围岩量测（共4篇）
围岩量测 篇1
摘要：结合郑西铁路客运专线高桥大断面黄土隧道的监控量测工作,详细介绍了无尺量测技术的观测系统、观测方法、观测要点和观测精度,以及量测数据的计算、应用和回归分析方法,为类似软弱隧道的监控量测工作提供参考和借鉴。
关键词：黄土隧道,围岩变形,监控量测技术
1 概述
郑西铁路客运专线黄土隧道设计开挖尺寸为15 m×13 m(宽×高)，断面面积达160多m2。一般采用CRD、CD、双侧壁导坑和弧形导坑法开挖，而这些开挖方法的上台阶都留有2～4 m长的核心土，其中前3种开挖法还要设置临时支护系统。
围岩变形是围岩应力形态变化最直观的表现，围岩坍塌和支护系统的破坏都是变形发展到一定程度的必然结果。因此隧道洞内位移量测是判断隧道围岩稳定、调整初期支护参数、安排施工工序、选择应急措施、确定仰拱封闭和二衬施工时间的重要依据。
隧道洞内位移量测主要包括拱顶下沉和水平收敛，拱顶下沉量测点设置在拱顶轴线附近，拱脚下沉量测点设置在上台阶拱脚上方50 cm处。水平收敛与拱顶下沉设在同一断面上，根据不同的施工方法一般设置在拱脚、墙腰和墙脚的高度处。拱顶下沉和水平收敛的量测测点应紧靠掌子面，其初读数宜在开挖后3～6 h内完成，且在下一循环开挖前必须完成。
2 传统监控量测方法的缺陷
传统监控量测方法一般是对监测点采用接触形式的量测，水平收敛一般采用收敛计、拱顶下沉量测一般采用挂尺和水准仪抄平等接触式方式进行，这种方法具有成本低、操作简便可靠等优点，但对于大断面黄土隧道存在以下几个问题：
(1)大断面黄土隧道各种施工方法的上台阶开挖都采用预留核心土的形式，使水平收敛量测不能贴近掌子面进行，无法挂尺进行拱顶下沉量测，因而难以获取开挖初期的变形，严重影响监测的效果。
(2)由于拱脚下沉大于拱顶下沉(深埋地段的弧形导坑)，采用三角收敛基线量测拱顶下沉时，误差相当大，不能正确反映实际的拱顶下沉量。
(3)对拱脚下沉的量测应在上台阶开挖后立即进行，但此时由于拱脚处空间的限制，常规的立尺水准抄平方法无法实施。
(4)由于隧道净空高度大，人工挂钢尺比较困难，观测时间长，与其他施工工序干扰大，影响工程进度。
3 无尺量测方法
由于常规接触式位移量测方法难以满足大断面黄土隧道洞内位移监控量测的要求，为适应大断面黄土隧道施工工法的要求和施工监测环境，可采用全站仪自由设站以极坐标法进行非接触三维位移的无尺监控量测方法。该方法不受掌子面核心土以及拱脚空间的影响，避免了上述常规接触式位移观测的缺点，同时具有自动化程度高、观测快速省力的特点。
3.1 观测系统
该方法现场只需1台全站仪和安装反射膜片的测点和基准点，采用相对坐标，基准点坐标可自行设置(一般取为原点)而不必测定，测站也可以自由设站不必对中。
(1）全站仪
必须具有三同轴光学系统(即经纬仪视准轴与测距仪的发射、接收光轴共轴)并配置红色可见光激光指示和目标照明功能。测角精度应达到±1″，分辨力达到0.1″，测距精度在100 m以内应达到±1 mm，分辨力达到0.1 mm，防尘等级不小于IP5。为适应快速施工的要求，提高隧道内监测作业的速度和观测精度，可使用带ATR功能的自动观测全站仪(测量机器人)。
(2）反射膜片
采用70 mm×70 mm规格的膜片，不得使用尺寸小于50 mm×50 mm的膜片。
3.2 观测方法
(1）基准点布置
全站仪自由设站坐标系的基准点由2点组成，其中一点为坐标原点，要求其稳固不动，另一点用于确定横轴方向，该点沿竖轴和横轴方向的位移不影响测点的位移观测。对隧道观测而言，上述基准点应布置在已完成仰拱封闭及铺底的两侧边墙上(距铺底高度1 m左右，以不影响通视为宜)，两基准点连线应垂直洞轴。对于带中壁的双侧壁、CRD和CD断面，应将坐标原点置于边墙上，横轴方向点置于内壁或中壁上。双侧壁、CRD和CD断面拆撑时，应及时将基准点移出。
(2）测点布置
上台阶位移测点宜埋设在距掌子面第2榀钢架上(第1榀上容易被挖掘机碰掉)，以后该断面的各台阶位移测点均埋设在该榀钢架上，埋设后在该处设置醒目标志，防止挂碰。埋设时应尽量减小膜片与仪器光轴的入射角，即将觇板对准测站方向后再固定测点。
(3）反射测点制作
