穿越高速公路鐵路淺埋隧道管棚施工監(jiān)測(cè)技術(shù)
2015-05-29
一、工程概況
太原樞紐西南環(huán)線鐵路晉祠隧道位于山西省太原市晉源區(qū)，設(shè)計(jì)為雙線隧道，隧道全長8.8km。晉祠隧道在DK17+560～DK17+700下穿大運(yùn)高速公路，隧道與高速公路的斜交角度為40度，該段巖性為非自重濕陷性黃土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂等。隧道埋深淺，覆土厚度5米左右，地下水位高，并且大運(yùn)高速交通繁忙，車流量較大，重載貨運(yùn)汽車多。為了保證隧道施工和高速公路運(yùn)營的安全，施工采用φ159長140米雙層大管棚超前預(yù)支護(hù)，CRD工法開挖，在大管棚支護(hù)作用下，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及時(shí)分析隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形情況，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)并指導(dǎo)施工。
因此，在施工過程中對(duì)大管棚的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)指導(dǎo)大管棚施工具有重要意義。本項(xiàng)目施工監(jiān)測(cè)主要測(cè)試內(nèi)容包括：地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂、管棚變形和受力、初期支護(hù)內(nèi)力等。
二、現(xiàn)場(chǎng)施工情況
根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、施工場(chǎng)區(qū)環(huán)境等具體情況，確保管棚打設(shè)質(zhì)量，并結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，采用φ159×8mm鋼管做鉆具，前端裝有導(dǎo)向探頭的導(dǎo)向?qū)Ｓ勉@頭，采用泥漿護(hù)壁，利用有線導(dǎo)向儀監(jiān)控，隨鉆進(jìn)加尺（方位、角度發(fā)生變化時(shí)，隨時(shí)修正），將管棚依次打入。同時(shí)將鋼管接口焊接嚴(yán)密，直至達(dá)到設(shè)計(jì)長度。
三、 施工監(jiān)測(cè)方案
1、地表沉降量測(cè)
根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在高速公路上布設(shè)測(cè)量點(diǎn)，如圖2。在隧道出口下穿大運(yùn)高速淺埋段沿高速公路方向選2個(gè)典型量測(cè)斷面，DK17+653斷面布置在高速公路大里程方向外側(cè)路肩上，DK17+607斷面布置在高速公路小里程方向外側(cè)路肩上，測(cè)點(diǎn)布置如圖3。在量測(cè)之前，首先在影響區(qū)之外選一個(gè)牢固的基準(zhǔn)點(diǎn)，然后在DK17+653和DK17+607斷面埋設(shè)地表沉降測(cè)樁，測(cè)樁采用Φ16×800mm鋼筋制作而成，并埋設(shè)牢固。DK17+653和DK17+607斷面均布置17個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置距中心點(diǎn)距離分別為2m、2m、2m、3m、3m、4m、4m、5m。
地表沉降采用精密水準(zhǔn)儀（精度0.1mm）及水準(zhǔn)尺進(jìn)行量測(cè)，DK17+653和DK17+607斷面均在管棚施工完畢后進(jìn)行初次量測(cè)，當(dāng)隧道掌子面開挖至量測(cè)斷面前20m處時(shí)，開始進(jìn)行密集量測(cè)，直至洞口段二次襯砌施工完成、地表沉降穩(wěn)定后停止量測(cè)。
2、拱頂沉降量測(cè)
隧道已開挖并作初期支護(hù)之后，先用小型鉆機(jī)在測(cè)部位鉆孔，然后將帶有反光片的測(cè)樁放入孔內(nèi)，用膨脹螺栓固定測(cè)樁，在易破壞位置用紅色油漆做好標(biāo)記，并在測(cè)樁頭設(shè)保護(hù)罩，防止反光片被噴射的混凝土覆蓋，測(cè)點(diǎn)布置如圖4。采用精密全站儀從洞外或洞內(nèi)穩(wěn)定點(diǎn)將基準(zhǔn)點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)至量測(cè)斷面附近（如圖5），通過全站儀測(cè)得測(cè)樁反光片中心點(diǎn)讀數(shù)P，由此可得拱頂對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)高程A，相隔一定時(shí)間后用同樣的方法可得拱頂?shù)南鄬?duì)高程A′，則A- A′即為該段時(shí)間的拱頂沉降值。
3、周邊收斂量測(cè)
隧道開挖后，分別在一、二、三和四部設(shè)置測(cè)樁，測(cè)樁埋設(shè)方法與拱頂下沉測(cè)樁埋設(shè)方法相同。為便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，周邊收斂與拱頂下沉測(cè)樁布置在同一斷面。由于隧道開挖采用CRD法，因此需布設(shè)四條量測(cè)基線，其中S11-S12基線在一部開挖后布設(shè)，主要量測(cè)一部開挖后圍巖及支護(hù)的變形；二部開挖后需及時(shí)在同一斷面布設(shè)S21-S22基線，主要量測(cè)二部開挖后圍巖及支護(hù)變形。相應(yīng)的，S31-S32基線在三部開挖后布設(shè)，主要量測(cè)三部開挖后圍巖及支護(hù)的變形；四部開挖后需及時(shí)在同一斷面布設(shè)S41-S42基線，主要量測(cè)四部開挖后圍巖及支護(hù)變形。
