摘要:以实际工程为例,系统地阐述了隧道工程中围岩量测技术的量测方法、注意事项、量测
数据的处理,以及围岩稳定性的判别方法;通过
施工现场监测,掌握围岩和支护在施工中的力学动态及稳定程度。
$ I8 ~5 d, C4 k# ?3 B) N
关键词:隧道工程;围岩量测;方法;数据处理
; r1 t& w# q, E9 i+ O& m
1 工程概况
2 @; ~/ U$ p" K: P4 c- `1 C4 K
马平高速公路老鸦峡2#隧道是分离式双洞(左右线)单向行驶隧道。隧道出口段地质围岩分为三类:洞口段为ⅰ类围岩,地质情况为卵石,砂土填充,无胶结,同时存在采空区(在隧道进洞之前已对采空区进行了回填封堵灌浆处理),易发生大的塌方;紧接ⅰ类围岩为ⅲ类围岩,地质情况为石英闪长岩,小节理裂隙发育,局部受风化影响节理裂隙发育;然后是ⅳ类围岩段,地质情况为石英闪长岩,小节理裂隙发育。整条隧道地下水位于
设计高程以下,不发育,隧道开挖最大跨度为15?5 m,最小为13 m,开挖高度为11 m。
8 B5 ]8 }, n2 C2 u5 F
2 量测项目
7 s- \& m7 y" Z( a$ B. t
根据现场实际情况,进行了以下几项量测:洞内观察,地表下沉量测,拱顶下沉量测,周边收敛量测。
/ D% O3 X( D2 b( V2 c3 量测
1 I. y) ]; X0 a/ V1 L* D% e- c3 j" Z' \3.1 洞内观察
# D4 {# c) l* ~6 c5 q, r7 |隧道在开挖后要进行地质观察,在支护完成后对已支护地段要进行观察。
/ w; D" ^% M! U对开挖的围岩观测包括以下几项:
3 p3 a1 h8 U3 ~, K# W$ A1 `
(1)节理裂隙发育程度及方向;
3 D' B, l3 Z/ A3 m1 H
(2)开挖工作面的稳定状态,顶板有无坍塌现象;
! T; f. h' [7 _) w) t" M(3)涌水情况:涌水的位置、涌水量、水压等;
) S5 p Q$ f! l6 B6 L, P(4)是否有底板隆起现象。
_, A4 H9 b0 Y对初期支护段围岩观测主要有以下几项:
/ D8 }% W1 _1 @6 i* C8 [# {(1)是否发生锚杆被拉断或垫板脱离围岩现象;
8 k0 E" l" H2 {6 ?, q6 D(2)喷混凝土是否发生裂隙和剥离或剪切破坏;
' E3 f) J4 v B2 ~* q% ^$ {( g
(3)钢拱架有无被压变形情况。
# ^) b Q! i* [' s( \& V2 R* @" D3.2 地表下沉量测
1 \3 B& K0 K+ H o% b A& t3 N地表下沉量测布置在4 b~6 b(b主洞室宽)范围,中线附近密些,外侧渐稀。
& X, Y# ^& i6 ^# V
(1)测点埋设:在埋设点挖长、宽、高均为20 mm 的坑,然后放入沉陷测点,测点一般采用25 mm 长、350 mm半圆头钢筋制成。测点四周用混凝土填实。在开挖影响范围以外设置水平基点2个 ~3个。水平基点埋设方法同上。
1 d& [: e) e" W' t* ~9 K* b(2)量测——沉陷量计算:使用普通水准仪和水准尺,测出各沉陷量测点的标高,然后按下式计算沉陷量。
. q$ J0 i& j+ u2 P8 Z- {un=a0-(a基-r后+r前)(1)
- A6 u b9 ?2 x x式中un——第n次量测下沉量,mm;
, j5 x. l9 `( C) p! D8 ]
a0——测点初始标高,mm;
6 u8 ?9 l; ~! F' Z6 G3 F3 j2 k- A3 Va基——水准基点标高,mm;
a3 f$ m$ z# d br后——第n次量测后视读数,mm;
* {. K6 x' n8 b: B/ S* L0 q* qr前——第n次量测前视读数,mm。
3 b/ x0 t* i8 s
3.3 拱顶下沉
1 p: l- {1 b% s3 y5 x
在拱顶部位布设一个测点,中线两侧2 m处拱腰部位布置两对称测点,三个点位于一个断面,布设时采用全站仪测放,量测断面的间距为ⅰ类围岩段10 m,ⅲ类围岩段15 m,ⅳ类围岩段20 m,量测间隔时间:1d~15d1次/d;16 d~1个月1次/2d;1个月~3个月1次/周。
$ T a# n& b1 C1 j) i2 I下沉量计算:
2 w5 ?: G8 j& ~# Y7 `6 Nun=a0-(a基-r后+r前)(2)
& C& O: E% H3 V! k: X+ u* m式中un——第n次量测下沉量,mm;
7 i( o- k; M% D# Q) ?; \; w! Ea0——测点初始标高,mm;
0 n$ k8 y+ o# F. O& G/ p% Ta基——水准基点标高,mm;
. N% N ?: m! }$ W4 k2 O
r后——第n次量测后视读数,mm;
8 @4 e$ E b6 |: W
r前——第n次量测前视读数,mm。
# ~6 n0 z; s/ T5 b; i, F# t
华东公路2002年第4期2002年第4期娄奕红,王秉勇:围岩量测技术在老鸦峡2#隧道中的应用
- H* f$ t" L2 S* ?