反射测点(包括基准点和测点)由膜片、觇板和埋设杆组成。觇板用厚度5 mm矩形钢板制作，钢板短边长度=膜片尺寸+10 mm，长边长度=膜片尺寸+20 mm。埋设杆采用Φ16～20 mm钢筋，长度10～30 cm(以膜片伸出混凝土表面15～20 cm为宜)。埋设杆焊接在觇板短边中线处。
(4）测站设置
采用自由设站的仪器不需对中，但固定测站比不固定测站的观测精度高，因此测站位置应大致固定。而测站设置的关键要求，是测站的位置不能距测点断面太近，否则仪器光轴与膜片入射角过大而影响回复反射的性能。一般言，测站与断面间距离应大于25 m，这时光轴与膜片的入射夹角可控制在30°以内。同时，测站的位置也不能太远，否则不能满足所用膜片尺寸的最大测程。根据现场测试，合适的站位是：采用70 mm×70 mm膜片时测程应控制在30～60 m之间，采用50 mm×50 mm膜片时测程应控制在30～45 m之间。
3.3 观测要点
(1)基准点坐标可自行设置不必测定，但应设置后方校核点对基准点进行定期复核观测。
(2)用全站仪进行简单的相对收敛变形观测时，不需要照准基准点。
(3)反射膜片应在测点埋设后再粘贴到觇板上，并在喷混凝土前包裹测点。
(4)观测时应采用双盘测回法，避免单盘观测。为提高观测精度，可采用3次重复照准、必要时重复设站的冗余观测法，即每个盘位分别连续、重复照准3次目标点读取2×3次读数，然后取其平均为1次观测值，重复设站时对每站位观测值取平均值。
(5)在观测作业前，应对系统进行精度评定，以确认所用系统及方法是否满足精度要求。
(6)自动全站仪观测时，应避免望远镜视场内同时出现2个及以上反射测点。
(7)双侧壁、CRD架设上横撑时，拱顶和拱脚测点受横撑阻挡，不存在通视条件。这时可在横撑上方设站对拱脚测点进行相对收敛变形观测(用全站仪进行简单的相对收敛变形观测时，不需要照准基准点)，在横撑下方设站对拱顶测点进行常规水准抄平方法观测。
3.4 观测精度
通过实践和有关资料证明：采用徕卡TC2002全站仪(仪器精度0.5"、1+1 ppm)、RS反射膜片，采用3次重复照准及3次重复设站冗余观测方法时，测点位移量最大中误差≯0.5 mm(平均0.09 mm);采用徕卡TCA1201自动全站仪(带有ATP功能，测角精度1"，分辨率0.1"、测距精度2+2 ppm，分辨率0.1 mm),RS反射膜片，惠普PDA终端(内置自由设站3维坐标计算软件)，观测采用每盘重复3次照准取2×3次读数平均值方法。系统观测精度：测站固定时(位置大致固定)，水平方向的点位1次观测中误差为0.33～0.52 mm(平均0.41 mm)，垂直方向为0.24～0.43 mm(平均0.35 mm)。测站不固定时(即洞内一左一右站位)，水平方向的点位1次观测中误差为0.94～3.06 mm(平均1.94 mm)，垂直方向为0.98～2.60 mm(平均1.77 mm)。
3.5 观测频率[1]
观测频率是根据位移速率和距开挖面距离两方面因素确定，在选择观测频率时，如果位移速率、距开挖面距离两者有差异时，为保证施工安全，原则上取观测频率较高的作为实施的观测频率，同时当各台阶开挖面通过量测断面前后应增加观测频率。大断面黄土隧道变形监控量测观测频率见表1。
注：B为隧道开挖宽度。
监控量测断面间距：洞口浅埋Ⅴ级围岩段、浅埋下穿构(建)筑物段每5 m设置1个量测断面，一般Ⅴ级围岩段、浅埋或含水量超过18%的Ⅳ级围岩段每10 m设置1个量测断面，一般Ⅳ级围岩段每20～30 m设置1个量测断面。
4 监控量测数据的计算和作用
由于隧道工程地质条件和施工工艺的复杂性，开挖导致隧道围岩的变形并不是单调的增加。因此，围岩变形随时间的变化，在初始阶段是呈波动的，然后逐渐趋于稳定。
4.1 监控量测数据的计算
现场实测数据，必须经过计算求得量测时间间隔、累计量测时间、水平收敛差值、累计收敛差值、当日收敛速度、平均收敛速度、拱顶下沉差值、累计拱顶下沉值、当日拱顶下沉速度、平均拱顶下沉速度、量测断面至开挖面距离等。
量测间隔时间的计算：在监控量测时应准确记录量测所对应的日期、小时和分钟，量测时间间隔以天为单位，在实际量测中不足或超出的小时及分钟，应全部折算成净天数。
4.2 监控量测数据的应用
根据现场量测数据的计算结果绘制的围岩变形—时间曲线散点图，其纵坐标表示围岩变形(可为拱顶下沉和水平收敛，也可为变形量和变形速度)，横坐标表示时间。在图中应注明量测时工作面施工工序和开挖工作面距量测断面的距离，以便分析施工工序、时间、空间效应与量测数据的关系。
