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十四、质量安全措施20
为了确保隧道施工顺利进行,并较为准确地掌握施工过程中的围岩的稳定状态、检测各项支护手段的效果,须对杨岗1#、2#双连拱隧道施工过程进行监控量测,现场主要监控量测项目见表3-1。
隧道围岩变形是围岩力学形态变化最直接的表现,支护系统的破坏和围岩的坍塌都是变形发展到一定限度的必然结果。
因此,周边位移量测是监控隧道围岩变形的重要项目。
通过对量测结果的分析可以正确判断围岩应力的发展趋势、围岩稳定性及最大变化速率、最终位移量、支护参数的合理性及它们之间的相互关系,再辅以其它观测方法可为数据分析处理和信息反馈提供可靠的第一手资料。
一、监控量测方案依据
《粤湘高速公路博罗至深圳段两阶段施工图设计》
《公路隧道施工技术规范》JTGF60-2009;
《公路隧道施工技术细则》JTG/TF60-2009;
《公路勘测规范》JTJ061-2007;
《公路工程地质勘察规范》JTJ064-98;
《隧道工程试验检测技术》
二、监控量测目的
1、掌握围岩和支护动态,进行日常施工管理。
2、了解支护构件的作用和效果。
3、确保隧道工程的安全性、经济性。
4、将监控量测结果反馈于设计及施工过程。
5、通过施工现场的监控量测,确定二次衬砌合理施作时间。
三、工程概况
1、工程简介
杨岗1#隧道为双洞六车道连拱隧道,起讫桩号为K56+340~K56+603,全长263m,位于直线上,隧道最大埋深约53m,坡度1.968%。
隧道穿过丘陵地貌区,地面标高71~140.0m,相对高差约65m,设计隧道底标高71.52~76.31m,山体植被茂密。
杨岗2#隧道为双洞六车道连拱隧道,隧道起讫里程K57+018~K57+282,全长264m,全线位于R=1480m的平曲线上,全线设有3%的超高。
博罗端洞门拟采用削竹式,深圳端洞门拟采用端墙式,隧道最大埋深约50m,坡度1.968%。
隧道穿越丘陵地貌区,进出口坡度较大,地面标高89~146.5m,相对高差约57m,隧道设计标高85.459~90.654m,山体植被茂密。
两隧址区地层都主要为侏罗系下统金鸡组泥质粉砂岩、粉砂岩、砂岩及其风化层。
两隧址区地下水类型同为基岩裂隙水,含水层主要为中风化~微风化岩,其余地层为透水层或弱透水层,地下水均无腐蚀性。
项目区地震基本烈度为Ⅵ度(地震动峰值加速度0.05g,地震动反映谱特征周期0.35s),拟建高速公路工程及重要的构造物宜按本项目《地震安全性评价报告》采取抗震设防。
隧址区属低缓丘陵地貌,第四纪以来的新构造运动主要为地壳间歇性抬升,水平方向运动微弱,无区域性断裂通过,预测未来一段时期内该区地震活动仍较微弱。
2、表3-1隧道围岩分级及长度
隧道名称
里程桩号
围岩分级
长度(m)
备注
杨岗1#隧道
K56+334~K56+467
Ⅴ级
133.0
K56+467~K56+497
Ⅳ级
30.0
K56+497~K56+596
99.0
杨岗2#隧道
K57+018~K57+065.93
47.93
K57+065.93~K57+108.35
42.42
K57+108.35~K57+282
173.65
四、隧道监控量测项目及方法
表3-1隧道监控量测项目及方法
序号
项目名称
方法及工具
布置
1
地质和支护状态观察
地质罗盘、钢尺
开挖后及初期支护后
2
周边位移
各种类型收敛仪
10~50m设一断面