3.4 周边位移
T; L- \0 q% A& _2 e周边位移量测主要量测两侧边墙收敛值。
- p" Y, z9 G, W
布设测点如下:在ⅳ类围岩中,每隔50 m布置一个断面;ⅰ类、ⅲ类围岩每隔20 m布设一个断面。每个断面布置3对测点,在楔形体范围内大致布置于上中下,每组两个测点保持在水平位置。
6 b) Q! A: K7 C# K% X3 \5 l4 量测数据的处理
0 m0 a$ A5 b% _/ g
采用隧道净空变化值(收敛值)作为信息反馈值。收敛值指隧道周边两测点连线方向上相对位移值,所以必须把它换算成两测点的绝对位移值,换算的方法按几何关系有:
0 V3 V3 L& w M3 E7 _5 v& c
(ui-uj)cosaij+(vi-vj)sinaij=dij(3)
% L( ~$ }# W/ l2 y' w& O, G1 Z式中ui、uj、vi、vj——i、j两测点绝对位移的水平和垂直分量;
- f- T3 S& M* z% R1 y
a——ij连线与水平方向夹角,按逆时针方向为正;
% D( ~1 |2 O; o4 J- r# y
d——基线ij方向的收敛值。
9 E0 n2 o/ {( ]) q! K
采用一元非线性回归方程。
6 O; G/ A& a2 M% {2 Q
指数方程:
2 u+ S0 ?8 ^( `6 O6 O
u=a(1-e-bt)(4)
3 M& ]: P" [+ S5 u& o; j4 V/ ?当量测时间t1=t2时,则解得回归系数
# K) e& P+ f+ o6 f+ `2 G T7 qa=u21/(2u1-u2)
& s9 }2 e2 _# F& W. m% y, Y& `7 k- O G
b=1/tln[u1/(u2-u1)](5)
2 Z) q, D' d+ n/ o$ y当量测时间t2=2t1,则用拉格朗日插值方程求解2t1时的量测值u,然后再用两倍时差求解a、b值,
( R$ g, [, V( |; f* p
u=[(t3-2t1)u2+(2t1-t2)u3]/(t3?t2)(6)
7 ~2 M7 |, W: q0 s' R
得出回归方程后,可以绘出位移时间曲线,得出某一时刻位移速率,从位移时间形态、位移速率与某临界值相比较,确定采用何种支护结构及支护结构施作时间。
# X& ~2 x6 `, {7 w
施工规范中规定隧道周边允许相对位移值(%)如表1。
! u# X4 m; \7 O. `. x0 a5 围岩稳定性判别
标准
4 C3 K, s1 ^: S" w位移——时间曲线的形态,根据岩体的流变特性,岩体破坏前的变形曲线分成三个区段。分别如下。
& s: b+ Y/ R5 J. b6 ~; h& E# n
(1)基本稳定区:变形速率不断下降,d2u/dt<0时,表明围岩趋于稳定,支护是
安全的。
8 R2 z+ e$ C4 U6 O(2)过渡区:变形速率长时间保持不变,d2u/dt=0,表明支护要加强同时及时调整施工程序。
2 ~: g6 S# \; m+ c0 U* z
(3)破坏区:变形速率逐渐增加,d2u/dt>0时,曲线出现反弯点,表明围岩已达到危险状态,必须立即停工加固。
9 t& M% x6 p+ G& A表1规范规定隧道周边允许相对位移值
- h: Z+ F U; f; F& Y5 j
围岩类别〖〗覆盖层厚度(m)小于50〖〗50~300〖〗大于300允许相对位移值ⅳ〖〗0?10~0?30〖〗0?20~0?50〖〗0?40~1?20ⅲ〖〗0?15~0?50〖〗0?40~1?20〖〗0?80~2?00ⅱ〖〗0?20~0?80〖〗0?60~1?60〖〗1?00~3?00
/ H+ o( C. [6 {9 y+ w6 z
注:①相对位移值指实测位移值与两测点间距离之比,或拱顶位移实测值与隧道宽度之比;
1 G# U' o5 ?6 X. ]
②脆性围岩取表中较小值,塑性围岩取表中较大值。
) B O4 ] Y$ F- k6 工程实例
/ r+ p! ?2 J3 l% c' ]
根据表2数据计算如下:
+ {( R$ \% d/ l' Z2 O6 ^第1组数据:
r6 {9 s- ^8 W( F% P7 `3 r. R
a=332/(2×33-39)=40?33