4.3 围岩变形分析方法
4.3.1 当日变形速度或变形量法
(1)当日变形速度：本次围岩变形量测值减去上次围岩变形量测值所得之差，再除以2次量测时所经历的时间。
(2)当日变形量：本次围岩变形量测值减去上次围岩变形量测值所得之差。
这2个指标能及时反应当天所发生的变形速度或变形量，量测值反应灵敏，信息反馈迅速，在施工初期对预报险情起着重要的警报作用。但量测值可能存在偶然误差，时间曲线波动幅度较大，用它来表示变形速度或变形量的发展趋势是不准切的。高桥隧道弧形导坑开挖阶段净空位移实测最大速度见表2。
4.3.2 变形速度或变形量的回归分析法
(1)围岩变形随时间的变化规律[2][3]
由于反映围岩变形的各种因素之间的相互关系十分复杂，实际观测数据不可避免地受随机因素的干扰，存在着各种误差，使得变量之间呈现比较复杂的关系，需根据情况利用不同的回归模型建立变量之间的关系。
注：*上台阶水平收敛速率;**中台阶水平收敛速率。
利用最小二乘迭代法原理对实测量测的各组数据做回归计算，拟合出1条最佳曲线。由量测数据进行曲线拟合所得回归方程的表达式有以下几种：
双曲函数：或式中：U为变形值(mm);A、B为回归系数;t为量测时间;t0为测点初读时距开挖时的时间;T为量测时距开挖时的时间。
上述各种函数中的第1个表达式都可以引入辅助变量后转化为线性表达式，然后再以线性回归计算法求出回归系数A、B。第2个表达式则不能转化为线性表达式，可利用专用程序进行回归计算。
这种计算方法是对量测散点进行拟合，用1条能反应绝大多数量测值真实情况的曲线代替了原有的离散跳跃点，具有代表总体的特性。但此法必须在取得30～40个以上的样本时整体回归精度才高，所以此法不能作短期散点拟合，而只能作中期分析或远期预计。图1为高桥隧道DK348+363净空位移时态曲线。
(2）围岩全变形的计算[4]
前文已经提到，由于不可能在开挖后立即紧贴开挖面埋设元件，进行测量，因此量测零读数测取时已有量值为U1的围岩变形释放。此外，在隧道开挖面尚未到达量测断面时其实也已有量值为U2的变形产生。这两部份变形都加到变形量测值上以后才是围岩真实的变形。即U=Um+U1+U2，其中Um为变形量测值;U1可用回归曲线外延的办法估算(见图2曲线的外延图)，U2=λ0U(λ0取值0.265～0.33之间)，所以
5 变形控制基准值及监控管理
根据高桥大断面黄土隧道施工所发生的最大变形值，提出变形控制指标，见表3。
由于大断面黄土隧道变形量特别是拱顶下沉比较大,根据隧道监控结果表明，在二衬施做前围岩变形速率长时间保持在1～2 mm/d，在实际施工中为了保证施工安全，都是通过仰拱和二衬紧跟掌子面来控制围岩变形的，一般情况下仰拱和二衬距掌子面的距离都控制在30 m和60 m以内，软弱围岩段则可进一步缩短控制距离。所以大断面黄土隧道与岩石隧道不同之处，就是二衬不是在围岩变形稳定后才施做的，即不是在围岩水平收敛小于0.2 mm/d，拱顶下沉小于0.15 mm/d后才进行二衬施做，鉴于该情况大断面黄土隧道二衬参数的设计应进行适当加强，以防止二衬后期开裂。
注：安全状态为正常施工;注意状态为预警情况，调整支护参数后继续施工;危险状态应停止施工，并拿出切实可行的初期支护加强措施后方可恢复施工。
6 有害围岩变形的处理措施
水平收敛较大时，可设置横撑，在上横撑上增设纵向连接钢管以增强横撑连接点的强度;在上下横撑间设置斜撑;增设临时仰拱，及时封闭仰拱。
拱顶下沉较大时，可减小钢架间距、大角度打设锁脚锚管，增大拱(墙)脚，设置临时竖撑，减小一次进尺长度，及时封闭仰拱。必要时封闭掌子面暂停施工，在采取上述有关措施且变形稳定后，跟进仰拱和二衬，然后再恢复施工。
7 结语
通过在大断面黄土隧道中采用无尺监控量测技术，缩短了监控量测时间，保证原始数据采集的及时性，使数据分析结论更加接近实际情况，减少了监控量测工序与其他施工工序的干扰，加快了隧道的施工进度，同时观测精度也能满足隧道监控量测的要求。
参考文献
[1]TB10121—2007铁路隧道监控量测技术规程[S].
[2]李晓红.隧道新奥法及其量测技术[M].北京:科学出版社,2002.
[3]铁道部工程设计鉴定中心.高速铁路隧道[M].北京:中国铁道出版社,2006.