(每断面2~3对测点)
3
拱顶下沉
高精度水准仪、全站仪、钢尺或测尺
4
地表下沉
高精度水准仪、全站仪、水准尺
5~50m设一断面
每断面至少14个测点
每隧道至少两个断面
中线每5~20m一个测点
断面测点布置如下图:
图1
图2
五、监控量测频率
表5-1隧道现场监控量测频率
量测间隔时间
1~15(天)
16(天)~1(月)
1~3(月)
≥3(月)
每次爆破后进行
周边位移量测
1~2次/天
1次/2天
1~2次/周
1~3次/月
拱顶下沉量测
地表下沉测量
开挖面距量测面前后,小于2倍开挖宽度,1~2次/天;
开挖面距量测面前后,小于5倍开挖宽度,1次/2天;
开挖面距量测面前后,大于5倍开挖宽度,1次/周。
六、地质和支护状态观察
工程地质环境对锚喷支护的设计和施工有着决定意义。
以围岩分级为基础直接确定喷锚支护参数的设计方法,需要了解实际工程的岩体结构类型、地质构造、岩体完整性、地下水等地质情况以及支护受力状态,以便修正初步设计,最后确定喷锚支护类型、参数和制定施工方法。
以地质和支护状态观察为手段,详细划分围岩类型、评价支护稳定性,是目前隧道施工必须开展的工作。
1、准备工作
主要包括:
了解已有地质资料、围岩划分依据、围岩稳定性分析成果;
对隧道工程地质的初步核对;
观察记录表格编制。
根据设计文件提供的地质资料,了解以下主要内容:
泥岩的岩性、层厚、岩层之间胶结情况,软弱夹层的厚度、胶接情况、遇水软化或泥化程度。
岩体构造形态、产状、接触关系;
断层及软弱夹层的力学性质、类型、规模、产状、破碎带宽度及充填胶结情况;
节理的产状、力学性质、组数、间距、充填胶结情况。
滑坡、泥石流、岩溶等不良地质现象对隧道工程的影响;
岩石风化程度、残积层、坡积层的厚度及对隧道洞口开挖的影响。
洞内可能产生涌水量、涌水地段、涌水类型。
围岩的岩块容重、抗压强度、弹性模量、纵波速度、地应力等试验指标。
工程区域的稳定性、洞室山体的稳定性、岩体成洞的条件,特别要注意隧道浅埋偏压段洞室山体的稳定性,杨岗1#、2#隧道都存在不同程度的浅埋、偏压情况,在浅埋、偏压段岩体由于自重应力和侧压力的存在,且岩体存在不均匀性,或节理呈现不发育,遇水极易软化等症状,造成隧道开挖初支后受岩体的初始应力(又称地应力,是地层未受工程扰动时存在的天然应力)的影响,自稳性差,导致岩面位移,洞身侧壁逐渐内移,造成洞身变形乃至坍塌。
而监控量测是隧道施工的核心,是监视围岩稳定性,检验设计和施工是否正确合理及安全的重要手段。
隧道浅埋偏压段的现场监控量测工作应该从宏观入手,同时做到洞内量测与洞外量测综合分析。
因此,首先应重点量测两端洞口边坡、仰坡及整个外侧山体的稳定性及变形情况;
其次,将洞外量测结果与洞内其它量测结果相互对照比较,从而发现潜在危险或存在的隐患,预防可能的工程塌方事故的发生。
依据隧道工程地质核对结果,采用不同的围岩分级方法和步骤,核对设计文件初步确定的围岩类别,分析其围岩分级的可靠程度。
2、施工掘进区观察
⑴、洞内观察
洞内观察主要是用肉眼凭经验判断围岩、锚杆、衬砌和隧道安全性的最直观方法,于爆破后进行,观察隧道内地质条件的变化情况,裂隙的发育和扩展情况,渗漏水情况,观察两侧和顶部有无松动岩石,有无裂缝等情况。
每次观测进行书面观测记录,同时进行拍照、录像留存。
⑵、围岩判定及地质超前预报
隧道每开挖一步要对掌子面进行围岩观察,主要观察围岩开挖面的稳定状态,拱部有无剥落、破碎带及风化程度与设计图纸是否相符,开挖后有无涌水、流泥等现象,格栅和喷射硷的初期支护有无开裂或压浆现象。
