中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
高速公路隧道已廣泛采用新奧法設(shè)計(jì)與施工,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是新奧法設(shè)計(jì)與施工的重要組成部分。通過(guò)對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè),可預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)圍巖變化,優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工,確保隧道施工安全,使工程投資 經(jīng)濟(jì) 合理。通過(guò)對(duì)濟(jì)邵高速公路喬莊隧道的拱頂下沉、水平收斂、地表沉降、噴層應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)力等多項(xiàng)涉及圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)合理與否的參數(shù)進(jìn)行跟蹤量測(cè), 實(shí)時(shí)確定了合理的二次襯砌施工時(shí)間,成功避免了施工中重大安全事故的發(fā)生,確保了隧道施工安全和質(zhì)量,對(duì)隧道施工具有指導(dǎo)意義。
高速公路項(xiàng)目的喬莊隧道穿過(guò)黃土狀亞粘土、砂巖和泥質(zhì)粉砂巖的強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化層，圍巖強(qiáng)度較低，遇水易軟化，節(jié)理裂隙發(fā)育，隧道兩端洞口埋深較淺，自穩(wěn)能力差，嚴(yán)重威脅著施工安全。在施工的過(guò)程中,對(duì)圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移進(jìn)行了跟蹤監(jiān)控,獲得了大量的原始數(shù)據(jù),且都及時(shí)反饋于施工中,為在不同圍巖情況下實(shí)施不同的施工方法提供了 科學(xué) 依據(jù),為安全順利的施工提供了保障。
1．工程概況
1.1 概況
濟(jì)（源）邵（原）高速公路工程?hào)|起河南省濟(jì)源市軹城鎮(zhèn)耿章村附近，與二（連浩特）廣（州）高速公路濟(jì)源至洛陽(yáng)段連接，大致平行省道溫邵線（S312），路線沿濟(jì)源市南部山嶺向西，經(jīng)軹城鎮(zhèn)、承留鎮(zhèn)、大峪鎮(zhèn)、王屋鄉(xiāng)、下冶鄉(xiāng)、邵原鎮(zhèn)，止于河南省濟(jì)源市與山西省陽(yáng)城縣交界處的西陽(yáng)河，接山西省運(yùn)城市境內(nèi)規(guī)劃的東（鎮(zhèn)）蒲（掌）高速公路，路線全長(zhǎng)約59.771km，是河南省高速公路規(guī)劃網(wǎng)中的省級(jí)干線公路，也是河南省西北部通往山西省的主要出口路之一。
喬莊隧道是濟(jì)邵高速公路的重點(diǎn)控制工程之一，隧道進(jìn)洞口位于濟(jì)源市王屋鄉(xiāng)喬莊村，出口位于王屋鄉(xiāng)官地村，屬侵蝕剝蝕低山丘陵區(qū)（Ⅱ）。隧道軸線通過(guò)處最高海拔約588m，最大相對(duì)高差約130m。山體走向近東西向。覆蓋黃土狀亞粘土，局部出露新第三系洛陽(yáng)組（N1l）未膠結(jié)礫巖和三疊系二馬營(yíng)組（T2er）粉砂質(zhì)泥巖。隧道為單向分離式單向行車雙車道隧道，左線全長(zhǎng)1970m， = 4 \* ROMAN IV級(jí)圍巖1660m， = 5 \* ROMAN V級(jí)310m；右線全長(zhǎng)1920m， = 4 \* ROMAN IV級(jí)圍巖1540m， = 5 \* ROMAN V級(jí)380m。隧道凈寬10.25m，凈高5.0m，斷面凈空面積65.24m2。
1.2水文地質(zhì)條件
隧道穿越低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，地表逕流條件好，地表水除部分滲入地下外，多數(shù)以地表逕流的形式從溝谷中排泄到區(qū)外水系中?？傮w來(lái)說(shuō)，隧道區(qū)地下水水量貧乏，主要為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，水質(zhì)類型為HCO3—Ca、HCO3—Ca·Mg型。
