大断面软弱围岩隧道防塌方实时监测预警标准研究.pdf

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2014年9月铁道工程学报Sep2014第9期(总192)JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYNO．9(Ser．192)文章编号：1006—2106(2014)09—0088—05大断面软弱围岩隧道防塌方实时监测预警标准研究马士伟韩学诠2廖凯杜俊(1．中铁西南科学研究院有限公司，成都611731；2．中国中铁股份有限公司，北京100039)摘要：研究目的：隧道事故统计分析表明，塌方发生数量和导致的人员伤亡远高于其他隧道灾害事故。在隧道施工中实现塌方前预警，可大大减少隧道塌方危害。而合理确定隧道塌方预警标准是实现软弱围岩隧道防塌方预警的关键，目前国内外未见成功的报道。因此，需要对隧道防塌方预警标准进行研究，以指导隧道安全施工。研究结论：(1)隧道变形量与水文地质条件、施工工法、施工进度等因素有关，目前规范中的标准值不适合直接应用于隧道塌方预警；(2)软弱围岩隧道防塌方实时监测不同于常规监测，关注的重点是拱顶相对于隧道底部或边墙的相对变形，因此采用相对变形量进行防塌方预警是可行的；(3)隧道防塌方实时监测预警基准值要根据目前规范位移限值、类似工程实测位移最大值和所在隧道工程实测数据综合确定；(4)现场试验表明，本文确定的隧道塌方预警基准值能满足隧道防塌方监测预警的需要，研究成果可应用于大断面软弱围岩隧道施工中。关键词：软弱围岩隧道；防塌方；实时监测；预警标准中图分类号：u456．3文献标识码：AWarningStandardsStudyofReal——timeMonitoringforAnti——collapseinLargeCross——sefctionTunnelofSoftandWeakSurroundingRockMAShi—wei，HANXue—quan，LIAOKai，DUJun(1．ChinaRailwaySouthwestResearchInstituteCo．Ltd，Chengdu，Sichuan610031，China；2．ChinaRailwayEngineeringCorporation，Beijing100036，China)Abstract：Researchpurposes：Thestatisticsfortunneldisastersshowedthatthequantitiesandcasualtiesoftunnelcollapsearemuchhigherthanothertunneldisasters．Achievedwarningbeforecollapseintunnelconstruction，cangreatlyreducethetunnelcollapsehazards．Thekeytoachieveanti—collapsewarninginsoftandweaksurroundingrocktunnelistoobtainanti—collapsewarningstandards．Therefore，itisnecessarytostudytunnelanti—collapsewarningstandardstoguidesafetunnelconstruction．Researchconclusions：(1)Deformationofthetunnelisrelevanttohydrogeologiealconditions，constructionmethod，constructionprogressandotherfactors．Curently，thestandardvaluesincriterionwerenotsuitablefortunnelcollapsewarning．(2)Itispracticabletoachieveanti—collapsemonitoringbyrelativedeformation，becauseanti—collapsereal——timemonitoringfocusedondomerelativedeformationdifferentlyfromroutinemonitoringinsoftandweaksuroundingrocktunne1．(3)Thereferencevalueoftunnelanti—collapsereal—timemonitoringisdeterminedbydisplacementlimitvalueincriterion，themaximumvalueofthemeasureddisplacementinsimilarprojectandthemeasureddataintunnelproject．