李 輝,李 琪,劉慶豐

(中鐵四局集團(tuán)有限公司,合肥 230023)

1 工程概況

金沙洲隧道位于剝蝕殘丘與沖積平原交接地帶,其出口段在廣州西環(huán)高速公路潯峰洲收費站范圍內(nèi),地勢相對較為平坦,屬珠江三角洲沖積平原地貌單元及剝蝕殘丘陵地貌單元;地表主要為高速公路、地方道路、農(nóng)田、魚塘、果園及苗圃,小河渠、小涌較發(fā)育,地質(zhì)狀況復(fù)雜多變,地下水主要賦存于沖積砂層和石灰?guī)r溶洞、裂隙中,地下水豐富,補(bǔ)給方式主要通過大氣降水。周邊建筑物主要有工廠、民宅等,隧道開挖對周邊建筑物、公用設(shè)施的影響大,為了既要保證隧道施工安全,又要保證鄰邊建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施的安全,必須采用多種監(jiān)控量測手段,做到動態(tài)管理、精準(zhǔn)預(yù)測,提前采取應(yīng)對措施。

2 量測內(nèi)容

2.1 周邊位移

對于洞內(nèi)周邊位移的變形量測,注意以下兩點:①凈空變形量測斷面的間距應(yīng)根據(jù)圍巖級別、隧道斷面尺寸、埋置深度及工程重要性等確定,宜為 5～30 m。②凈空變形量測應(yīng)在每次開挖后 12 h內(nèi)讀取,最遲不得大于 24 h,而且在下一循環(huán)開挖前,必須完成初始讀數(shù)。對于洞外明挖段周邊位移的變形量測,通過對基坑兩側(cè)的冠梁位移、橫向支撐軸力、圍護(hù)樁樁體測斜位移以及基坑兩側(cè)的水平收斂等幾個項目進(jìn)行多方向,全方位立體監(jiān)測,并及時將各項數(shù)據(jù)整理,納入數(shù)據(jù)庫,互相比較,互相結(jié)合,綜合分析,建立動態(tài)的數(shù)據(jù)鏈,一方面通過生成圖像來清晰地表達(dá)基坑側(cè)壁變形規(guī)律,對基坑的穩(wěn)定性作出準(zhǔn)確判斷,明確工程施工對原始地層的影響程度及可能產(chǎn)生失穩(wěn)的薄弱環(huán)節(jié),另一方面通過監(jiān)測了解隧道主體結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變位狀態(tài),對其安全穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

金沙洲隧道圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測,明挖段冠梁位移觀測樁埋設(shè)在梁體沿隧道走向中心線處,一般每 10 m布設(shè)一個點,樁體測斜管一般每 50 m布設(shè)一根,測斜管布置于基坑的兩側(cè)。管埋深不小于圍護(hù)樁深度,施工時將測斜管綁扎于鋼筋籠上,并保證其初始埋設(shè)鉛垂向下,同一孔間距 0.5 m,并與位移觀測樁設(shè)置于同一里程斷面,這樣有利于數(shù)據(jù)的分析判斷?；娱_挖后開始實施冠梁位移的監(jiān)測,并和樁體測斜同時觀測。樁體測斜采用測斜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,并通過計算機(jī)分析后,導(dǎo)出樁體測斜位移圖,觀察樁體位移隨開挖深度增加的一個變形趨勢。

隧道橫向支撐體系監(jiān)測,基坑開挖后需要對基坑兩側(cè)施加橫向支撐,用來分擔(dān)一部分土體側(cè)壓力和水壓力,與圍護(hù)樁共同受力,為準(zhǔn)確地了解圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)的變形情況,對支撐體系的軸力進(jìn)行輔助觀測,軸力計的安裝分別置于鋼支撐的兩側(cè),監(jiān)測斷面全部支撐(包括換撐)均布設(shè),測點布置于支撐靠近端頭處,其它設(shè)計軸力較大部位可酌情加密布設(shè)(見圖1)。通過導(dǎo)入計算機(jī)的數(shù)據(jù),根據(jù)計算結(jié)果的正負(fù),來判定軸應(yīng)力的方向,并借助樁體測斜位移偏量大小及方向來判斷基坑側(cè)壁的穩(wěn)定性。