1.3施工方法
Ⅴ級(jí)圍巖采用管棚注漿或小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)留核心土環(huán)狀開挖法施工，人工開挖或弱爆破開挖。Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法施工。
2．監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容及斷面布置
2．1量測(cè)內(nèi)容及量測(cè)頻率
隧道監(jiān)控量測(cè)工作內(nèi)容,可分為直接指導(dǎo)工程施工的必測(cè)項(xiàng)目和進(jìn)行科學(xué)研究的選測(cè)項(xiàng)目?jī)刹糠謨?nèi)容,其兩者是相輔相成的。必測(cè)項(xiàng)目中的量測(cè)數(shù)據(jù),有的可以直接為隧道施工服務(wù),如地表沉降量測(cè),有的是通過(guò)利用類比的方法判別承載結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定,如拱頂下沉、周邊位移。選測(cè)項(xiàng)目是著重對(duì)承載結(jié)構(gòu)內(nèi)部各種作用機(jī)理可以量化的部分得出相關(guān)數(shù)據(jù),為以后理論研究提供原始數(shù)據(jù),同時(shí)為評(píng)價(jià)承載結(jié)構(gòu)受力狀況提供 參考 。
根據(jù)喬莊隧道的地質(zhì)、水文特性以及施工要求，量測(cè)內(nèi)容的重點(diǎn)除了規(guī)范規(guī)定的4項(xiàng)必測(cè)內(nèi)容之外根據(jù)研究的需要,進(jìn)行了初期支護(hù)的噴射混凝土層應(yīng)力和鋼拱架應(yīng)力的量測(cè)工作，另外，由于隧道的兩端洞口圍巖均為 = 5 \* ROMAN V級(jí)，圍巖強(qiáng)度底，自穩(wěn)能力差，巖性變化大，如施工工藝不當(dāng)易造成圍巖失穩(wěn)，因此在隧道洞口進(jìn)行了地表沉降的量測(cè)。
2.2 量測(cè)斷面的布置
代表性斷面以及測(cè)點(diǎn)的布設(shè)的選取，是監(jiān)控量測(cè)的首要工作。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》TJT042-94要求，在施工過(guò)程中，按照10－50m的標(biāo)準(zhǔn)選定斷面，以及拱頂，拱肩，施工地板上1.5m等典型位置布置測(cè)點(diǎn)。喬莊隧道設(shè)計(jì)中將拱頂下沉和圍巖凈空收斂量測(cè)的斷面間距初步定為， = 5 \* ROMAN V級(jí)和 = 4 \* ROMAN IV級(jí)均為20m；根據(jù)隧道圍巖的實(shí)際情況確定了兩個(gè)安裝斷面進(jìn)行初期支護(hù)的噴射混凝土層和鋼拱架應(yīng)力量測(cè)；對(duì)于隧道洞口地段，由于覆蓋層小于40m，而且圍巖類別較低，埋設(shè)了地表沉降觀測(cè)斷面，其布點(diǎn)均按規(guī)范進(jìn)行。
3．?dāng)?shù)據(jù)的采集與分析
為了能對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的性態(tài)作較全面的分析,并且能獲得完整的數(shù)據(jù),同時(shí)又使各項(xiàng)數(shù)據(jù)間能相互比較、相互驗(yàn)證,因此必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目的各項(xiàng)量測(cè)內(nèi)容應(yīng)盡量布置在同一個(gè)斷面上。各量測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)應(yīng)在靠近開挖面及時(shí)安裝，范圍控制在2m以內(nèi)，并在工作面開挖后12ｈ內(nèi)和下一次開挖之前測(cè)取初始讀數(shù)。在實(shí)際的安裝埋設(shè)中，有時(shí)因?yàn)槭┕じ蓴_或避免測(cè)點(diǎn)遭到破壞，測(cè)點(diǎn)安裝位置會(huì)離開挖面遠(yuǎn)些，此時(shí)在利用此數(shù)據(jù)分析判別時(shí)，應(yīng)考慮圍巖初期的變形釋放。量測(cè)頻率也可以根據(jù)施工具體情況調(diào)整,由產(chǎn)生的最大位移速率來(lái)確定。喬莊隧道已測(cè)數(shù)據(jù)表明,量測(cè)時(shí)間以30～50ｄ為宜。
