规范规定的要求 ;( 2 )从断面 YK154 + 063 各点的沉降量可认为已 趋于稳定 ;( 3 )该隧道在开挖过程中监测到的地表最大累计 沉降量为 23 mm ,发生在断面的 D 测点处 ;依据规范要 求 ,对于埋深较小的山岭隧道 ,为使山体不发生破坏 ,地表下沉应控制在 30 mm 范围内 。因此 ,从地表沉降 监测结果表明 ,隧道的施工不会对山体造成破坏 。图 9 YK1 54 + 0 63 拱顶下沉量 2时间曲线b1净空收敛根据量测结果 , 对 YK154 + 063 断面进行 线拟合 ,函数表达式为U = 1 / ( 01367 + 21420 e- x )S形曲( 7 )将实测值与回归曲线上的对应值进行比较 ,并计算剩余标准离差 ,得2S = 01165 mm再利用相关系数 r来进一步判别选用的指数函数 进行回归分析的合理性 , 由计算得r = 01437 5 /01164 5 11397 = 01913查相 关 系 数 检 验 表 , 当 n - 2 = 14 时 , =01497 01623 r,故 YK154 + 063 断面净空收敛与时 间之间线性关系较好 。根 据 此 回 归 公 式 预 估 开 挖