2.2 拱頂下沉

根據(jù)金沙洲隧道的施工工法、洞內(nèi)地質(zhì)條件等各方面綜合考慮,實際量測中采用每 5～10 m一個斷面,一個斷面 5個測點,兩條基線對相對凈空收斂和拱頂下沉進(jìn)行量測。測點布置見圖2。

2.3 洞內(nèi)外地質(zhì)和洞內(nèi)支護(hù)情況

圖1 基坑監(jiān)測樁布置(單位:cm)

圖2 測點布置示意

在開挖后及初期支護(hù)后進(jìn)行觀察并描述隧道圍巖地質(zhì)、地下水情況、初期支護(hù)情況。在觀察過程中如發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件惡化、初期支護(hù)發(fā)生異常現(xiàn)象,應(yīng)立即采取應(yīng)急措施,并派專人進(jìn)行不間斷地觀察。由于金沙洲隧道地質(zhì)條件差,地層中巖隙水發(fā)育極為豐富,開挖過程中易引起突泥突水,因此在隧道周邊通過井點降水降低地下水位,才能保證基坑內(nèi)部作業(yè)的順利開展,同時為了防止降水施工對地下管線、建筑物等周圍環(huán)境條件、居民生活帶來不利的影響,如地表塌陷,建筑物下沉等人為的地質(zhì)災(zāi)害,地下水位監(jiān)測也就成了必不可少的日常觀測項目。對于水位觀測,監(jiān)測點的布置一般情況沿隧道走向布置,每隔 50 m一個斷面,在中線左右各設(shè)一個。另外對于隧道地表周邊有敏感性建筑物群的要在建筑物周邊也要臨時性的布設(shè)觀測點,并在隧道周邊水位有明顯變化時實施監(jiān)測。

2.4 地表下沉

地表下沉量測應(yīng)根據(jù)隧道埋置深度、地質(zhì)條件、地表有無建筑物、所采用的開挖方式等因素確定。在金沙洲隧道D K 2 196+100～D K 2 196+300這一里程段,隧道D K 2 196+110～D K2196+300段埋深較淺,拱頂覆蓋土厚 9.5～15.0 m,地層為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖淤泥,淤泥呈流塑狀,主要成份為黏粒,含少量有機(jī)質(zhì)、腐殖物,屬高壓縮性土,土質(zhì)不均勻,土體受到擾動后抗剪和抗壓強(qiáng)度大幅度削弱,穩(wěn)定性極差,洞身開挖過程中易引起坍落,地表下陷,且隧道上方為西環(huán)高速公路匝道和地方交通要道。綜合各方面因素,在實際監(jiān)測過程中采取了加密措施,采用 5 m一個量測斷面,一個斷面 7個監(jiān)測點,量測范圍從隧道開挖面前方 H+h(隧道埋深 +隧道高度)開始,直至襯砌結(jié)構(gòu)封閉,其它里程段一般采用 10 m一個斷面。

3 量測手段及頻率

3.1 量測方法

測量工作在硬件配置選取上,金沙洲隧道采用國內(nèi)比較先進(jìn)的高精度徠卡 1200a進(jìn)行,并且安裝高科技軟件,在測量方法上選取了無尺量測,對隧道拱頂下沉和周邊位移進(jìn)行觀測。通過長時間的實踐結(jié)果表明,這種方法直接、簡單、可靠,無形之中大大提高了工作效率和結(jié)果的精確性,去除了繁瑣的環(huán)節(jié),同時也避免了老式儀器如鋼尺收斂儀人為原因造成的測量數(shù)據(jù)的誤差偏大。此種量測手段對于情況復(fù)雜多變的隧道監(jiān)測工作是一種行之有效的解決方法。如在洞內(nèi)周邊位移的量測中,利用了后方交會原理,在測點上預(yù)埋了反射片 A、B,通過激光測距,直接在儀器上讀出兩測點的距離 L,計算結(jié)果精度可達(dá)到 0.01 mm,這種方法很大程度上節(jié)省了時間。

對于洞外地表的沉降監(jiān)測,就采用了較為傳統(tǒng)的方法,利用了普通水準(zhǔn)儀和塔尺進(jìn)行量測,儀器精度為1 mm,開始量測前布置好測點和基準(zhǔn)點,并測量測點及基準(zhǔn)點聯(lián)網(wǎng)的相對高程,最后算出測點絕對高程。