# Z/ j. B$ b$ p) Yb=1/10ln[33/(39-33)]=0?17
" Q1 P( ~/ }* P8 ` N) ju=40?33×(1-e-0?17t)
_! t2 ?. \( N/ tdu/dt=-40?33×(-0?17)e-0?17t
/ |% q( J% K! ]0 ^0 ^
当t=22 d时,
$ l8 `! b S% u! ]2 z& k. a
du/dt=0?14 mm/d<0?2 mm/d
n" [/ E! n$ h; M/ Y3 K* M: C
说明地表达到基本稳定。
) N# ]6 C9 s/ h/ p/ i% z% \% ?
第2组数据:
& ~, E( q2 o M* P: \, V, Z |8 va=272/(2×27-32)=33?136
8 x4 ~& b! Z6 p+ H$ d0 [2 o! a2 s6 ab=1/10ln[27/(32-27)]=0?168
* j9 u0 O- D" \2 d6 D$ `
u=33?136×(1-e-0?168t)
. Z* ]" |2 @# \, [# f: N5 v+ ?
du/dt=-33?136×(-0?168)e-0?168t
& J: d, u' j Z0 n% N5 I0 _7 _# O
当t=20 d时,
% G* P- ~4 M( B3 [du/dt=0?19 mm/d<0?2 mm/d
" f' ?* Z7 u! p# M: E) ~$ K8 m说明地表达到基本稳定。
8 R: h/ c6 N! ?. A8 H- Q第3组数据:
! V4 J# [) G' Q# ~5 b
a=212/(2×21-28)=31?5
- h* [2 S+ p* l U5 u3 ~' hb=1/10ln[21/(28-21)]=0?11
0 r% i0 q @) {6 X! f
u=31?5×(1-e-0?11t)
/ q Q# {# J* A1 Z% A% u( m+ ddu/dt=-31?5×(-0?11)e-0?11t
. P/ B) r! `7 [+ y
当t=26 d时,
" D! l- H1 \' Y1 B, M; n
du/dt=0?19 mm/d<0?2 mm/d
! |1 D' L" g) o
说明地表达到基本稳定。
6 y+ I- ~! b c7 V6 A
第4组数据:
3 w7 e4 l/ x6 O" o9 fa=122/(2×12-13)=13?9
0 N2 R0 U9 a# |, b; o% \! W" [5 y
b=1/10ln[12/(13-12)]=0?248
+ ^" Q! e5 W- n* Q! e; e! S5 A" `
u=13?9×(1-e-0?248t)
) d- A" v# E Y1 J6 S$ ~3 F0 U6 adu/dt=-13?9×(-0?248)e-0?248t
0 K) I: i' Z! |9 k! Z' Y# O& h' v当t=12 d时,
9 d5 E) V6 F* x: qdu/dt=0?18 mm/d<0?2 mm/d
7 K z. a' q. s' M+ i
说明地表达到基本稳定。
0 w! U0 n( R, r7 Q6 f
由以上四组数据可知,当开挖到26 d时,该断面地表达到稳定。
. p9 K4 U2 _6 q* G1 w' O& I# x工程名称:马平高速公路老鸦峡2#隧道左线
6 k6 n$ x& i# y$ Y. d5 |6 u) g观测项目:地表下沉
2 _# F8 _% g! l/ y5 |7 `/ C设点里程:lk 27+542?4
' S3 w/ l$ K6 `' b
表2马平高速公路老鸦峡2#隧道左线地表下沉观测情况
; y9 q! z6 C2 u4 H: f0 ^) F; ^, K
