談高速鐵路隧道監(jiān)控量測方案設(shè)計

趙 君

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

1 工程概況

京滬高速鐵路作為我國高速鐵路網(wǎng)中“四縱”的重要組成部分，于2008年4月開工建設(shè)，線路總長度達(dá)1300余千米，設(shè)計時速350 km/h，是新中國成立以來一次建設(shè)里程最長、投資最大、標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路，京滬高速鐵路現(xiàn)已建成并于2011年6月正式開通運(yùn)營。

本文研究之金牛山隧道位于山東省泰安市岱岳區(qū)六郎墳村與高新區(qū)小官莊村之間，隧道進(jìn)口里程為DK465+335，出口里程為DK467+240，隧道全長1905 m，隧道內(nèi)為單面坡，坡度3‰和12‰的上坡，隧道所處地形起伏較大，其中隧道最大埋深為35.37 m，隧道在里程為DK466+230～DK466+330區(qū)段下穿京福高速公路C匝道，此區(qū)段內(nèi)埋深僅為9.8 m，屬于超淺埋隧道，在DK466+560～DK466+660段下穿京福高速公路正線，其中高速公路寬度為36 m，其中隧道與公路匝道和正線的交角分別為14.57°和36.7°，屬于斜交。隧道的工程地質(zhì)情況為風(fēng)化花崗片麻巖，局部夾雜角閃巖和部分石英，其中圍巖已經(jīng)風(fēng)化，尤其接近地表埋深較淺處節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石比較破碎并有地下裂隙水發(fā)育，屬Ⅳ級圍巖。

2 施工中的監(jiān)控量測

隧道的設(shè)計、施工是動態(tài)的，設(shè)計從理論上為施工指導(dǎo)方向，同時施工又為設(shè)計提供動態(tài)的數(shù)據(jù)，而另一個不可或缺的因素就是伴隨施工一起進(jìn)行的監(jiān)控量測，這三者缺一不可。隧道施工的監(jiān)控量測是現(xiàn)代隧道施工及環(huán)境控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是新奧法施工的精髓，有效的監(jiān)測圍巖變形情況可以正確的反饋開挖洞室的穩(wěn)定性?？梢哉f監(jiān)控量測是隧道施工的“眼睛”，正是有了這雙“火眼金睛”才能觀察到施工中隧道的細(xì)微變化，其對于施工安全的重要性毋庸置疑，因為圍巖的內(nèi)部受力、深層次位移情況、變化速率及支護(hù)受力可以通過監(jiān)控量測直觀、快捷的來顯示，可以通過研究監(jiān)控數(shù)據(jù)來反映圍巖位移及支護(hù)受力合理性和可控性。通過監(jiān)控數(shù)據(jù)的反饋和整理，可以得出支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形趨勢和穩(wěn)定狀態(tài)，以及可以判定出現(xiàn)有支護(hù)的合理性，為后續(xù)施工和設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

通過對京滬高鐵金牛山隧道工程進(jìn)行施工監(jiān)控量測，可以實(shí)現(xiàn)如下目的:1)通過對地表沉降的監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，對既有公路路面沉降做出預(yù)測，從而分析隧道開挖對既有路面的影響程度，并將分析結(jié)果反饋到設(shè)計和施工中，及時調(diào)整開挖方法和支護(hù)措施實(shí)現(xiàn)動態(tài)設(shè)計及施工。2)準(zhǔn)確的掌握隧道圍巖隨開挖的變形規(guī)律，并通過分析得出結(jié)論，用以調(diào)整施工方法和支護(hù)參數(shù)，并通過測定圍巖壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，了解支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況和應(yīng)力分布。3)通過對沿線隧道工程的監(jiān)控量測可為本地區(qū)后續(xù)的類似隧道工程設(shè)計與施工積累科學(xué)資料和經(jīng)驗。

為了確保金牛山隧道施工的順利進(jìn)行，并較為準(zhǔn)確地掌握施工過程中圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)和對環(huán)境的影響，以指導(dǎo)施工和設(shè)計，現(xiàn)場監(jiān)控量測按照TB 10121-2007鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程的要求開展。監(jiān)控量測必須科學(xué)管理，并由設(shè)計單位完成監(jiān)控量測設(shè)計，然后交由施工單位編制實(shí)施細(xì)則，然后開展監(jiān)控量測，并且一直伴隨工程竣工，最后將資料歸檔納入竣工文件中。隧道監(jiān)控量測設(shè)計包括三方面的內(nèi)容:首先要確定量測項目;第二要確定測點(diǎn)的布設(shè)原則、量測斷面以及量測頻率;第三是要設(shè)定量測的控制標(biāo)準(zhǔn)。

1)常規(guī)量測項目。

根據(jù)規(guī)范，隧道監(jiān)控量測項目分為必測項目和選測項目。表1列出了隧道施工監(jiān)控量測的必測項目。

表1 監(jiān)控量測必測項目

而選測項目則是針對施工和設(shè)計中的特殊要求而開展的。表2列出了鐵路隧道施工的選測項目。

表2 監(jiān)控量測選測項目

針對金牛山隧道的特殊情況，隧道監(jiān)控量測的必測項目和選測項目都要同時開展，以更好的達(dá)到施工環(huán)境控制要求。

2)量測斷面及測點(diǎn)布置原則。

由于金牛山隧道下穿高速公路段為超淺埋，而對于淺埋隧道的規(guī)范要求要在隧道開挖之前進(jìn)行布設(shè)觀測點(diǎn)，測點(diǎn)既包括地表沉降點(diǎn)也有隧道洞內(nèi)的測點(diǎn)。根據(jù)規(guī)范測點(diǎn)應(yīng)該滿足表3的要求。