3．1隧道拱頂下沉及凈空收斂量測(cè)
隧道拱頂是隧道周邊上的一個(gè)特殊點(diǎn)，其位移情況具有較強(qiáng)的代表性，通過(guò)對(duì)隧道拱部下沉的絕對(duì)值量測(cè),了解斷面變形情況、判斷拱頂?shù)姆€(wěn)定性,該手段是防止塌方的有效措施之一，因此應(yīng)加強(qiáng)拱頂位移的監(jiān)測(cè)；洞內(nèi)凈空位移收斂量測(cè)是目前洞內(nèi)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容之一,因?yàn)橹苓呂灰剖撬淼绹鷰r應(yīng)力狀態(tài)變化的最直觀反映,量測(cè)周邊位移可為判斷隧道空間的穩(wěn)定性提供可靠的信息，而且還可以根據(jù)變位速率判斷隧道圍巖的穩(wěn)定程度，為二次襯砌提供合理的支護(hù)時(shí)機(jī)。
3．2 隧道內(nèi)目測(cè)觀察及錨桿抗拔力檢測(cè)
通過(guò)肉眼觀察、地質(zhì)錘和地質(zhì)羅盤測(cè)量,描述和記錄圍巖地質(zhì)情況、巖層產(chǎn)狀、斷層破碎帶、褶皺、地下水及支護(hù)效果,對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),判斷圍巖類別是否與設(shè)計(jì)相符,必要時(shí)拍照,測(cè)量地下水流量,每一量測(cè)斷面要有一張記錄表并填圖。
通過(guò)錨桿抗拔力檢測(cè),可以測(cè)定錨桿的錨固力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,判斷所使用的錨桿長(zhǎng)度是否適宜以及檢查錨桿安裝質(zhì)量。采用快速量測(cè)法,使用設(shè)備為ＭＬ型錨桿拉力計(jì),檢測(cè)值根據(jù)設(shè)計(jì)要求的錨固力不小于50KN作為標(biāo)準(zhǔn),采用非破壞性試驗(yàn)。
3．3地表沉降觀測(cè)
喬莊隧道入口為 = 5 \* ROMAN V級(jí)圍巖，隧道埋深較淺，圍巖穩(wěn)定性差，在隧道入口地段（ZK42+358～ZK42+365）共埋設(shè)地表下沉測(cè)點(diǎn)7個(gè),具體布置見圖2，測(cè)點(diǎn)間距為2～5m。用水準(zhǔn)儀和塔尺進(jìn)行地表下沉的觀測(cè),歷時(shí)65天，從獲取的量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,最大值為2ｍｍ,考慮測(cè)量誤差,地面無(wú)明顯沉降，不會(huì)對(duì)洞室周圍建筑物產(chǎn)生大的影響。
3．4噴射混凝土層和鋼拱架應(yīng)力量測(cè)
喬莊隧道出入洞口為 = 5 \* ROMAN V級(jí)圍巖，其余為 = 4 \* ROMAN IV級(jí)圍巖。各級(jí)圍巖地段的初期支護(hù)形式如表3 所示。 根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，在喬莊隧道左線選取了兩個(gè)斷面進(jìn)行初期支護(hù)的應(yīng)力量測(cè)（ZK42＋665，ZK42＋798）。選取的兩個(gè)斷面中，ZK42＋665斷面埋深為58m，地表處于一個(gè)大的沖溝范圍內(nèi)，地形呈左高右低走勢(shì)，存在偏壓現(xiàn)象。該斷面附近洞段巖性主要為泥巖和泥質(zhì)粉砂巖互層，巖體呈典型的塊碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理裂隙普遍發(fā)育，同時(shí)隧道內(nèi)有大量的地下水滲入，與設(shè)計(jì)圖紙中的“隧道區(qū)地下水水量貧乏”地質(zhì)情況不符，施工中時(shí)有掉塊現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性較差，因而該斷面在隧道軟弱圍巖段中具有典型代表性。
采用XJH-2型振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)和XJD-2(B)型鋼板應(yīng)變計(jì)分別進(jìn)行噴射混凝土層和鋼拱架應(yīng)力量測(cè)。在初期支護(hù)的施工過(guò)程中，先將混凝土應(yīng)變計(jì)布置在噴射混凝土層的兩側(cè)，將鋼板應(yīng)變計(jì)焊接在測(cè)試鋼拱架的上下翼緣，待初期支護(hù)完畢后采用PZX-1型振弦頻率檢測(cè)儀進(jìn)行量測(cè)。