通过地质预报探测手段,预测开挖掌子面前方几米至十米,甚至上百米的围岩工程地质和水文地质条件,结合掘进中地质条件的变化,记录掌子面地质情况,及时提出预报,以便有准备地做好各种预防和施工措施,保证隧道工程的安全顺利进行。
施工中对地质的观察在于总结规律和发现问题,关键是在隧道掘进到喷层前对工程地质、水文地质现象的编录,以及工作面喷锚结构破损情况的记录,为变更围岩分级提供原始资料(记录表格见附表“施检表56”)。
3、现场监控量测工作
主要有:
配合进行量测点位置的选定;
测试点的地质描述;
帮助分析量测成果;
了解量测内容和测试结果。
七、周边位移量测
隧道周边收敛是指隧道周边相对方向两个固定点连续线上的相对位移值,它是隧道开挖所引起的围岩变形最直观的表现。
1、量测设计
收敛量测的设计包括:
仪器选择、断面间距、量测频率、测线布置、量测点埋设。
本项目进场周边收敛计为电子读数柱销弹簧式(机械读数的柱销弹簧式作为备用),该仪器量测精度最高,可以保证量测数据的准确程度。
量测断面间距。
一般情况下,洞口段和埋深小于两倍隧道宽度地段,间隔5~10米一个量测断面;
其余地段可根据地质条件,每5~100米设一个断面。
对于地质条件好且收敛值稳定的隧道可加大量测断面的间距;
对于地质条件较差,收敛值长期不稳定,开挖进度快或采用分部开挖施工的隧道,可缩小量测断面的间距。
本项目量测断面间距须满足下表所列数值。
具体量测断面桩号可根据实际情况作适当调整。
表7-1量测断面间距控制表
围岩级别
Ⅱ级、Ⅲ级
量测断面间距(米)
≤10
≤25
≤50
量测频率。
一般情况下,考虑测线位移速率、距工作面距离,按下表取值确定量测频率。
当地质条件变差或量测值出现异常,量测频率加大,必要时每2小时量测一次。
当变形稳定时,可不按照下表的要求。
当同一断面内各测线变形速度不同时,以产生最大变形速度的测线确定全断面的量测频率(见表7-2)。
表7-2量测频率控制表
位移速度(mm/日)
距工作面距离(隧道宽度D)
频率
>
10
(0~1)D
1~2次/日
5~10
(1~2)D
1次/日
1~5
(2~5)D
1次/2日
<
5D
1次/周
收敛测线布置。
测线布置和数量与地质条件、开挖方法、位移速度有关。
根据设计文件提供的信息,确定采用图1、图2所示测线布置。
项目开展后再依情况调整。
一般地段应采用2~3条测线,但拱脚处必须有一条水平测线。
若位移值较大或偏压显著,可同时进行绝对位移量测。
量测点埋设。
为达到量测仪器安设快(爆破后24小时内读取初读数)与近(距掌子面2米左右)的要求,量测点采用金属变形锚固方式,力求安装完毕即可读数。
量测点外露部分采用牛皮纸包裹保护,并用油漆标明里程桩号。
2、量测数据的读取与记录
量测数据的读取需注意以下事项:
⑴更换量测点时,量测仪器和温度计必须在洞内放置30分钟后才能进行量测,以便保证温度修正量达到一定的精度。
⑵量测前需检查测点挂钩是否有被破坏、松动、弯曲等现象,如出现上述情况,要研究补救措施。
⑶需要换尺或换尺孔时,需尽快的分别用原尺(或原尺孔)和更换尺(或更换尺孔)量测,二者的量测读数作为系统转换数据。
⑷第一次的初读数量测应反复进行多次;
当连续3次独立读数的误差R≤0.18mm时,才能认可其平均值为初读数。
⑸量测数据的记录应能满足现场初步判断和分析预测评定两个要求,并能反映施工进程(开挖部位、支护完成情况、距掌子面距离)。
