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茶镇隧道位移监测方法及结果分析

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上海岩联 发表于 2019-10-9 16:24:33 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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茶镇隧道围岩软弱破碎稳定性差,变形大,为及时掌握施工过程中围岩及支护结构的变形特性,保证施工安全,对围岩及支护结构进行了拱顶下沉和周边收敛位移量测。通过对K225+266横断面量测数据的综合分析,揭示了该条隧道在V类围岩以及特定支护情况下位移变化的规律,得到了围岩位移稳定约需2~3周的开挖时间以及4~5倍开挖洞径的距离。


                               
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由于不同区域内围岩情况差别较大,要及时了解其位移变化的时程性规律,目前仍无定量的确定方法。本文结合茶镇隧道位移监测内容,通过对监测结果的分析,研究了围岩及支护结构的变形特点,得出了一些规律性结论,指导了现场施工,也为该地区的其他类似隧道设计、施工提供了参考。

1工程概况

茶镇隧道是安康至汉中高速公路的一座分离式隧道,位于西乡县茶镇渔丰村及茶镇村,左线全长1496m,右线全长1472m,两线间距28.8~30.4m,隧道最大埋深154m,开挖直径12.78m,开挖高度10.02m,属于大断面隧道。隧道地质条件复杂,隧址区发育两条断层,隧道围岩主要为弱风化、强风化变质安山玄武岩,且节理裂隙发育,围岩类别多属于Ⅴ类,其间夹杂Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ类,稳定性差,岩性地下水主要为基岩裂隙水、构造裂隙水,表层分布少量覆盖层孔隙水,基岩裂隙水主要赋存于强风化岩层中,施工难度较大。

茶镇隧道开挖采用台阶法,设计初期支护以锚网喷支护为主,辅以钢拱架,超前支护采用注浆小导管加强。

2位移监测方法

根据茶镇隧道施工的具体要求和现场工程地质条件,确定了拱顶下沉位移和周边收敛位移监测为该隧道位移量测的必测项目。位移量测断面布设间距洞口段取10m,洞身段取20~25m,同时在软弱岩体、地质断层附近视具体情况增设监测断面,最终左右线各布设了65个位移量测断面。

位移监测测点布设时在避免爆破作业破坏测点的前提下,尽可能靠近掌子面埋设,拱顶下沉测点点位选在拱顶及轴线左右两边各2~3m范围内共布设3个测点,周边收敛测点点位选在拱顶、左右拱腰和左右边墙部位分别布设,如图1所示。拱顶下沉位移量测采用精密水准仪抄平方法,


                               
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其量测误差控制在1.0mm以内。周边收敛位移量测采用精度为0.01mm的隧道收敛计量测,以每个测线连续3次测读的平均值并经温度校正后的数值作为该次测量数值。拱顶下沉、周边收敛的测试频率按《公路隧道施工规范》执行。

3监测结果分析

由于隧道布设监测断面较多,本文仅以洞身段K225+266横断面位移监测结果为例说明各开挖洞口的位移分析方法。

3.1拱顶下沉


                               
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图2~图5分别为左右线两个监测断面的拱顶下沉随时间以及掌子面距离变化的位移时程曲线。

图2左线监测断面拱顶下沉随时间变化曲线

从图2~图5可以看出,左右线监测断面的拱顶下沉随开挖时间延长及距掌子面距离加大表现出相同的变化规律,基本上在离掌子面近、掘进时间短时曲线较陡,而后曲线变缓直至趋于稳定,反映出拱顶下沉位移先快速变化后缓慢变化直至趋于稳定的特点。


                               
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图3右线监测断面拱顶下沉随时间变化曲线


                               
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图4左线监测断面拱顶下沉随掌子面距离变化曲线


                               
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图5右线断面拱顶下沉随掌子面距离变化曲线

各个图中还反映出,左右线各测点的累计位移曲线虽然存在测试误差、施工干扰等影响有小幅的波动,但基本上重合,说明拱顶附近的下沉量较均匀,一个测点能反映拱顶部位位移的变化情况,左右线位移稳定时间约为2~3周。

从图6隧道K225+266横断面处左右线拱顶下沉累计位移值比较来看,左线在监测期间最终的累计位移平均值为5.03mm,右线为38.32mm,右线下沉量明显大于左线,达到了隧道预留变形值(120mm)的32%,其主要原因在于左右线围岩情况有差异。右线围岩节理裂隙较发育,核心处岩体呈碎裂片状,风化较严重,并存在裂隙水,围岩稳定性差,属于V类,而左线岩体强度较高,成小块状,有极小量裂隙水存在,虽然岩性也属于V类,但围岩整体稳定状态、自稳能力均高于右线,说明了围岩强度和完整状态对隧道开挖后拱顶的位移影响大。