[4]王建宇.隧道工程监测和信息化设计原理[M].北京:中国铁道出版社,1990.
围岩量测 篇2
那马隧道全长2 788 m(D3K142+932～D3K145+720),为单线铁路隧道。隧道Ⅳ级围岩1 680 m,Ⅴ级围岩1 108 m。那马隧道地质属于丘陵剥蚀地貌,覆盖层主要为第四系全新统(Q4)黏性土,下伏基岩为石炭系中统下统大塘阶(C1d1+2)页岩、砂岩夹炭质页岩、灰岩、泥灰岩及泥岩等地层,出口端为石炭系中统(C2)厚层状灰岩。隧道中部一逆断层发育,板背断层,约成80°角与地面处相交于D3K143+590处左右,断层走向N30°～65°E,倾向SE,倾角68°。D3K145+580为一推测断层,隧道软硬岩相间部位可能破碎,局部层间软弱破碎带发育,可溶岩与非可溶岩接触带岩溶较发育。隧道出口浅埋段覆盖层较厚,为弱膨胀土。地表水较发育,地下水主要为基岩裂隙水及部分灰岩段岩溶水。
1 监控量测内容
1.1 地质素描
对开挖的围岩观测包括以下几项:1)节理裂隙发育程度及方向;2)开挖工作面的稳定状态,顶板有无坍塌现象;3)涌水情况:涌水的位置、涌水量、水压等;4)是否有底板隆起现象。
对初期支护段围岩观测主要有以下几项:1)是否发生锚杆被拉断或垫板脱离围岩现象;2)喷混凝土是否发生裂隙和剥离或剪切破坏;3)钢拱架有无被压变形情况。
1.2 洞内收敛值量测
1.2.1 测点布置及量测频率
那马隧道布设测点间距如下:在Ⅴ类～Ⅵ类围岩中,每隔5 m～10 m布置一个断面,每个断面布置1条～2条基线;Ⅳ类围岩每隔10 m～30 m布设一个断面,每个断面布置1条基线,每组两个测点保持在水平位置。量测断面收敛测点布置如图1所示。
内测点布设原则:量测点安设应保证初读在每次开挖后12 h内取得,最迟不得大于24 h,且在下一循环爆破前完成。测点安设在距开挖面2 m范围内,且不大于一个循环进尺。各项位移量测的测点,须布置在同一断面内,测点测量结果能相互印证,协同分析与应用。应精心保护测点,不受施工及爆破影响。
现场监控量测的频率:应根据位移速度和量测断面距开挖面距离确定那马隧道量测频率,并按量测成果不断的修改。
1.2.2 量测数据的处理
采用隧道净空变化值(收敛值)作为信息反馈值。收敛值是指隧道周边两测点连线方向上的相对位移值,所以必须把它换算成两测点的绝对位移值。对于图1的收敛测线,按几何关系有:
其中,ui,uj,vi,vj分别为i,j两测点绝对位移的水平和垂直分量;θ为ij连线与水平方向夹角,按逆时针方向为正;cij为基线ij方向的收敛值。
当隧道拱顶点及两侧边墙测点布置成闭合三角形收敛量测基线时,可根据上述原理写出如下方程式:
从图2中看出,未知数的总数=测点数n×2=3×2=6,而方程数=基线数m=3,为了求解上述方程必须引入3个已知数。现令u3=v1=v2=0,因θ12=0,则sinθ12=0,cosθ12=1,此时式(2)变为:
2 回归分析
目前常采用以下函数作为回归函数:1)对数函数:u=a+b/ln(t+1);2)指数函数:u=ae-b/t;3)双曲线函数:u=ta+bt;4)指数方程:u=a(1-e-bt)。
得出回归方程后,可以绘出位移时间曲线,接下来以D3K145+400断面水平收敛数据处理为例进行回归分析。
根据D3K145+400断面水平收敛数据,求出3种回归函数如下:
对数函数:a=248.9,b=-217.8,从而其相关系数r=0.797 5。指数函数:a=244.8,b=5.001,从而其相关系数r=0.986 4。双曲线函数:a=0.035 54,b=0.003 493,从而其相关系数r=0.945 7。其中指数函数对应的相关系数r=0.986 4,故选择此函数作为D3K145+400断面水平收敛的回归函数对该断面水平收敛进行分析和预测。
3 结语
本断面围岩很差,在施工中出现了初期支护开裂、剥落现象,断面拱腰的周边收敛最初增加就十分明显,前10天的累积值达165 mm,于是采用150 mm钢管进行对口支撑。从拱腰周边收敛的发展趋势分析,周边收敛值还会继续增大。根据回归方程分析,当时间t※+∞时,u※244.8 mm,即通过方程可预测最大变形量为244.8 mm,当t=40 d时,净空收敛速度小于0.2 mm/d,围岩达到稳定。由实际观测数据显示,它并没有稳定,且累积收敛值已非常接近规范允许的极限收敛值,鉴于以上紧急情况,那马隧道监控量测组及时提交了紧急报告,建议采取注浆加固措施,增设锁脚锚杆,约束下台阶开挖时临时拱脚的水平和垂直位移。在3月24日和3月31日收敛值突变,故采取了注浆加固措施,这对初支的变形起到了约束作用。那马隧道开挖宽度为8.06 m,根据规范,初期支护极限相对位移为282.1 mm,由于先期施工,缺乏对围岩总体变形量的预测,仅按设计要求留70 mm预留变形量,而该断面在二衬施作前变形量已达到226.26 mm,造成二次衬砌厚度不足,为保证施工和结构的永久性安全,决定对预留变形量不足的断面进行扩挖换拱。对预留变形量不足,但变形还未侵入二衬的断面,施作40 cm厚混凝土临时仰拱,让其封闭成环,最大限度减少变形量,并设法提前完成二衬浇筑。
摘要：基于那马隧道的不良地质条件,提出了围岩变形监控量测方案,从地质素描和洞内收敛值量测两方面阐述了监控量测内容,同时进行了数据回归分析及围岩稳定性分析,从而保证了隧道的支护稳定和施工安全。
关键词：隧道,监控量测,施工安全
参考文献
[1]于波.隧道新奥法施工中围岩的监控量测技术[J].山西建筑,2004,30(7):129-130.
