量测技术在浅埋富水特殊软弱围岩隧道施工中的应用.doc

量测技术在浅埋富水特殊软弱围岩隧道施工中的应用铁道建筑研究设计院 李树良 摘要：详细介绍京九线岐岭隧道进口浅埋富水特殊软弱围岩地段监控量测的内容和结果，并对量测数据进行分析，提出了自己的见解。 关键词：铁路隧道量测软弱围岩施工1工程概述京九线岐岭隧道位于赣州市西南约43 km处。隧道穿越的岐岭山脉为东西走向，系章江与桃江的分水岭。隧道里程DK369+987DK372+523，全长2536 m。进、出口线路标高分别为175，187 m。隧道进口DK369+987DK370+260段，围岩为极严重风化花岗岩，孔隙率小，构造裂隙水发育，属类围岩，是施工最困难的地段，必须采取对水的处理和围岩加固的措施，否则隧道开挖后难以成形。该段履盖层厚度263 m，双线铁路隧道断面，开挖跨度13.64 m，高11.4 m。其中DK369+987DK370+020共33 m为明洞。从DK370+020起采用双层双侧壁导坑先墙后拱法施工，是监控量测的重点。隧道施工作业程序：(1)侧导洞双层侧导洞宽4.2 m，高7.53 m，每层自上而下各分2部开挖，支护紧跟工作面，按上层断面和全断面先后2次封闭成环，循环段长度均为8 m。初期支护为格栅支撑和喷锚，上、下层断面底部分别设临时水平支撑(临时仰拱)。在侧导洞初期支护封闭成环的条件下，先进行隧道左右2部分的钢筋混凝土仰拱作业，仰拱一次灌注完成。然后衬砌边墙，墙厚设计约1.2 m，先按90 cm厚的钢筋混凝土施工，其余30 cm厚的混凝土作为内衬，留待最后全断面一次完成。仰拱、边墙作业循环段长度为6 m。(2)上弧导上弧导与侧导洞工作面间距为2025 m。大管棚超前支护，管棚长度18 m，掘进12 m，前后管棚搭接6 m。环形开挖，格栅、喷锚初期支护紧跟，拱脚部位与侧导初期支护相接。然后挖拱部核心土，两侧拱脚间设临时水平撑，必要时灌注混凝土，作为临时仰拱。至此，上弧导初期支护封闭成环。拱部衬砌厚度，拱顶90 cm，拱脚120 cm，与边墙衬砌施工一样，先进行90 cm厚钢筋混凝土拱衬砌，留30 cm待全断面一次完成。(3)中槽与仰拱钢筋混凝土边墙和拱圈完成后，中槽按上、下2部成台阶状向前掘进，台阶上横向开槽，设临时水平撑，两端分别支顶在左右侧导洞的内格栅上，下半断面落底后立即设水平撑，使隧道全断面临时封闭成环，然后施工仰拱中段，与两边仰拱段连接。(4)全断面混凝土内衬在钢筋混凝土仰拱、边墙、拱圈连成整体后，拆除中槽水平撑，破除侧导洞的格栅和喷锚支护。最后全断面一次灌注30 cm厚的混凝土。2监控量测实施 2.1量测目的(1)掌握围岩位移和支护变形的动态，指导合理安排工序，及时修改支护参数。遇到危及施工安全的严重情况时，为分析原因、采取相应措施和施工决策提供依据，确保工程的安全性、经济性。(2)了解本工程浅埋段围岩压力的基本特征，以及初期支护的作用效果。(3)为今后类似工程积累设计、施工资料。 2.2量测项目及仪器(1)洞内围岩、支护和地表状况观察。(2)侧导洞、上弧导拱顶下沉量测，采用拱顶位移计，精密水准仪和标准钢尺，读数精度1.0 mm。(3)侧导洞、上弧导净空水平收敛量测，收敛计读数精度0.01 mm。(4)上弧导围岩垂直压力量测，采用JXY5型压轴双膜钢弦式土压力传感器，最大量测值为0.410 MPa；采用SS2型数字式钢弦频率接收仪接收信号，读数精度1 Hz。 