表3 地表沉降測點(diǎn)縱向間距 m

淺埋隧道地表沉降測點(diǎn)橫向間距為2 m～5 m，并且隨著與隧道中線的接近應(yīng)適當(dāng)加密測點(diǎn)，地表橫向監(jiān)測范圍應(yīng)大于2(H0+B)，而且在地表有既有控制性建(構(gòu))筑物時，應(yīng)適當(dāng)加寬量測范圍，具體測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 地表沉降測點(diǎn)布置示意圖（單位：m）

通常來講，洞內(nèi)的變形監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)布置在同一斷面上。斷面的布設(shè)應(yīng)滿足表4的要求，隧道洞內(nèi)凈空變化量測測線數(shù)，可參照表5及圖2～圖6布置。

表4 必測項目監(jiān)控量測斷面間距 m

表5 凈空變化量測測線數(shù)

3)監(jiān)控量測頻率。

根據(jù)規(guī)范隧道監(jiān)控量測頻率應(yīng)該按照表6，表7中的規(guī)定進(jìn)行，并且原則上應(yīng)該采用較高的頻率，在特殊地質(zhì)地段還應(yīng)該加大量測頻率，做到因地制宜，靈活安排和科學(xué)管理。

4)地表沉降監(jiān)測結(jié)果與分析。

在隧道開挖過程中，對上方既有京福高速公路路面進(jìn)行了地表沉降監(jiān)控量測，在施工結(jié)束后地面沉降曲線如圖7～圖10所示。

圖2 拱頂下沉測試示意圖

圖3 全斷面開挖法洞內(nèi)量測示意圖

圖4 臺階開挖法洞內(nèi)量測示意圖

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖洞內(nèi)量測示意圖

圖6 CD法開挖洞內(nèi)量測示意圖

表6 按距開挖面距離確定的監(jiān)控量測頻率

從監(jiān)測結(jié)果可以看出，既有路面最大沉降為10.9 mm，最大沉降發(fā)生在公路土路肩位置，但處于行車道以外，總體來說不會影響行車安全。而布置在行車道位置的各測線測試數(shù)據(jù)均小于29.4 mm，說明金牛山隧道在開挖過程中對既有路面的影響在沉降控制范圍之內(nèi)。

表7 按位移速度確定的監(jiān)控量測頻率

圖7 A測線各測點(diǎn)地表沉降分布

圖8 B測線各測點(diǎn)地表沉降分布

圖9 C測線各測點(diǎn)地表沉降分布

圖10 D測線各測點(diǎn)地表沉降分布

3 爆破震動監(jiān)控量測

由于金牛山隧道在下穿既有公路段屬于超淺埋，埋深僅為9.28 m，所以在隧道爆破開挖的過程中，必須始終進(jìn)行爆破震動速度監(jiān)測，并以監(jiān)測到的爆破數(shù)據(jù)作為依據(jù)，進(jìn)行分析對比，及時對爆破參數(shù)和開挖方式進(jìn)行合理的調(diào)整，力求達(dá)到在具備最佳爆破效果的同時也能確保既有公路和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

整個爆破震動速度監(jiān)測系統(tǒng)，由CD-1傳感器、DSV測振儀以及處理數(shù)據(jù)的計算機(jī)組成。震源地距離被監(jiān)測點(diǎn)的振速影響至關(guān)重要，距離越近質(zhì)點(diǎn)的振速越大，距離越遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動速度越小，因此在隧道下穿既有公路時應(yīng)以隧道中線為軸，中線處的監(jiān)測點(diǎn)最為密集，然后向兩側(cè)依次排開。

1)常用傳感器測振儀與原理。工程中常用的傳感器是磁電式傳感器，可運(yùn)算測出振動速度、位移和加速度。這種傳感器具有靈敏度高、內(nèi)阻低的優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用很廣泛。爆破震動速度監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器和測振儀種類繁多。

2)現(xiàn)場爆破監(jiān)測。金牛山隧道振動測量系統(tǒng)采用IDTS 3850型雙通道爆破振動分析儀來記錄分析信號。監(jiān)測地表的振動傳感器埋設(shè)在公路的固定點(diǎn)上，并用石膏將其固定。隨著隧道開挖的進(jìn)行，爆心距也在發(fā)生著變化，而此時假定爆破的單段最大裝藥量保持不變。監(jiān)測儀器如圖11，圖12所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表8所示。

圖11 爆破振速量測傳感器

圖12 爆破振速拾振儀

表8 金牛山隧道爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖13～圖15為三個傳感器所測得結(jié)果。

圖13 ①號傳感器監(jiān)測結(jié)果

圖14 ②號傳感器監(jiān)測結(jié)果

圖15 ③號傳感器監(jiān)測結(jié)果

通過對測試結(jié)果的分析并對照規(guī)范可以看出，在當(dāng)前的爆破條件下是可以滿足要求的。