穿越高速公路鐵路淺埋隧道管棚施工監(jiān)測技術
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)，設計為雙線隧道，隧道全長8.8km。晉祠隧道在DK17+560～DK17+700下穿大運高速公路，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、粉質黏土、粉砂、細砂、中砂等。隧道埋深淺，覆土厚度5米左右，地下水位高，并且大運高速交通繁忙，車流量較大，重載貨運汽車多。為了保證隧道施工和高速公路運營的安全，施工采用φ159長140米雙層大管棚超前預支護，CRD工法開挖，在大管棚支護作用下，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測及時分析隧道支護結構的受力及變形情況，并根據(jù)分析結果優(yōu)化隧道設計并指導施工。
因此，在施工過程中對大管棚的受力狀態(tài)進行監(jiān)測，對指導大管棚施工具有重要意義。本項目施工監(jiān)測主要測試內容包括：地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂、管棚變形和受力、初期支護內力等。
二、現(xiàn)場施工情況
根據(jù)工程地質、水文地質、施工場區(qū)環(huán)境等具體情況，確保管棚打設質量，并結合以往施工經驗，采用φ159×8mm鋼管做鉆具，前端裝有導向探頭的導向專用鉆頭，采用泥漿護壁，利用有線導向儀監(jiān)控，隨鉆進加尺（方位、角度發(fā)生變化時，隨時修正），將管棚依次打入。同時將鋼管接口焊接嚴密，直至達到設計長度。
三、 施工監(jiān)測方案
1、地表沉降量測
根據(jù)設計規(guī)范要求，在高速公路上布設測量點，如圖2。在隧道出口下穿大運高速淺埋段沿高速公路方向選2個典型量測斷面，DK17+653斷面布置在高速公路大里程方向外側路肩上，DK17+607斷面布置在高速公路小里程方向外側路肩上，測點布置如圖3。在量測之前，首先在影響區(qū)之外選一個牢固的基準點，然后在DK17+653和DK17+607斷面埋設地表沉降測樁，測樁采用Φ16×800mm鋼筋制作而成，并埋設牢固。DK17+653和DK17+607斷面均布置17個測點，測點位置距中心點距離分別為2m、2m、2m、3m、3m、4m、4m、5m。
地表沉降采用精密水準儀（精度0.1mm）及水準尺進行量測，DK17+653和DK17+607斷面均在管棚施工完畢后進行初次量測，當隧道掌子面開挖至量測斷面前20m處時，開始進行密集量測，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。
2、拱頂沉降量測
隧道已開挖并作初期支護之后，先用小型鉆機在測部位鉆孔，然后將帶有反光片的測樁放入孔內，用膨脹螺栓固定測樁，在易破壞位置用紅色油漆做好標記，并在測樁頭設保護罩，防止反光片被噴射的混凝土覆蓋，測點布置如圖4。采用精密全站儀從洞外或洞內穩(wěn)定點將基準點轉點至量測斷面附近（如圖5），通過全站儀測得測樁反光片中心點讀數(shù)P，由此可得拱頂對基準點的相對高程A，相隔一定時間后用同樣的方法可得拱頂?shù)南鄬Ω叱藺′，則A- A′即為該段時間的拱頂沉降值。
3、周邊收斂量測
隧道開挖后，分別在一、二、三和四部設置測樁，測樁埋設方法與拱頂下沉測樁埋設方法相同。為便于進行數(shù)據(jù)分析，周邊收斂與拱頂下沉測樁布置在同一斷面。由于隧道開挖采用CRD法，因此需布設四條量測基線，其中S11-S12基線在一部開挖后布設，主要量測一部開挖后圍巖及支護的變形；二部開挖后需及時在同一斷面布設S21-S22基線，主要量測二部開挖后圍巖及支護變形。相應的，S31-S32基線在三部開挖后布設，主要量測三部開挖后圍巖及支護的變形；四部開挖后需及時在同一斷面布設S41-S42基線，主要量測四部開挖后圍巖及支護變形。
采用SL-2型鋼尺收斂計進行量測，量測時先將收斂計百分表讀數(shù)預調到25-30mm位置，然后收緊鋼尺，將銷釘插入鋼尺適當?shù)男】變?，轉動調節(jié)螺母，使鋼尺收緊到觀測窗中的讀數(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點長度，每次量測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
在隧道拱頂鋼管內布置水平測斜管以及相鄰的鋼管內布置鋼筋計，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制，鋼管編號為W1和W2，如圖6。W1鋼管內置60m長的水平測斜管，量測儀器采用CX-8000S型水平測斜儀，如圖7。管棚打設結束后，把帶有導輪的套圈固定在水平測斜管上，每2m設置一個，作用是定位并方便推入測斜管。在測斜管最遠端（底部）安裝一個定滑輪，在測斜管內用一130m鋼絞線繞過定滑輪，在推入測斜管過程中，定位鋼絞線，使其一端在左側，一端在右側，目的是避免鋼絞線在管內纏繞在一起。注漿之前預先用錨固劑錨固測斜管，并在注漿后用清水清洗測斜管內部，防止水泥漿涌入測斜管造成漿液凝固后填充導槽，無法準確量測讀數(shù)。W2鋼管鋼筋計布置在距洞口大約6.5m、12.5m、18.5m、24.5m、30.5m、36.5m處，如圖8。預先制作一帶有導輪的鋼筋籠，鋼筋籠長6m。推入帶有鋼筋計的鋼筋籠，每6m焊接一對鋼筋計，鋼筋計采用GJJ-10系列振弦式鋼筋測力計，分上、下部，并進行編號。元件測線從鋼管內穿出直至管口，用錨固劑錨固之后并注漿，然后根據(jù)隧道施工進度按一定的頻率測量讀數(shù)，以便分析各部開挖對隧道圍巖的影響，并評價管棚支護效果。
5、初期支護內力量測
初期支護內力量測包括剛支撐內力量測、臨時中隔墻量測和臨時仰拱量測，如圖10。鋼支撐內力量測采用型號為EBJ-58的表面應變計進行量測，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，每個部位焊接一對，并對稱布置，分別焊接在工字鋼的上下腿部內側。在臨時中隔墻和臨時仰拱封閉成環(huán)以后，焊接表面應變計，焊接方法同上。安裝結束后，測量初始應變值，一方面檢查應變計是否損壞；另一方面與標定值相比較，調整初始值。測線順著鋼拱架引到方便量測處，并做好保護測線工作，待噴射混凝土施工后讀取初值，并按照一定的頻率進行量測讀數(shù)，頻率隨施工工序可做相應調整。
四、 監(jiān)測結論
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，曲線的凹槽分布不斷向前、向下移動，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時，管棚處于最不利的受力狀態(tài)，施工時，應及時施作初期支護，并封閉成環(huán)。隨著隧道的逐步開挖，累計沉降逐步增大，最終達到最大值。
2、管棚主要作用是超前預支護和控制地表沉降，當隧道的初期支護完成后，管棚與鋼拱架、噴射混凝土共同作用保證隧道的穩(wěn)定。
3、在管棚支護下進行隧道CRD工法開挖，通過對地表沉降、拱頂沉降、初期支護和二次襯砌內力以及圍巖壓力的監(jiān)測，說明采用CRD工法施工能夠保證隧道的安全。在拱腳位置，應力變化較大，在施工時，應及時施作仰拱。
五、結束語：
綜合理論分析、現(xiàn)場試驗的結果，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上；通過在實際的監(jiān)測數(shù)值，表明管棚可有效的抑制地表沉降和初期支護的變形，同時在隧道開挖過程中保持掌子面的穩(wěn)定。