2.3量测断面及测点布置(1)量测断面设置拱顶下沉和水平收敛量测断面里程设置范围：左侧导，DK370+020DK370+185；右弧导，DK370+022DK370+185；上弧导，DK370+030DK370+278。断面间距均为5 m左右。上弧导围岩垂直压力量测断面里程：DK370+077.6。地表下沉量测断面里程：DK370+051。(2)测点布置如图1所示，侧导洞拱顶下沉测点位置在断面尖顶部附近。水平收敛测点设于断面3/4高度附近，左右测点间距2.53.0 m。图1量测测点布置上弧导拱顶下沉测点设于拱顶，水平收敛测点设于离上弧导底面1 m处，左右测点间距8.09.5 m。5个压力盒沿隧道拱部开挖轮廓均匀布置。(3)量测频率，每d 1次。3量测数据整理与分析 3.1初期支护位移变形量测对量测数据的分析表明，初期支护的位移、变形具有以下特点：(1)侧导净空变形大大超过了铁路设计规范所提出的参考允许值，实测最大水平位移值为163 mm，最大拱顶下沉量为269 mm。主要原因是围岩软弱，地下水丰富，土体呈饱和状，自承能力极差；同时，侧导净空高度大，只能分上、下2层作业，由于开挖扰动造成变形急剧增长，最大水平位移和拱顶下沉的速率分别达44 mm/d和38 mm/d。图2为DK370+116左侧导水平位移时间曲线，当下半部开挖至该断面附近时，曲线出现反弯点，位移速率由6.29 mm/d上升到15.5 mm/d。图2DK370+116左侧导坑水平位移时间曲线(2)上弧导开挖跨度约为侧导的3倍，但其初期支护的位移、变形量却明显小于侧导。最大水平位移和拱顶下沉量分别为69 mm(未设水平横撑)和74 mm。主要原因：双层双侧壁导洞法施工，侧导先行开挖，对上弧导起到了排水疏干的作用，使围岩性状得到了改善。上弧导格栅拱架一开始就支立、固定在侧导格栅支架的顶端，使拱脚位移受到制约。以上2点是该极软弱地段采用双层双侧壁导坑先墙后拱法施工的主要原因。在这种地层中，虽然侧壁导坑的变形可能很大(事实上已远远超过规范的参考允许值)，但这种变形易于解决和弥补，而最有害的是上弧导的变形。双层的侧壁导坑不仅有上述优点，而且使上部开挖跨度减小了约25%。大管棚与挤压注浆相结合的超前支护抑制了拱部围岩变形的发展。)/(3)临时仰拱及仰拱混凝土的封闭以及个别地段在上弧导设置中立柱，能及时有效地控制围岩变形的发展及变形速率的增长。DK370+101右侧导坑拱顶下沉量测断面，设置临时仰拱后，拱顶下沉速率由8.53 mm/d降为5.76 mm/d，仰拱浇注后降为1.81 mm/d(图3)，水平收敛速率由9.05 mm/d降为2.52 mm/d，仰拱混凝土浇注后降为0.92 mm/d(图4)。图3DK370+101右侧导坑拱顶下沉量时间曲线图4DK370+056上弧导拱部周边收敛值时间曲线 3.2地表下沉量测在浅埋段地表量测中，同一量测横断面地表下沉值，以隧道中心位置为最大，测得最大值为168 mm。从中心向两侧依次减小，当越过破裂面后，地表呈隆起状态，最大隆起32 mm。地面沉陷的横向影响规律呈正态分布，横向沉陷槽宽约48 m，为3.5倍洞径。影响范围60多m，约4.5倍洞径。隧道内拱部出现较大下沉值及变形速率时，地表相应位置也出现较大下沉值和变形速率，说明隧道拱部上覆土体已形成松散土柱，并呈整体下沉态势。以DK370+051地表下沉量测断面为例(图5)，此处隧道埋深11 m，小于隧道跨度(13.64 m)，属超浅埋段。隧道中心地表下沉值为168 mm，左侧6 m位置地表下沉值为87 mm，右侧6 m位置地表下沉值为77 mm。隧道内上弧导拱顶下沉值为74 mm，左侧导坑拱顶下沉值为124 mm，右侧导坑拱顶下沉值为114 mm。