[2]刘海宁.浅谈吉罗公路古丈2号隧道围岩变形监控量测[J].交通科技,2005(6):70-71.
围岩量测 篇3
1 浅埋隧道软弱围岩管棚超前支护分析
1.1 超前支护体系及其必要性分析
1.1.1 超前支护体系分析
超前支护体系主要包括以下几种:管棚、超前锚杆、小导管超前注浆、深孔注浆以及地表注浆等。另外, 超前支护一般适用于隧道围岩的自稳性较低的情况, 通过采取超前支护, 可以有效的避免出现坍方。
由于部分隧道属于软弱破碎地质, 即使可以通过采用深孔注浆起到止水固结的作用。然而, 此种方法仅能起到一部分范围固结的作用, 而超前支护体系通过超前锚杆或超前小导管, 在开挖隧道之前以钻孔排水的防水进行排水降压, 防止地下水压过大而影响隧道施工工程的质量。另外, 通过超前支护的方式, 其钻孔深度一般都大于注浆的范围, 可以有效的提高隧道施工工程的质量。
1.1.2 浅埋软弱围岩隧道施工时采取超前支护的必要性
(1) 如上所述, 在进行浅埋软弱围岩隧道的施工工作时, 极易出现掌子面失稳及地表下沉的现象。通过采取超前支护及监控量测技术, 并结合相关改善地层、管棚、水平高压旋喷、药液压注及垂直锚杆等措施, 以科学、合理的支护方法增强支撑力, 并防止支护及地表出现下沉的情况。
(2) 采取超前支护对于浅埋软弱围岩隧道施工的作用如下所述:首先, 超前支护方式的支护结构一般类似于一个沿隧道纵方向的梁结构, 可以有效的产生刚性梁效果。其次, 超前支护可以通过在掌子面前方形成壳结构, 用其刚性及厚度提高隧道掌子面及其周边围岩的稳定性。最后, 通过超前支护中的注浆法, 可以有效的提高隧道围岩的强度, 改善其周边环境。
1.2 超前支护分析
1.2.1 管棚
(1) 管棚的分类及适用范围
管棚主要分为短管棚及长管棚, 它的超前长度一般为5米至30米, 主要适用于隧道围岩非常软弱、破碎, 而且变形量极大的情况。
(2) 管棚施工技术原理及操作分析
管棚的施工原理为在隧道开挖之前在隧道开挖轮廓线的外弧线上放置一个伞形的金属保护棚架。由于该棚架的构造为一系列由一定间距排列的大惯性矩的钢管构成, 可以有效的保护隧道下部地层的开挖工程顺利进行。
管棚的施工操作技术如下:首先, 使用钻机打出一定深度的钻孔。其次, 将所钻的钻孔一并插入于金属钢管之中。最后, 使用注浆机将水泥砂浆或混合浆液压入, 水泥砂浆或混合浆液凝固之后便可以正式进行隧道的开挖工程。
1.2.2 超前锚杆
(1) 超前锚杆的材料
超前锚杆一般主要使用普通的砂浆锚杆或药包锚杆、迈式锚杆, 砂浆锚杆的适用范围较广。
(2) 超前锚杆的作用
另外, 超前锚杆的作用为提前加固, 它可以用于隧道开挖工程施工之前, 通过使用超前锚杆, 可以有效的加固周边环境, 提高隧道的施工质量及施工效率。
1.2.3 小导管超前注浆
(1) 小导管超前注浆的适用范围及作用
小导管超前注浆法一般适用于碎石土及砾石土较多、风化较为严重或节理发育等软弱围岩条件下的隧道工程施工。它只需采用常规小型机械便可以进行施工, 而且可以有效的保证隧道施工过程的安全性。加上小导管超前注浆法的操作简便性、良好的加固止水作用以及超前支护作用, 目前它已广泛应用于稳定各大隧道围岩的稳定性工程中。
(2) 小导管超前注浆的操作分析
小导管超前注浆法一般是通过沿着隧道开挖掌子面上所设计的开挖轮廓线之外0.2m-0.3m处钻孔, 并安装小钢花管进行高压注浆。注浆主要采用水泥及水玻璃作为浆液, 可以有效的加固隧道内的松散围岩, 等浆液达到一定强度后, 便进行隧道工程的开挖。