现场记录表见附表“施检表59”。
3、量测资料整理与数据处理
首先对量测读数进行温度修正,计算t时刻的周边收敛值Ut。
具体计算公式如下:
式中:
——初读数时所用尺孔刻度值;
——
时刻时所用尺孔刻度值;
时刻时经温度修正后的读数值,
——初读数时经温度修正后的读数值,
时刻量测时读数值;
——初始时刻读数值;
——温度修正值,
——钢尺线膨胀系数;
——鉴定钢尺的标准温度,
=20℃
——每次量测时的平均气温;
——钢尺长度。
其次将原始记录及时整理成正式记录。
对每一量测断面内的每一条测线,整理后的量测资料应包括:
原始记录表及实际测点布置图;
位移随时间以及开挖面距离的变化图;
位移速度、位移加速度随时间以及开挖面距离的变化图。
在上述图表中应同时记入开挖、喷射混凝土、锚杆施工工序和时间,并将位移警戒线和极限值算出来。
将每日的记录汇入日报表,整理的图表应及时进行数据处理或回归分析,推求最终位移和位移变化规律,以便指导施工。
八、拱顶下沉量测
隧道拱顶内壁的绝对下沉量称为拱顶下沉值。
对于埋深较浅、固结程度低的地层,水平成层的隧道,这项量测比收敛量测更为重要,其量测数据是确认围岩的稳定性,判断支护效果,指导施工工序,预防拱顶崩塌,保证施工质量和安全的最基本的资料。
除仪器选择、测点布置外,断面间距、量测频率、量测点埋设等均与洞室周边位移量测相同。
目前隧道拱顶下沉量测多采用精密水准仪来量测拱顶下沉,本项目拟进场的拱顶下沉量测仪器见下表。
表8-1拱顶下沉量测仪器表
仪器名称
规格型号
产地
单位
数量
精密水准仪
徕卡NA2
瑞士
台
尼康NA2
日本
每个断面布置3个测点,测点设在拱顶中心及两边2.5m处,见两侧断面不知图。
2、量测方法及要求
将钢尺或水准尺挂在拱顶测点上,读取读数。
如用水准仪进行观测,后视点可设在稳定水准点或衬砌上,读取标尺读数作为后视读数。
下图为拱顶下沉观测示意图。
图中实线为前次观测的情形,虚线为后次观测的情形;
图8.1水准仪观测拱顶下沉示意图
P为前次观测时钢尺上的前视点,Pˊ为后次观测时P点在垂直方向上移到的位置。
设第一次读数后视点读数为A1,前视读数为B1;
第二次后视点读数为A2,前视读数为B2。
拱顶变位计算方法如下:
⑴差值计算法:
钢尺和水准尺均正立(即读数上小下大)。
后视读数差A=A2-A1
前视读数差B=B2-B1
拱顶变位值C=B-AC>
0拱顶上移;
C<
0拱顶下沉。
⑵水准计算法:
通过计算前后两次拱顶测点的高程差来求拱顶的变位值。
钢尺读数上小下大,标尺读数下小上大,标尺基准点标高假定为K0。
第一次拱顶标高Kd1=K0+A1+B1
第二次拱顶标高Kd2=K0+A2+B2
拱顶变位值C=Kd2-Kd1=A2-A1+B2-B1
C>
0拱顶上移;
0拱顶下沉。
观测基准点应设在距离观测点3倍洞径的稳定点处;
拱顶下沉量测断面间距、量测频率、初读数的测取等同收敛量测;
量测精度为±
1mm;
量测时间应延续到拱顶下沉稳定后。
3、原始记录和量测资料整理
量测的原始记录与收敛量测相同,用下沉量、下沉速度的时间关系图来表示(记录表见附表“施检表61”)。
拱顶下沉值主要用于确认围岩的稳定性,尤其是事先预报拱顶崩塌;
其方法与收敛量测相同,一般而言,两者随时间变化规律是一样的(崩塌或浅埋除外)。
九、地表下沉量测
通常情况下,浅埋隧道的拱顶下沉及地表下沉是判断围岩是否稳定的重要标志。