由于采用两侧导超前的分部开挖，地表下沉是由侧导和上弧导2部分开挖所引起的。图5DK370+051地表下沉量测结果 3.3围岩压力量测围岩压力量测在DK370+077.6断面隧道拱部进行，覆盖层厚约为20 m，上部粘土的天然容重为1.96 g/cm3，测得格栅顶端围岩最大土压力为0.33 MPa。量测结果表明：拱部松散土柱的计算压力和实测压力基本一致，说明隧道拱部上覆土体由于隧道施工已形成松散土柱。从压力量测数据还可以看出：初期支护施作后，围岩压力呈上升趋势，上升到一定程度后，又呈下降趋势，接着再次呈现上升，趋于平稳。其中拱脚处的最大压力4.4 MPa，临时仰拱设置后稳定在3.0 MPa；拱顶处的最大径向压力为0.33 MPa；拱腰处的最大径向压力为0.26 MPa(图6)。图6DK370+077.6拱脚应力时间曲线4量测数据的应用 4.1围岩、支护稳定性判别及防止失稳的对策施工过程中，根据量测数据并结合本隧道地层条件及实际处理经验，对围岩、支护的稳定性按下述标准进行判断，并采取相应措施。(1)考虑到该地层的围岩压力过大和模注混凝土衬砌紧跟的施工安排，在不同的部位采用了如下的允许位移值：侧壁导坑允许拱顶下沉量：200 mm；侧壁导坑允许水平相对位移量：150 mm；上弧导允许拱顶下沉量：70 mm；上弧导允许水平相对位移量：70 mm。当量测相对位移累计量接近允许值时，须加强观测，并适当加强初期支护(加密格栅，复喷混凝土)或采取其他加固措施，如在弧导加立中柱或立即施作混凝土衬砌。(2)当位移时间曲线出现明显反常增长，而支护表面又出现明显裂缝时，说明已开始失稳，应迅速采取加强初期支护的措施。 4.2量测数据的应用在岐岭隧道施工过程中，量测数据的应用主要有如下2方面：(1)指导施工决策量测数据整理后每日及时报技术攻关组，对变形速率明显增长地段，分析产生变形加剧的原因，采取适当措施，确保施工质量和安全。上弧导开挖过程中，由于大管棚的超前支护作用，拱顶下沉速率比无管棚地段低2.5 mm/d，且混凝土喷层开裂现象也极少。侧壁导坑在开挖过程中变形较大，水平收敛值达150 mm，边墙和仰拱施作完成后变形才明显减缓。因此在施工中采用横向支撑并形成双层侧壁导坑，先墙后拱法施工。初期支护施作后，如果不及时封闭，其变形仍较大，一旦设置临时仰拱封闭，则变形明显减缓，从实测曲线可看出这一点。在拱部出现裂缝和变形较大时，架设中立柱，并紧跟模注混凝土衬砌，以抑制变形扩展。(2)指导确定施工工序主要是依据量测资料，决定施作二次支护(第一次混凝土模注衬砌)的时间。根据实测位移时间曲线，施作初期支护及临时仰拱2030 d后变形明显减缓，基本趋于稳定，因此二次支护一般在开挖后2030 d以后施作。并基本上以此确定大管棚施作长度及上弧导与中槽开挖间距。侧导开挖过程中，初期支护施作后变形仍较大，因此使边墙和仰拱施工紧跟开挖面，其间距有时仅2 m左右，这时变形很快得到抑制。5结语(1)由于特殊软弱地层的自承能力极差，因此地层压力及变形都很大，在岐岭隧道施工中针对这一特殊情况，在加强监控量测、及时采取相应措施的条件下，采用了较大的变形允许值，安全、顺利地完成了该地段的施工，在技术、经济及工期要求上取得了比较好的效果。(2)采用双层双侧壁导坑先墙后拱法施工，由于侧导的超前疏水和对弧导拱脚的支撑作用以及上弧导开挖跨度的减少，将上弧导拱部水平位移和拱顶下沉控制在70 mm之内(而开挖跨度仅为上弧导40%左右的侧壁导坑的最大水平位移和拱顶下沉量