1.2.4 深孔注浆
(1) 深孔注浆的分类及适用范围
深孔注浆一般主要分为两种方法, 即深孔充填注浆与深孔劈裂注浆。它一般主要适用于断层破碎地带、软弱破碎围岩、地下水极发育, 或极易形成涌水、坍方的隧道工程。
(2) 止浆墙的必要性及具体操作方法
止浆墙可以有效的避免隧道开挖面出现垮坍的现象, 从而提高注浆的质量及隧道施工工程的安全质量。
止浆墙的具体操作方法为:第一, 在隧道开挖面钻孔, 埋设注浆专用孔口管, 并将钢筋网焊接于孔口管处。第二, 将钢筋网网格间距设为30厘米, 再喷射15至20厘米厚的C20级混凝土, 从而形成止浆岩盘。
(3) 注浆作业
注浆所需的材料主要分为三种:第一种主要为无机材料, 其适用范围较广, 主要包括水泥、水泥砂粉、水泥粘土、水泥-水玻璃等无机物。第二种为有机材料, 但有机材料的价格较高, 增加了施工成本。第三种为复合材料, 其操作方法及劳动保护复杂, 而且价格昂贵, 使用性不高。
注浆法一般采取分段累进注浆的方式, 其具体操作方法如下所述:首先, 通过将注浆混合器连接于孔口管上进行试压洗孔, 以便清洗干净孔眼内的石渣。其次, 对其大约注水两三分钟, 确保围岩的空隙通畅;在注浆的过程中应当由专人记录好注浆的时间及注浆量、注浆时的压力变化情况, 还有止浆墙、围岩、支护等的窜浆情况。最后, 在注浆作业结束之后, 必须将注浆部件拆洗, 彻底清洗注浆机, 防止注浆机损坏。
2 浅埋软弱围岩隧道施工监控量测技术
2.1 监控量测的目的和意义
(1) 监控量测通过及时掌握围岩位移和支护变形的动态, 可以科学、合理的安排工序, 以便及时修改支护参数。遇到突发情况时, 可以通过监控量测及时查找=原因, 以便及时采取措施解决问题, 提高隧道施工工程的安全性及经济效益。
(2) 监控量测有利于施工人员熟悉、了解本工程浅埋段围岩压力的基本特征以及支护的效果, 并作为施工资料留存归档, 供日后的工程参考。
2.2浅埋软弱围岩隧道施工监控量测技术分析
浅埋软弱围岩隧道施工的监控量测技术主要应用于隧道施工前阶段及施工中阶段。一方面, 在施工前阶段的监控量测技术主要通过地质调查、直接剪切试验以及现场试验等方法确定隧道围岩的特征, 其中包括鉴定隧道围岩的构造、物理性质等方面。另一方面, 在施工中阶段的监控量测技术主要通过现场监视隧道的施工实际状态, 包括检查超前锚杆的加固效果及松弛范围, 量测坑道周边的位移情况、支护结构的内应力以及支护结构与围岩间的接触应力, 以便及时控制变形情况并采取有效的措施修正, 提高隧道施工工程的质量及安全性。
3 小结
由于浅埋隧道软弱围岩的自承能力较低, 极易导致地层变形, 影响隧道工程的施工质量。因此, 在进行浅埋隧道软弱围岩的施工时, 必须结合超前支护方法以及监控量测技术, 及时采取有效的措施, 提高隧道工程的施工质量及其经济效益。
摘要：本文主要以铁路隧道的软弱围岩管棚超前支护与监控量测技术作为主要研究对象, 其中, 尤其侧重分析超前支护的详细施工技术, 文中深入分析了超前支护中的管棚、超前锚杆、小导管超前注浆、深孔注浆等施工技术, 并阐述了监控量测技术在铁路隧道的施工工程中的应用, 仅供相关工作人员参考。
关键词：隧道,软弱围岩,支护,监控量测技术
参考文献
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[3]中华人民共和国铁道部.铁路车站及枢纽设计规范[M].北京:中国铁道出版社, 2010.