(4)Thefieldexperimentindicatedthatthereferencevaluecouldmeettunnelanti—collapse收稿日期：2014—02一l0作者简介：马士伟，1975年出生，男，高级工程师。 第9期马士伟韩学诠廖凯等：大断面软弱围岩隧道防塌方实时监测预警标准研究89warning．Therefore，theresearchresultscaI1beappliedtolargecross—sectiontunnelofsoftandweaksurroundingrock．Keywords：softandweaksurroundingrocktunnel；anti—collapse；real—timemonitoring；warningstandards示。其中AB段为隧道开挖还没有到达量测断面时围1研究背景岩已经发生的变形，也叫预收敛；BC段为变形急剧由于隧道工程地质条件的复杂性和不可完全预知增长的阶段；CD段是稳定增长的阶段；D点支护是隧性，隧道施工过程中不可避免的会遇到塌方、涌水突道变形趋于稳定，是流变阶段。对于浅埋隧道，由泥、大变形等工程事故。而塌方是隧道施工中最常见于围岩自稳能力差，在BC段就应及时采取支护措施，的安全事故。根据隧道事故统计分析结果，近5年来避免变形过大造成塌方。隧道塌方占隧道事故总数的58％，由塌方引起的死亡人数占死亡总人数的69％，远远高于其他隧道灾害事故数。目前，国内学者对隧道塌方机理、施工安全监测进行了大量研究，并取得了一定成果。但对于软弱围岩隧道塌方实时监控预警方面，未见成功的应用报道。主要困难在于无法确定隧道塌方的预警标准和缺乏适应隧道恶劣环境的高性价比实施监测设备。因此，本时间，d文在国内外软弱围岩隧道塌方研究成果的基础上，提出软弱围岩隧道塌方实时监控预警标准，以实现隧道图1隧道变形阶段施工过程中的实时监测预警，对软弱围岩及其他不良从图1可以看出，我们施工中监测位移数据并不地质隧道安全施工提供一定的技术支持。是实际位移数据，还包括在开始监测点E前已经发生2隧道施工力学行为分析的变形，如AB和BE。当初始监测时刻靠前(s。较小)时，获得的位移数据较小；当初始监测时刻靠后(s。较2．1软弱围岩力学性质分析大)时，获得的位移数据较大。因此，从隧道防塌方实软弱围岩一般指强度不高、完整性不好、结构相对时预警的角度讲，初始监测时刻和预警基准值的确定松散、RQD值低的围岩。该类围岩力学性质较差，自非常关键。稳能力差⋯。隧道开挖后，原有的围岩结构和受力平衡被破坏，岩体在自身重力作用下进行应力重分布，形3软弱围岩隧道防塌方监测预警要求成新的应力平衡体系。若围岩强度低，结构松散，初期3．1监测数据采集传输的实时性支护不及时或支护强度不足，在重力、地应力等作用下目前，隧道变形监测通常采用全站仪，通过洞外引易发生隧道塌方事故。水准点到洞内，测到的是隧道开挖监测时刻后的绝对对于软弱围岩而言，不同岩土成分组成力学性能位移，根据地质情况每天测量1～2次。根据现场隧道相差很大。从隧道防塌方预警的角度而言，本文仅能施工条件，全站仪不可能长时间放置于掌子面附近。给出确定防塌方预警值的基本原则和确定方法，无法而软弱围岩隧道防塌方监测而言，需要实时监测，测量给出一个统一的具体标准，要根据工程所在地区的岩仪器长时间放在掌子面一定距离内(一般在掌子面性、埋深、地下水及施工方法等条件综合确定。我国是后、二次衬砌前的一段范围设置)，并实时将采集的数世界上隧道最多的国家，存在各种各样地质条件下的据传到洞外，进行判断预警。相应的实时监测仪器已不少大断面软弱围岩隧道J。此时的隧道防塌方预经由课题组开发出来并进行了现场试验。警值需要根据不同的地质条件、施工工法等确定才有3．2相对变形量作为防塌方预警标准的可行性实际意义。鉴于隧道内复杂的施工环境，目前设备条件下，既2．2隧道施工围岩变形特征分析要满足实时监测(时间间隔从5min到1h不等)，又隧道施工围岩变形时空效应包括变形的时间效应要获得绝对位移数据很难实现。在隧道防塌方预警研和空间效应。一般而言，隧道变形可划分为三个阶段，究中，拱顶沉降预警值采用相对位移，即拱顶相对于传即急剧变形阶段、稳定变形阶段和流变阶段，如图1所感器安设点隧道边墙的位移。 90铁道工程学报2014年9月3．2．1普通软弱围岩隧道极限值与大断面黄土隧道净空位移极值之间存在显著该地质条件下的隧道施工，隧道开挖后拱顶发生差异，规范值明显偏小，尤其是对垂直位移的控制要求沉降，边墙不发生沉降，此时拱顶相对于边墙的沉降与本工程实际差异显著。因此，对于大断面黄土隧道△拱墙即为绝对沉降△绱对。塌方预警标准的取值，在参考相关规范标准的基础上，3．2．2特殊地质(如黄土)隧道要以类似工程实测资料为基准进行制定。