采用SL-2型鋼尺收斂計(jì)進(jìn)行量測(cè)，量測(cè)時(shí)先將收斂計(jì)百分表讀數(shù)預(yù)調(diào)到25-30mm位置，然后收緊鋼尺，將銷釘插入鋼尺適當(dāng)?shù)男】變?nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺母，使鋼尺收緊到觀測(cè)窗中的讀數(shù)線與面板上刻度線成一直線為止，讀取鋼尺及百分表中的讀數(shù)，兩者之和即可得到測(cè)點(diǎn)長度，每次量測(cè)值之間的差值即為隧道的周邊收斂值。
4、管棚變形和受力量測(cè)
在隧道拱頂鋼管內(nèi)布置水平測(cè)斜管以及相鄰的鋼管內(nèi)布置鋼筋計(jì)，分析超長雙層大管棚在隧道開挖中的變形及管棚的受力機(jī)制，鋼管編號(hào)為W1和W2，如圖6。W1鋼管內(nèi)置60m長的水平測(cè)斜管，量測(cè)儀器采用CX-8000S型水平測(cè)斜儀，如圖7。管棚打設(shè)結(jié)束后，把帶有導(dǎo)輪的套圈固定在水平測(cè)斜管上，每2m設(shè)置一個(gè)，作用是定位并方便推入測(cè)斜管。在測(cè)斜管最遠(yuǎn)端（底部）安裝一個(gè)定滑輪，在測(cè)斜管內(nèi)用一130m鋼絞線繞過定滑輪，在推入測(cè)斜管過程中，定位鋼絞線，使其一端在左側(cè)，一端在右側(cè)，目的是避免鋼絞線在管內(nèi)纏繞在一起。注漿之前預(yù)先用錨固劑錨固測(cè)斜管，并在注漿后用清水清洗測(cè)斜管內(nèi)部，防止水泥漿涌入測(cè)斜管造成漿液凝固后填充導(dǎo)槽，無法準(zhǔn)確量測(cè)讀數(shù)。W2鋼管鋼筋計(jì)布置在距洞口大約6.5m、12.5m、18.5m、24.5m、30.5m、36.5m處，如圖8。預(yù)先制作一帶有導(dǎo)輪的鋼筋籠，鋼筋籠長6m。推入帶有鋼筋計(jì)的鋼筋籠，每6m焊接一對(duì)鋼筋計(jì)，鋼筋計(jì)采用GJJ-10系列振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)，分上、下部，并進(jìn)行編號(hào)。元件測(cè)線從鋼管內(nèi)穿出直至管口，用錨固劑錨固之后并注漿，然后根據(jù)隧道施工進(jìn)度按一定的頻率測(cè)量讀數(shù)，以便分析各部開挖對(duì)隧道圍巖的影響，并評(píng)價(jià)管棚支護(hù)效果。
5、初期支護(hù)內(nèi)力量測(cè)
初期支護(hù)內(nèi)力量測(cè)包括剛支撐內(nèi)力量測(cè)、臨時(shí)中隔墻量測(cè)和臨時(shí)仰拱量測(cè)，如圖10。鋼支撐內(nèi)力量測(cè)采用型號(hào)為EBJ-58的表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行量測(cè)，在隧道開挖并架立好鋼拱架之后、噴漿之前，在DK17+653.5斷面隧道的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和仰拱的鋼拱架上焊接表面計(jì)，每個(gè)部位焊接一對(duì)，并對(duì)稱布置，分別焊接在工字鋼的上下腿部?jī)?nèi)側(cè)。在臨時(shí)中隔墻和臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)以后，焊接表面應(yīng)變計(jì)，焊接方法同上。安裝結(jié)束后，測(cè)量初始應(yīng)變值，一方面檢查應(yīng)變計(jì)是否損壞；另一方面與標(biāo)定值相比較，調(diào)整初始值。測(cè)線順著鋼拱架引到方便量測(cè)處，并做好保護(hù)測(cè)線工作，待噴射混凝土施工后讀取初值，并按照一定的頻率進(jìn)行量測(cè)讀數(shù)，頻率隨施工工序可做相應(yīng)調(diào)整。
四、 監(jiān)測(cè)結(jié)論
1、隧道開挖過程中，管棚的撓度變形總體上呈凹槽形分布，隨著掌子面不斷向前推進(jìn)，曲線的凹槽分布不斷向前、向下移動(dòng)，管棚的變形逐步增大，位于隧道掌子面附近的管棚變形與受力最大，隧道已開挖但未支護(hù)時(shí)，管棚處于最不利的受力狀態(tài)，施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù)，并封閉成環(huán)。隨著隧道的逐步開挖，累計(jì)沉降逐步增大，最終達(dá)到最大值。
2、管棚主要作用是超前預(yù)支護(hù)和控制地表沉降，當(dāng)隧道的初期支護(hù)完成后，管棚與鋼拱架、噴射混凝土共同作用保證隧道的穩(wěn)定。
3、在管棚支護(hù)下進(jìn)行隧道CRD工法開挖，通過對(duì)地表沉降、拱頂沉降、初期支護(hù)和二次襯砌內(nèi)力以及圍巖壓力的監(jiān)測(cè)，說明采用CRD工法施工能夠保證隧道的安全。在拱腳位置，應(yīng)力變化較大，在施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)施作仰拱。
五、結(jié)束語：
綜合理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果，在隧道開挖中，管棚可將上部圍巖比較集中的荷載分散到掌子面前方的土體和初期支護(hù)上；通過在實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)值，表明管棚可有效的抑制地表沉降和初期支護(hù)的變形，同時(shí)在隧道開挖過程中保持掌子面的穩(wěn)定。