观测日期〖〗测点编号1〖〗2〖〗3〖〗4高程〖〗沉陷量〖〗高程〖〗沉陷量〖〗高程〖〗沉陷量〖〗高程〖〗沉陷量(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)2001-06-11〖〗1 876?321〖〗0〖〗1 876?529〖〗0〖〗1 876.758〖〗0〖〗1 876?214〖〗02001-06-12〖〗1 876?318〖〗3〖〗1 876?527〖〗2〖〗1 876?756〖〗2〖〗1 876?213〖〗12001-06-13〖〗1 876?315〖〗6〖〗1 876?525〖〗4〖〗1 876?753〖〗5〖〗1 876?212〖〗22001-06-14〖〗1 876?310〖〗11〖〗1 876?524〖〗5〖〗1 876?751〖〗7〖〗1 876?209〖〗52001-06-15〖〗1 876?308〖〗13〖〗1 876?521〖〗8〖〗1 876?750〖〗8〖〗1 876?208〖〗62001-06.16〖〗1 876?306〖〗15〖〗1 876?520〖〗9〖〗1 876?748〖〗10〖〗1 876?206〖〗82001-06-17〖〗1 876?301〖〗20〖〗1 876?515〖〗14〖〗1 876?743〖〗15〖〗1 876?205〖〗92001-06-18〖〗1 876?298〖〗23〖〗1 876?511〖〗18〖〗1 876?741〖〗17〖〗1 876?203〖〗112001-06-19〖〗1 876?294〖〗27〖〗1 876?508〖〗21〖〗1 876?739〖〗19〖〗1 876?202〖〗122001-06-20〖〗1 876?288〖〗33〖〗1 876?502〖〗27〖〗1 876?737〖〗21〖〗1 876?202〖〗122001-06-21〖〗1 876?286〖〗35〖〗1 876?501〖〗28〖〗1 876?736〖〗22〖〗1 876?202〖〗122001-06-22〖〗1 876?285〖〗36〖〗1 876?501〖〗28〖〗1 876?735〖〗23〖〗1 876?202〖〗122001-06-23〖〗1 876?285〖〗36〖〗1 876?501〖〗28〖〗1 876?734〖〗24〖〗1 876?202〖〗122001-06-24〖〗1 876?285〖〗36〖〗1 876?500〖〗29〖〗1 876?733〖〗25〖〗1 876?202〖〗122001-06-25〖〗1 876?284〖〗37〖〗1 876?500〖〗29〖〗1 876?733〖〗25〖〗1 876?202〖〗122001-06-26〖〗1.876?284〖〗37〖〗1 876?499〖〗30〖〗1 876?732〖〗26〖〗1 876?202〖〗122001-06-27〖〗1 876?284〖〗37〖〗1 876?499〖〗30〖〗1 876?732〖〗26〖〗1 876?201〖〗132001-06-28〖〗1 876?283〖〗38〖〗1 876?498〖〗31〖〗1 876?731〖〗27〖〗1 876?201〖〗132001-06-29〖〗1 876?283〖〗38〖〗1 876?498〖〗31〖〗1 876?731〖〗27〖〗1 876?201〖〗132001-06-30〖〗1 876?282〖〗39〖〗1 876?497〖〗32〖〗1 876?730〖〗28〖〗1 876?201〖〗132001-07-01〖〗1 876?282〖〗39〖〗1 876?497〖〗32〖〗1 876?730〖〗28〖〗1 876?201〖〗132001-07-02〖〗1 876?282〖〗39〖〗1 876?497〖〗32〖〗1 876?729〖〗29〖〗1 876?201〖〗132001-07-03〖〗1 876?281〖〗40〖〗1 876?497〖〗32〖〗1 876?729〖〗29〖〗1 876?201〖〗13根据表3数据计算如下:
) B& C6 x' u+ M
数据处理:
% N/ o1 D! |& q$ |6 o$ T; r! @3 Wa=122/(2×12-16)=18
8 V) h2 F4 `( l- m$ yb=1/10ln[12/(16-12)]=0?11
* B! _9 \: J3 W; Q
u=18×(1-e-0?11t)
$ L8 e N, F- h- x6 E3 r8 F
du/dt=-18×(-0?11)e-0?11t
, }( _9 C5 `2 q- r% q
当t=21 d时,