拱顶下沉会向上传至地表,地表测点的下沉值一般比拱顶点的下沉值要小,而且滞后于拱顶下沉一段时间。
但当隧道埋深很浅、围岩又破碎时,地表下沉值接近于拱顶下沉值而形成整体下沉。
该项监测的目的是为了掌握隧道进口及冲沟浅埋地段因隧道开挖引起的地表下沉情况
地表下沉量测的设计包括:
仪器选择、断面布置、量测频率、测点布置、量测点埋设。
本项目拟用精密水准仪与拱顶下沉采用的相同,并备有铟钢尺,可满足量测精度±
1mm的要求。
地表下沉量测断面主要布置在隧道进出口浅埋段,一般垂直隧道轴线布置一条横向量测线,宜与洞内周边收敛量测和拱顶下沉量测在同一个横断面内。
必要时沿隧道轴线加设一条纵向量测线。
横向量测线的测点布置以线路中心线为中心,左右对称不等距布置(中线附近密些),间距为2~5m;
一般布置15个测点。
纵向量测线的测点,沿线路中心线每5~20米布置一个。
在地表沉降区以外,至少布置2个基准测点,作为地表沉降量测的参考点,在测点布置时还应考虑地表是否有高压线塔,有的话应在高压线塔台座四个角各布置一个点作为高压线塔的沉降观测点,观测方法同地表沉降。
地表下沉量测应从开挖工作面前方两倍开挖宽度开始,直到衬砌结构封闭,下沉基本停止时为止。
量测频率可与拱顶下沉和周边收敛的量测频率相同,并满足下表所列要求。
表9-1地表沉降量测频率表
开挖面距量测面前后距离
量测频率
小于2倍开挖宽度
小于5倍开挖宽度
1次/3天
大于5倍开挖宽度
先用水准仪测量两个基准点的高差,如无异常,从新架设水准仪,分别测出各测点与基准点的高差,与初次量测结果对照便可得出本次量测出的地表下沉量。
两个基准点的高程最好与水准网联测,以便当基准点遭破坏时可以恢复。
3、原始记录和量测资料处理
原始记录表可参考收敛或拱顶下沉记录表,但注意在整理资料时,应将“纵向下沉-时间”曲线和“横向下沉-时间”曲线分别作出。
最大下沉量的控制标准根据地面结构的类型和质量要求而定,大约1~2cm;
在弯变点的地表倾斜应小于结构的要求,一般应小于1/300。
根据回归分析,如果地表下沉量超过上述标准,应采取措施。
十、量测数据处理与应用
1、a、现场量测应及时根据两侧数据绘制净空水平收敛,拱顶下沉时态曲线及净空水平收敛,拱顶下沉距开挖工作面距离的关系图。
b、围岩及支护的稳定性应根据开挖工作面的状态,净空水平收敛值及拱顶下沉量的大小和速率综合判定,当位移速到无明显下降,或者支护混凝土表面已出现明显裂缝时,必须立即采取补强措施,并改变施工方法或设计参数。
c、浅埋偏压地段,根据隧道顶部地表沉降及拱顶沉降量测值对土体内部垂直位移进行回归分析,求出量测断面的沉降稳定值。
d、量测过程中若发现地表位移过大或下沉速度无稳定趋势时,应通知设计单位对隧道支护参数及时进行调整及补强。
2、数据分析
由于量测误差所造成的离散性,按实测数据所绘制的位移等物理量随时间或空间变化的散点图上下波动,很不规则,难以用来分析。
需要采用数学处理的方法,将实测数据整理成实验曲线或经验公式。
回归分析是目前量测数据处理的主要方法,通过对量测数据回归分析可以预测最终值和各阶段的变化速率。
常用的回归曲线方程有以下几种:
①对数函数
②指数函数
③双曲函数
—位移值(mm);
A、B―回归系数;
t―量测时间(d);
t0―测点初读数时距开挖时的时间(d);
T―量测时距开挖时的时间(d);
3、根据最大位移值进行施工管理
实测位移值不应大于隧道的极限位移,一般情况下,隧道设计的预留变形量作为极限位移,设计变形量应根据监测结果不断修正。