                               
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图6隧道K225+266横断面处拱顶下沉随时间变化曲线

从图2、图4左线拱顶下沉位移变化曲线来看,虽然累计位移下沉值较小,规律性明显,但测试过程中各测点位移值波动较大,分析其原因,除测量不可避免的误差外,主要是测量时间的选择存在问题,曲线波动较大的测点,量测时间基本选择在掌子面爆破完后半小时以内进行,此时巨大的爆破冲击荷载对隧道围岩及初期支护的影响还未消除,量测的变形量包含爆破荷载作用所引起的变形量,导致了测点的累计位移值波动较大,反映了在隧道施工过程中冲击荷载对围岩及初期支护的位移影响较显著,也说明在现场监测过程中,要保证测量数据稳定可靠,监测时间段的选择非常重要。

3.2隧道水平收敛位移量测

图7、图8分别为左右线两个监测断面的水平收敛位移随时间及掌子面距离变化的位移曲线。


                               
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图7水平收敛位移随时间变化曲线

从图7、图8可以看出,随着开挖时间以及距掌子面距离的延长,左右线水平收敛位移变化曲线规律基本一致,呈现出先快速增长后缓慢增长直至


                               
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图8水平收敛随掌子面距离变化曲线

某一稳定值附近,但右线的水平收敛位移累计值上测线最大为17.02mm,下测线为25.76mm;左线水平收敛位移上测线最大累计值为9.41mm,下测线为2.27mm,右线上下测线收敛值均明显大于左线,监测期间的位移稳定时间显示约为监测后1周左右。从图8还可以看出,在测量初期,右线上测线收敛位移测量时距掌子面距离相对左线远,施工初期的收敛位移并未累加在总收敛位移量之内,但其累计收敛值依然较左线上测线大7.61mm,而下测线量测收敛值明显大于左线,累计值最大相差23.49mm,反映出右线洞口水平向变形大于左线,其主要原因依然与该横断面处右线围岩较破碎有关,其结果与拱顶下沉位移相符合。

3.3横断面处拱顶下沉与周边收敛位移对比

图9、图10为隧道横断面处左右线拱顶下沉与周边收敛位移的对比图。从图9左线横断面上的位移量测可以看出,在测量期间内,水平收敛上测线值较拱顶下沉位移大,两者最大相差3.67mm,最小相差0.62mm,而下测线收敛量较拱顶下沉位移小,其主要原因是下测线量测时由于施工工序影响使量测断面距离掌子面较远,未将部分收敛位移叠加在收敛量之内,使得下测线测量值较小,但从左线横断面位移比较来看,在距掌子面距离基本相同的情况下,水平收敛位移量明显高于拱顶下沉位移量,说明该段左线隧道洞口变形以收敛变形为主,但总累计变形量处于较低水平。

从图10右线横断面上的位移监测对比图可以看出,在量测期间,右线拱顶下沉位移值与周边收敛位移值在距掌子面较近时的监测初期基本接近,位移变化速率均较大,拱顶下沉值略高于水平收敛值,在距掌子面较远时,水平收敛下测线值明显小于拱顶下沉值,反映出隧道右线拱顶下沉稍高于水


                               
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图9左线横断面处拱顶下沉与周边收敛位移对比图


                               
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图10右线横断面处拱顶下沉与周边收敛位移对比图

平收敛,且各个方向总变形值均较大,需要适当降低施工速度,充分发挥围岩的自稳性能。

从图9、图10的位移变化曲线图还可以看出,拱顶下沉与水平收敛位移大约距掌子面4~5D(D为隧道开挖洞径)的距离时,其位移变化接近于零,当围岩稳定性越好,累计位移值越小时,变形稳定需要的距离越短。

4结论

对茶镇隧道施工期间位移实测资料分析,对隧道围岩及初期支护结构的变形得到以下结论:

1)茶镇隧道K225+266横断面处左右线间距只有30m左右,但两线拱顶下沉位移相差33.29mm,水平收敛位移最大相差23.49mm,位移差值较大,主要原因与左右线围岩存在差异有关。左线围岩成块状,开挖后洞口变形相对较小,右线围岩较破碎,开挖后向临空面变形大,说明围岩的整体稳定性是影响隧道开挖后洞口变形的直接因素;

2)茶镇隧道位移量测结果显示,左右线拱顶下沉与水平收敛量测数据在总体变化趋势上相一致,即随开挖进行位移增大,在最初一周内速率变化较快,随掌子面远离,变化转缓逐渐趋于稳定,位移稳定大约距掌子面(4~5)倍的开挖洞径以及开挖后2~3周的时间段内,围岩破碎、变形稳定所需时间较长,此结论可作为该地区隧道修建时V类围岩变形稳定的判据。

3)隧道施工期间位移量测时间应尽量选择在受施工动荷载影响范围以外的其他时间段内进行,以避免测量数据产生较大的波动。


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