從量測(cè)的數(shù)據(jù)可以看出，初期支護(hù)的受力狀態(tài)與實(shí)際相吻合，且初期支護(hù)的應(yīng)力偏大，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。鑒于該支護(hù)體的實(shí)際受力情況，為保證施工安全，對(duì)后序施工采用淺眼爆破，控制總藥量，延長(zhǎng)注漿持壓時(shí)間等措施，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)的頻率。當(dāng)施工到ZK42+672時(shí)，圍巖條件依舊很差，而且裂隙水多，滲水嚴(yán)重，開挖后坍塌掉塊嚴(yán)重，在隧道拱頂左側(cè)形成一個(gè)64m3左右的錐形坍塌空間。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及實(shí)際地質(zhì)情況綜合分析后，采取對(duì)坍塌空間用噴砼（分層）＋錨桿（多層）＋鋼筋網(wǎng)（多層）形式回填處理，對(duì)后續(xù)圍巖較差地段按Ⅴ級(jí)圍巖（原設(shè)計(jì)為Ⅳ圍巖）初期支護(hù)的施工方案，并采用注漿小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明：加強(qiáng)初期支護(hù)后，數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，截至斷面ZK42＋686，施工安全渡過(guò)破碎帶，初期支護(hù)又調(diào)整為Ⅳ級(jí)圍巖支護(hù)。
5．結(jié) 論
由于隧道工程的特殊性、復(fù)雜性和隧道圍巖的不確定性，對(duì)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)是保證隧道工程質(zhì)量、安全的必不可少的手段。通過(guò)量測(cè)，及時(shí)對(duì)喬莊隧道個(gè)別圍巖失穩(wěn)趨勢(shì)的區(qū)段提供了預(yù)報(bào)，為施工單位及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)以及合理確定二次襯砌時(shí)間提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。通過(guò)大量量測(cè)發(fā)現(xiàn)隧道開挖及初期支護(hù)后大約30d圍巖基本上穩(wěn)定，于是建議施工單位及時(shí)施作二次襯砌。同時(shí)由于監(jiān)控措施得當(dāng)，及時(shí)的指導(dǎo)施工和修改設(shè)計(jì)，從而保證了隧道施工的安全、 經(jīng)濟(jì) 、收到了良好的效果。但由于監(jiān)控量測(cè)工作是一項(xiàng)具體而又復(fù)雜的工作，在實(shí)際過(guò)程中尚需不斷積累經(jīng)驗(yàn)和完善相關(guān)理論，因此，對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)及數(shù)據(jù)的整理分析及應(yīng)用應(yīng)該做好以下幾點(diǎn)：
（1） 監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容的選擇，量測(cè)斷面位置選擇和量測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置；
（2） 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的采集和施工狀態(tài)變化情況緊密結(jié)合，分析數(shù)據(jù)變化和施工狀態(tài)的關(guān)系；
（3） 量測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，量測(cè)數(shù)據(jù)變化的準(zhǔn)確分析和判斷，量測(cè)信息的及時(shí)反饋，指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工和修改支護(hù)參數(shù)；
（4） 通過(guò)監(jiān)控量測(cè)保證隧道安全，預(yù)防隧道塌方。