由于隧道的開挖極易引起地下水水位的變化,特別是承壓層水位的改變,水位儀是這項工作主要設(shè)備,主要原理是通過水位孔的高程,和水位儀上的一個初始讀數(shù),得出地下水水位的一個初始值,隨著隧道內(nèi)的施工,開始不間斷的觀測水位儀的讀數(shù),并對降水井設(shè)備不斷加以調(diào)整,使地下水水位的變化處于一個較為平衡的狀態(tài)。

3.2 量測頻率(見表1)

隧道施工過程中,短期之內(nèi),量測頻率基本保持不變,以方便日后對數(shù)據(jù)的處理和分析。直至計算機(jī)分析處理結(jié)果顯示相對穩(wěn)定后,可適當(dāng)降低觀測頻率,把節(jié)約出來的時間投入到其他更需要監(jiān)測的區(qū)域中去;但當(dāng)出現(xiàn)下列任一條件時應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)觀測。

1)實際開挖地質(zhì)條件變差。

2)觀測值達(dá)到報警指標(biāo)。

3)觀測值速率加快。

4)出現(xiàn)危險事故征兆時。

表1 拱頂下沉及凈空變化量測頻率表

4 量測數(shù)據(jù)的處理與分析

1)對現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行處理和計算機(jī)入庫,并繪制時態(tài)曲線(或散點圖)。

2)當(dāng)位移—時間曲線趨于平緩時,應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或回歸分析,以推算最終位移和掌握位移變化規(guī)律。分析中采用數(shù)學(xué)上常用的回歸分析法,對量測的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時分析,從而掌握圍巖變化規(guī)律;采用的回歸函數(shù)有三個:①指數(shù)函數(shù) U=a e-(b/T);②對數(shù)函數(shù) U=a+b/l g(1+T);③雙曲線函數(shù) U=T/(a+b T)。

3)通過對 N天的實際觀測值進(jìn)行回歸分析,計算出三種函數(shù)的相關(guān)系數(shù),并選取相關(guān)系數(shù)的絕對值最趨于一函數(shù),來預(yù)測圍巖的最終變化值。

4)二次襯砌的施作應(yīng)滿足下列要求時進(jìn)行:

①各測試項目的位移速率明顯收斂,圍巖基本穩(wěn)定;

②已產(chǎn)生的各項位移已達(dá)預(yù)計總位移量的 80%～90%;

③周邊位移速率 ＜0.1～0.2 mm/d,或拱頂下沉速率 ＜0.07～0.15 mm/d。

實例一:以金沙洲隧道二號豎井D K 2 196+120斷面為例,進(jìn)行回歸分析,預(yù)測該斷面多少天后,圍巖基本穩(wěn)定。

根據(jù)新奧法施工的隧道穩(wěn)定規(guī)律,拱頂下沉不會無限制地增大而會有一個穩(wěn)定值。建立沉降(U)隨時間(T)發(fā)展的時態(tài)函數(shù),并根據(jù)量測數(shù)據(jù)分別建立三個一元非線性函數(shù) U1=a+b/l g(1+T)、U2=a e-(b/T)、進(jìn)行回歸分析(見表2=8 565.197,

三個方程為非線性方程,將其轉(zhuǎn)化為線性方程,通過以上回歸值求的各方程的系數(shù)

U1=a+b/l g(1+T),a=210.713,b=63.9

U2=a e-(b/T),a=187.643,b=-2.197

U3=T/(a+b T),a=0.038,b=0.002

以上三個方程線性相關(guān)系數(shù)依次為 r1=0.554,r2=-0.986,r3=0.991,可以看出 U3的相關(guān)系數(shù)絕對值最靠近1,說明通過函數(shù) U3來反映 V-t之間的關(guān)系是最合理的,因為它們之間的線性關(guān)系最密切,回歸精度較高,故選用該回歸函數(shù)來預(yù)測,回歸平均值 U=135.75,標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù) Sr=(S/U)×100%=4.55%。處理結(jié)果為由雙曲線函數(shù) U3=T/(0.038+0.002T),推算出基本穩(wěn)定時間 70 d以后,圍巖最終沉降量 Umax=462.41 mm。由實測值曲線圖可以看出圍巖最終沉降值在 370 mm上下浮動,其沉降率已達(dá) 80.05%≥80%;沉降速率已達(dá) 0.13 mm/d≤0.2 mm/d,故可判斷圍巖基本穩(wěn)定。