, r& c7 |% E; o0 fdu/dt=0?197 mm/d<0?2 mm/d
; X5 l% C; \$ o$ n说明围岩达到基本稳定,此时可以进行二衬施工。
; C: Y# m0 D. o4 M3 g0 X0 w3 b5 q根据表4数据计算如下:
8 \ y2 G4 Z: j( U
数据处理:
3 d) x* L4 W; }% Y
a=8?012/(2×8?01-8?92)=9?04
! V x0 X" G6 lb=1/10ln[8?01/(8?92-8?01)]=0?218
7 m! q# Y2 a# Z/ M v/ c9 J7 ju=9?04×(1-e-0?218 t)
( r9 a! e0 ?7 adu/dt=-9?04×(-0?218)e-0?218 t
% R/ [7 ?' h( a' z# V E
d2u/d2 t<0表明围岩趋于稳定,支护是安全的。
`6 g7 ~. L- l& ]
当t=11 d时,du/dt=0?179 mm/d<0?2 mm/d说明围岩达到基本稳定,此时可以进行二衬施工。
$ C4 v& L$ |7 z6 x$ j4 @, x8 q工程名称:马平高速公路老鸦峡2#隧道右线
- d c% X( ]2 u/ |5 C* {
观测项目:拱顶下沉
) x1 ]/ v5 f0 h* v5 u' ^0 s
设点里程:rk 27+538
$ T5 ]% \4 R- Q, O表3马平高速公路老鸦峡2#隧道右线观测情况
& F4 k* e8 \2 h$ B2 V" t+ B
观测日期〖〗测点编号1〖〗2〖〗3〖〗4高程〖〗下沉量〖〗高程〖〗下沉量〖〗高程〖〗下沉量〖〗高程〖〗下沉量(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)〖〗(m)〖〗(mm)2001-06-18〖〗1 865?693〖〗02001-06-19〖〗1 865?690〖〗32001-06-20〖〗1 865?687〖〗62001-06-21〖〗1 865?685〖〗82001-06-22〖〗1 865?684〖〗92001-06-23〖〗1 865?684〖〗92001-06-24〖〗1 865?683〖〗102001-06-25〖〗1 865?682〖〗112001-06-26〖〗1 865?682〖〗112001-06-27〖〗1 865?681〖〗122001-06-28〖〗1 865?681〖〗122001-06-29〖〗1 865?680〖〗132001-06-30〖〗1 865?680〖〗132001-07-01〖〗1 865?679〖〗142001-07-02〖〗1 865?679〖〗142001-07-03〖〗1 865?679〖〗142001-07-04〖〗1 865?678〖〗152001-07-05〖〗1 865?677〖〗162001-07-06〖〗1 876?677〖〗162001-07-07〖〗1 865?677〖〗162001-07-08〖〗1 865?677〖〗162001-07-09〖〗1 865?677〖〗162001-07-010〖〗1 865?677〖〗16工程名称:马平高速公路老鸦峡2#隧道右线
`2 z5 |6 r% o% d
观测项目:周边收敛
5 r0 q* o3 ^' F1 E9 h: n4 z
设点里程:rk 27+488?26
* l/ J$ e7 r6 T# @% ?% [观测时间:2001?08-07~2001?09?06
5 s6 Q8 N* P' t2 o表4马平高速公路老鸦峡2#隧道右线周边收敛观测情况
9 ~7 H; u. u! Z+ a- J
量测时间〖〗第1 d〖〗第5 d〖〗第10 d〖〗第15 d〖〗第20 d〖〗第25 d〖〗第30 d径向位移(mm)〖〗0〖〗5?21〖〗7?98〖〗8?01〖〗8?30〖〗8?85〖〗8?927结论
( B5 y; ]6 P! M7 s5 Z围岩量测技术在老鸦峡2#隧道的应用,量测反馈的信息正确地指导了隧道施工,使工程顺利通过洞口采空区段及大卵石砂土填充且无胶结的ⅰ类围岩段,保证了在施工过程中没有发生一起塌方事故,对隧道的安全质量进度提供了坚实的基础和有力的保障。