围岩量测 篇4
隧道施工过程中的地质条件是不断变化的, 其力学动态也是不断变化的, 因此, 施工过程中围岩暴露出的状态就不可能是一成不变的, 从而采取的对策就随之变化, 隧道围岩判释与监控量测技术是我们真正实现隧道动态施工的有力保证。隧道施工过程中, 要把隧道围岩判释和监控量测有力结合在一起, 这样才能更准确了解围岩受力状态和变形情况, 为制定正确的施工方案打下坚实的理论基础。进行隧道围岩判释就成了隧道技术人员的“基本功”。保护围岩是隧道施工的重要原则, 而其前提是要充分认识和了解围岩, 也就成为技术人员的重要而迫切的施工任务。监控量测技术是隧道动态施工的一个重要环节, 通过量测、观察, 认识和了解施工中发生的各种“动态”的实质, 同时也清楚的认识到工程中采取的施工手段和方法。所以, 对隧道围岩的判释和监控量测技术是隧道动态施工中两个必不可少的环节, 缺一不可。
1 隧道围岩判释
隧道围岩判释是应用地质知识定量和定性的判断围岩类别和性质。在设计阶段我们对围岩的认知很难保证与实际围岩完全一致, 其实, 隧道施工一定要边施工边验证设计, 对不符合实际的设计参数要进行及时调整, 这样才能保证隧道施工的质量、成本和工期。
1.1 隧道围岩判释的目的
通过对开挖暴露围岩第一时间的观察与分析, 评定围岩性质、判断围岩稳定性, 预判设计参数是否合理, 防止出现由于支护过于保守而造成不必要的浪费, 避免支护过于冒险出现返工现象的发生。
1.2 隧道围岩判释的内容
考察开挖暴露的围岩性态, 判断围岩和结构的稳定性并作出评价, 确认和修正围岩级别, 采取合适的施工和支护措施。
1.3 隧道围岩判释的流程
对观察到的地质素材进行分析, 并有针对性的进行分类和分级, 采用科学合理的定性和定量准则来判断, 对围岩支护参数进行修正, 支护完成后, 通过监控量测对调整的支护参数进行验证, 进一步完善围岩判释体系。
1.4 隧道围岩判释的方法
1.4.1 定性方法
对地质的自然属性进行肉眼判释, 进行围岩描述, 根据以往施工经验, 判断已暴露围岩特性以及预测未开挖段围岩情况, 来指导支护方案。
1.4.2 定量方法
主要有评点法和多变量法, 评点法主要有单一平均法、加权平均法、Q值法、RMR法、RSR法等;多变量法主要有数量化I类、数量化II类。
2 监控量测
2.1 监控量测的意义
公路隧道已广泛采用新奥法设计与施工, 现场监控量测则是新奥法设计与施工的重要组成部分, 施工中将原设计提供的地质勘查资料、监控量测收敛沉降数据、围岩参数特性反演、掌子面地质观察以及地质超前预报等方面的信息有机结合起来, 建立一个综合评价系统, 必将大大提高围岩稳定性评价的准确性。同时, 监控量测也是评价施工方案的主要手段, 并实时确定合理的二次衬砌施工时间, 更好地为隧道安全施工提供技术保障。通过监控量测可了解围岩变形量在各个施工阶段的分布情况, 按分布百分比判定在哪个阶段最大, 可指导工作者施工采取相应的施工措施。
2.2 监控量测方案
2.2.1 断面选择
隧道监控量测断面一般布设在围岩有明显变化、围岩变形较大以及围岩比较典型的断面处。
2.2.2 测点布设
每个断面共埋设5个测点, 分别位于拱顶中心布置的A点, 起拱线以上垂直距离3m拱腰处B、C点, 起拱线处D、E点。
2.3 监控量测方法
2.3.1 拱部下沉量测
采用全站仪进行量测, 首先在已完成的仰拱上埋设导线点、水准点作为监测基准点并测得该点的坐标和高程;然后在附近控制点上架设后视棱镜, 固定后视高为1.3m, 仪器架设在水准点和测量断面中间自由位置;最后使用全站仪观测方法测得拱部埋设点的坐标和高程, 测量时采用正、倒镜测量, 取平均值作为拱顶下沉量测数据结果。
2.3.2 净空收敛量测
采用数显电子收敛仪进行量测, 精度0.01mm。
2.3.3 断面对比
采用断面仪进行监控量测, 对同一个断面分阶段进行断面扫描, 可以观察全断面的变形情况。在监控量测回归分析结果出来前, 掌握围岩变形情况, 及时采取相应措施。
2.3.4 量测阶段及频率
监控断面支护完成后, 在每天洞内干扰最小时测量一次的频率进行, 直至铺挂防水板前。若遇变形特别大的断面, 应配专人全天候进行量测, 直至变形在可控范围内后, 再按正常频率进行量测。
3 隧道围岩判释与监控量测的应用
下面以采古隧道穿越F2断层围岩地质评价与预判为例, 介绍隧道围岩判释和监控量测在隧道施工中的主要应用。
3.1 围岩判释的应用
采古隧道F2区域断层影响带从K57+100左右出露, 至K57+160左右见断层面, 并见到断层下盘的Ⅳ级围岩, 在隧道穿越断层影响带的过程中经历了围岩地质及变形特征发生了相应剧烈的变化, 现取三个典型断面进行分析评价。如图1所示。