評定結(jié)果:該段圍巖較差,初期支護(hù) 70 d以后該圍巖沉降完成,形成自穩(wěn),施作二次襯砌后,結(jié)構(gòu)基本不受力。同時從實測值與回歸計算值相比較看出,除個別點外,大多數(shù)相差較小,觀測結(jié)果較為可靠。

表2 統(tǒng)計表 mm

5 監(jiān)控量測的質(zhì)量管理

為確保施工監(jiān)測質(zhì)量,真正做到信息化指導(dǎo)施工,確保施工安全,必須嚴(yán)格按照以下措施進(jìn)行操作。

1)成立監(jiān)測管理小組,實行監(jiān)測質(zhì)量專人責(zé)任制,由有經(jīng)驗的專業(yè)監(jiān)測人員組成,制訂實施性計劃使監(jiān)測按計劃有步驟地進(jìn)行;

2)工程開工前,充分調(diào)查施工現(xiàn)場的地質(zhì)狀況,并確定合理的警戒值,匯編成資料,上報監(jiān)理部門審批。施工中當(dāng)發(fā)現(xiàn)被測對象接近或超過警戒監(jiān)測值時,應(yīng)立即報告監(jiān)理,并提出應(yīng)急補(bǔ)救措施;

3)觀測前,對所有儀器設(shè)備必須按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢驗和校核,確保儀器的穩(wěn)定可靠和觀測的精度;

4)觀測中,采用增加測回數(shù)的辦法,保證初始值的準(zhǔn)確性;

5)制訂各點位的保護(hù)措施。定期對使用的基準(zhǔn)點或工作基點進(jìn)行穩(wěn)定性檢測,有懷疑時立即進(jìn)行復(fù)核,如有問題應(yīng)及時處理,監(jiān)測時采用相同的觀測路徑及方法;

6)建立監(jiān)測復(fù)核制度,確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實可靠;

7)每個工程項目的監(jiān)測資料必須保持有完整、清晰的監(jiān)測記錄、圖表、曲線及監(jiān)測文字報告。

6 金沙洲隧道監(jiān)控量測取得的實施效果

在測量制度上嚴(yán)格的按照監(jiān)控量測大綱標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量工作,動態(tài)管理隧道開挖掘進(jìn)過程中的圍巖變形情況,必要時尚要加密測量頻率。

在測量數(shù)據(jù)處理上積極的探索新方法,如指定專人負(fù)責(zé),明確分工,誰測量誰計算,計算后由測量主管進(jìn)行復(fù)核,復(fù)核無誤以手機(jī)短信的形式,發(fā)到相關(guān)負(fù)責(zé)人的手機(jī)上。對于突發(fā)或較大的變化時,進(jìn)行及時的復(fù)測。對于變換不大,符合要求的情況下,由監(jiān)控量測資料員進(jìn)行匯總,制作成監(jiān)測快報的形式。

7 結(jié)語

在地下工程諸如此類大跨徑淺埋隧道,為保證地下工程施工及周邊環(huán)境安全,需要建立一套嚴(yán)密、科學(xué)的監(jiān)測體系,在施工過程中通過對隧道及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測,了解圍巖、支護(hù)變形情況,并加以分析、判斷、預(yù)測,以便及時調(diào)整和修正支護(hù)參數(shù),保證圍巖穩(wěn)定和施工安全;提供判斷圍巖和支護(hù)系統(tǒng)基本穩(wěn)定的依據(jù),合理安排工序確定二次混凝土襯砌施作時間;依據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取相應(yīng)的技術(shù)措施,將施工對周圍環(huán)境的影響降低到最小程度,即通常所說的信息化設(shè)計與施工。同時在保證施工安全的前提下加快施工進(jìn)度;積累監(jiān)控量測數(shù)據(jù)資料,提高施工技術(shù)水平?？傊?正確分析現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù),并及時的反饋到現(xiàn)場指導(dǎo)施工,對推進(jìn)隧道的安全質(zhì)量進(jìn)度提供了堅實的基礎(chǔ)和有力的保障。

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[2]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2006]189號 客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定[S].北京:中國鐵道出版社,2006.

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