监测资料表明，特殊地质(如新黄土)隧道施工过第二种情况：针对一般地质条件下的大断面软弱程中，隧道拱顶和边墙都发生沉降，表现为施工过程中围岩隧道，建议按上述规范取值。隧道有整体沉降的现象J。此时拱顶绝对沉降为4．2．2类似工程实测位移最大值△拱，边墙绝对沉降为△墙，△拱墙=△拱一△墙。此时采用根据相关研究成果和类似工程经验，确定大断面△拱墙进行预警时，要考虑这种特殊地质条件下隧道整软弱隧道防塌方预警基准值。如研究报告通过对上百体沉降的影响。根据相关研究资料，建议△拱墙初始极个隧道断面监测数据分析，给出郑西客专大断面黄土限位移预警基准值采用△鞲的30％～50％进行预警，隧道施工监控管理的控制基准值：在浅埋V级围岩条并根据现场情况及时调整预警基准值。件下，黄土隧道拱部下沉最大下沉值为110—180mm，另外，软弱围岩隧道防塌方实时监测不同于隧道沉降速率30mm·d～。参考陕西境内秦东、潼洛川和施工过程中的常规监测，关注的重点是拱顶是否塌落。高桥三座隧道总计31个断面的净空位移的统计结果，而塌落发生的前提条件是拱顶相对于隧道底部或边墙在埋深大于30m的浅埋段，台阶法施工的Q砂质黄发生相对变形。只有有大的相对沉降的发生，拱顶才土隧道水平收敛最大值55—60mm，收敛速率10．4—会发生塌方。因此，采用相对沉降进行防塌方预警是14．0mnl·d～。可行的。4．2．3结合所在隧道工程实测数据根据所在工程的实测资料，结合施工管理水平，确4软弱围岩隧道防塌方监控预警标准定隧道防塌方预警基准值。该方法与隧道施工管理水4．1前规范规定平直接相联系，对确定隧道塌方预警基准值具有更直目前国内外关于隧道监测的规定较多。，如：接意义。《铁路隧道监控量测规程》(TB10121-2007)、《地下因此，对于大断面软弱隧道防塌方监测预警，监控铁道工程施工及验收规范》(GB50299-1999)、《公路的对象以位移为主，以拱顶沉降和边墙收敛为监}贝0重隧道施工技术规范》(JTJo42—1994)、日本的《日本隧点，以变形量和变形速率为监控指标。隧道防塌方基道标准规范(山岭篇)及解释》等规范资料分别给出了准值要结合规范位移限值、类似工程实测位移最大值隧道复合式衬砌初期支护量测控制标准和围岩稳定判和所在隧道工程实测数据综合确定。定条件等信息。这些判定信息大部分为施工监控量04．3大断面软弱隧道防塌方监控预警等级与标准数据的统计分析总结出来的经验值。但由于变形量或参考隧道防灾研究资料"J，并结合隧道防塌方预变形速率与施工工艺、施工水平、施工进度及初始监测警要求，防塌方预警等级和标准如表1所示。时机等均有关，相应规范中标准值很难直接应用于隧表1隧道防塌方预警等级与标准道坍塌预警。因此，针对不同地质条件下、不同施工工预警等级预警标准U预警响应法情况下的隧道，制定合理塌方预警标准是问题的1V(绿色模式)>2／3闪监光测频警率示，进一步加大隧道防塌方预警基准值，定义为隧道初期支护结I(红色模式)U>闪光、声音报警同时工作，构或围岩达到稳定极限状态时的位移(应力)不得超暂停开挖，商讨对策过一定限值，是控制限值。它主要依据规范以及现场实测资料统计来确定。对于本工程浅埋大断面软弱围注：Uo为隧道防塌方监控预警基准值，U为变形累计值。岩隧道而言，主要从以下几个方面进行考虑。5现场应用试验4．2．1规范位移限值规定分两种情况考虑：5．1宝兰铁路某双线黄土隧道第一种情况：针对黄土隧道，实i贝0资料表明，《铁5．1．1工程概况路隧道设计规范》(TB10003-2005)以及《铁路隧道宝兰铁路某隧道为双线黄土隧道，全长4064m。喷锚构筑法技术规范》(TB10108-2002)给出的位移工程地层主要以第四系全新统冲积砂质黄土和上更新 第9期马士伟韩学诠廖凯等：大断面软弱围岩隧道防塌方实时监测预警标准研究91统风积、冲积砂质黄土为主。隧道采用三台阶七步开挖12O100法，机械辅助人工进行开挖。试验段里程在DK983+g80252．2附近，埋深约20m，属于浅埋。604O5．1．2确定预警基准值2O通过现场实测资料(图2)分析，隧道上、中、下台0阶开挖引起的拱顶沉降大小有明显的不同。其中隧道-2009／100：0009／120：0009／140：0009／160：00上台阶开挖引起的拱顶沉降约占总沉降的50％～09／1l0：0009／130：0009／150：0009／170：0060％，中台阶开挖占30％～40％，下台阶开挖约占监测时间10％左右。因此，当测点布置于中台阶后端(里程K图3测试数据图(中断为喷混凝土时保护无测试数据)983+255．7)上部边墙位置时，考虑到中、下台阶开挖引起的拱顶沉降和隧道整体沉降及施工安全，拱顶沉边墙收敛最大达到12．7mm。降监测基准值取实测沉降的三分之一，即100mm，5．2．2．2根据规范计算值水平收敛按规范取值=14000×0．4％mm=在V级围岩隧道埋深5Om