3.1.1 断层影响带—断层破碎带 (如图2所示)
K57+105断面属于隧道深埋段, 定性判断为掌子面左上部为断层破碎带, 岩性为黑色薄层炭质页岩, 产状较混乱, 节理发育, 岩体破碎, 见少量石英脉。中部及左下部为产状有序明显的薄层—中厚层灰质板岩夹页岩, 石英与方解石混合结晶脉有规则产出, 岩层倾向东北, 倾角30°~40°, 受断层带影响, 节理较发育。从定性的评价来看, 该断面围岩属于Ⅴ级围岩。
可以再定量地验证, 根据围岩基本质量指标BQ计算公式:
式中:Rc———饱和单轴抗压强度;
Kv———岩体完整性系数, 带入相应值得:
再用地下水、结构面对其进行修正, 得出修正后的围岩基本质量指标【BQ】计算如下:
故从定量计算角度可以验证出其为V级围岩。
结合围岩实际地质条件以及相关的岩土实验, 可得出以下几点:
由于该断面整体属于软弱炭质围岩, 具有塑性变形大和膨胀性的特点。受该段围岩左右二元结构的影响, 初支左侧变形稍大于右侧, 即左侧的断层破碎带的变形要大于右边较完整岩层的变形。
关于掌子面前方可能的围岩情况, 需要根据岩层产状与隧道空间关系来分析, 由于右侧较好岩层的走向与隧道轴线斜交, 产状示意图如图3所示。
据此推测隧道在一定进深内仍会处于这种二元岩层结构中, 中间若无其他断层引起的突变, 则最终会完全进入断层破碎带。
3.1.2 断层破碎带
经若干循环后, 隧道果然完全进入断层破碎带, 以K57+140断面为例:
隧道K57+140断面处已完全进入断层破碎带, 岩性有炭质页岩、板岩、泥岩, 几组断层伴生节理相当发育, 岩体很破碎, 剪节理为泥质胶结, 可见明显滑动镜面, 张节理为钙质填充, 均不有利, 故该类围岩同时存在松动破坏与塑性变形。如图4所示。
3.1.3 断层破碎带—断层下盘 (如图5所示)
隧道掘进至K57+160处时, F2断层面和断层下盘露出, 现取K57+170断面分析。掌子面中部及右部仍为断层上盘的断层破碎带, 左下部为断层面的露头 (如图6所示) , 可见由断层泥构成, 并可见明显滑动镜面。断层下盘为较有序的炭质板岩岩层, 倾向205°, 倾角82°, 与出口段已掘进至的Ⅳ级围岩在岩性和产状上都很近似, 基本可以确定为同一套地层。
此断面掌子面的松动变形依旧很明显, 主要是由于岩体的完整程度并无甚改观, 并且由于断层泥的类似润滑剂作用, 增加了围岩的松动变形。
由于断层面才出露, 且其走向与隧道轴向很相近, 加上隧道轴线右转的影响, 经产状分析可知, 隧道将在不可知的很长进尺内一直维持此二元结构不变。后掘进50m时此断层面才至掌子面中部。
3.2 监控量测的应用
F2断层面和断层下盘露出时的位置为K57+170, 现已此断面的监控量测为例, 来验证此断面开挖时, 对围岩预判的准确性, 同时判断此断面所采取的施工方案是否正确。
3.2.1 断面选择
由于该断面下盘出露, 围岩明显发生变化, 故选K57+170为监控断面。
3.2.2 施工方案概述
K57+170断面初期支护采用V级支护参数, 右侧受断层带影响较大, 预留变形量仍保存30cm, 左侧由于断层带下盘出露, 预留变形量调整为25cm。
3.2.3 断面变形情况
K57+170断面自支护完成至二层封闭前全过程变形情况如下。
拱部累计沉降量分别为A点241mm, B点292mm, C点314mm;净空累计收敛量为DE线548mm。其中变形量在上台阶开挖至施作下台阶前最大, 占总变形的65.2%;下台阶支护完成后至仰拱封闭占总变形的31%;仰拱封闭至铺挂防水板前占总变形的3.8%。变形情况与围岩判释阶段进行的预测基本相同, 采取的施工方案得当。根据现有的监控量测数据显示, 该段初衬右侧的变形相较之前的断层破碎带有所下降, 预留变形量相应下调, 这与断层下盘的Ⅳ级炭质板岩的影响是分不开的。
4 结束语
在隧道施工过程中, 围岩判释与监控量测的作用是不可忽略的, 只重视监控量测, 没有围岩判释, 若等量测数据出来时, 实际变形与预期存在较大差异时, 支护已经完成, 损失将无法挽回。如果只重视围岩判释, 没有监控量测, 将无法判断围岩判释的准确性, 也无法总结施工经验, 更不能提高围岩判释水平。将监控量测工作与隧道工程地质相结合, 在隧道开挖后, 通过对围岩判释, 第一时间判断围岩变形情况, 及时调整支护方案, 再通过监控量测, 验证对围岩变形情况判定和支护方案的选择正确与否, 通过不断的总结, 施工组将积累一定的隧道施工经验, 必将提高以后对围岩预判的准确性。
参考文献