结合现场量测数据,可按下表进行量测管理和指导施工。
表10-1位移量测数据管理等级
管理等级
管理位移值
施工状态
Ⅲ
U<
Uo/3
可以正常施工
Ⅱ
Uo/3≤U≤2Uo/3
应加强支护
Ⅰ
U>2Uo/3
应采取特殊的措施
注:
U—实测位移值;
Uo—最大允许位移值。
a.当量测位移U小于Un/3,表明围岩稳定,可以正常施工。
b.当量测位移U大于Un/3并小于2Un/3时,表明围岩变形偏大,应密切注意围岩动向,可采取一定的加强措施,如加密、加长锚杆等措施。
c.当量测位移U大于2Un/3时,表明围岩变形很大,应先停止掘进,并采取特殊的加固措施,如超前支护、注浆加固等。
d.实测最大位移值或预测最大位移值不大于2Un/3时,可认为初期支护达到基本稳定。
4、根据位移速率进行施工管理
a.当位移速率大于1mm/d时,围岩处于急剧变形阶段,应密切关注围岩动态。
b.当位移速率在1~0.2mm/d之间时,围岩处于缓慢变形阶段。
c.当位移速率小于0.2mm/d时,围岩已达到基本稳定,可进行二次衬砌作业。
5、根据位移时态曲线进行施工管理
a.每次量测后应及时整理数据,绘制时态曲线。
b.当位移速率很快变小,时态曲线很快平缓,如图(a),表明围岩稳定性好,可适当减弱支护。
c.当位移速率逐渐变小,即d2u/dt2<0,时态曲线趋于平缓,如图(b),表明围岩变形趋于稳定,可正常施工。
d.当位移速率不变,即d2u/dt2=0,时态曲线直线上升,如图(c),表明围岩变形急剧增长,无稳定趋势,应及时加强支护,必要时暂停掘进
e.当位移速率逐步增大,即d2u/dt2>0,时态曲线出现反弯点,如图(d),表明围岩已处于不稳定状态,应停止掘进,及时采取加固措施。
十一、二次衬砌的施作条件
a、各测试项目的位移速率明显收敛,围岩基本稳定。
b、已产生的各项位移已达预计总位移量的80%~90%。
c、周边位移速率小于0.1~0.2mm/d,或拱顶下沉速率小于0.07~0.15mm/d。
周边位移速率与拱顶下沉速度,从安全考虑,是指至少7d的平均值,总位移值可由回归分析计算取得。
十二、现场监控量测组织机构
1、施工监控量测需在业主的统一协调下,充分发挥监理、设计和施工单位的协作精神,共同按施工规范和规程要求指导隧道结构的施工,才能保证达到预期的目的。
为此,建议由业主牵头,组织协调各方关系,共同解决施工过程中技术问题,组织机构及监控量测信息流程见图3、图4。
十三、监控量测工作安排
1、监控量测工作安排
施工监控量测工作进度与隧道施工进度紧密相关,要根据施工顺序步骤,对隧道进行监测工作。
监控量测设备的准备、标定及本隧道监控量测的相关准备工作,对监控量测方案进行细化。
表13-1监控工作日程安排表
工作阶段
工作内容
项目总体规划及测试设备的准备
对监控量测方案进行细化,
编写施工监控量测实施细则计划
测试设备的安装
仪器安装与调试
准备监控量测必要的数据及相关工作
施工过程的监控
隧道内目测观查
施工过程围岩稳定性预测分析
施工过程支护稳定性预测分析
进行阶段性监控量测结论的汇报
完成监控工作
提交监控量测总报告
及时反馈
建设单位
施工监控测试
技术顾问组
计算、分析组
测试组
图3组织机构关系图
图4隧道施工监控量测与反馈流程图
2、监控量测主要人员
表13-2监控量测主要人员一览表
姓名
性
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