深埋长隧洞施工安全监测.pdf

第 卷 增 人民珠江 年 月 :/.:/收稿日期:作者简介:沈健()男工程师研究方向为水利工程施工管理 :.深埋长隧洞施工安全监测沈 健(广州新珠工程监理有限公司广东 广州)摘要:深埋长隧洞与常规隧洞相比要在设计阶段就准确掌握和预测其在施工阶段及运行过程中的变化情况几乎是不可能的因此安全监测必须贯穿于工程建设的始终其是隧洞施工期和运行期安全评价必不可少的组成部分 受线路长、地质情况复杂、不可预见性强等因素影响对深埋长隧洞安全监测系统的建设提出了新的、更高的要求 依托夹岩工程骨干输水区深埋长隧洞的工程实践不断探索与优化安全监测工作为工程建设过程中应对涌水、突泥、塌方、围岩变形等不利工况发挥了积极作用在监测设计、仪器选型与检验、仪器埋设安装及保护、资料分析反馈等方面总结出了一些很好的经验以期为类似工程提供参考借鉴关键词:深埋长隧洞安全监测监测设计中图分类号:文献标志码:文章编号:()近年来隧洞安全监测技术虽发展迅速但对于深埋长隧洞而言要真正发挥安全监测系统的作用使其更好地服务于工程建设仍然面临诸多挑战深埋长隧洞围岩变形规律、发展情况、量值等与常规经验存在显著差异依托工程经验并结合监测数据判断结构物是否安全的难度加大深埋隧洞围岩及衬砌的变形及应力受复杂地质条件影响的不确定性大如何有针对性、科学高效地开展监测工作要求更高深埋长隧洞恶劣的环境条件对监测仪器自身性能、埋设安装工艺、仪器保护措施、组网通信方式等方面提出了新的要求和标准另外需要充分考虑现场实施的可行性和便利性方便监测工作的及时开展深埋长隧洞安全监测的主要目的是为工程各阶段安全评估提供依据确定隧洞是否处于预计的工作状态同时检验设计方案的合理性验证设计计算参数取值、计算模型及方法的准确性 通过分析总结监测成果为评价施工质量的可靠性提供数据支撑进一步地可深入研究隧洞结构的变化规律、各种参数对工程性能的影响为科学研究提供服务 监测设计项目选取监测设计项目的选取既要考虑系统的时空分布还要考虑局部的重点控制 在掌握工程基础资料的前提下根据工程规模、结构物等级、经费等因素综合考虑在满足工程安全监测需求前提下力求精简、易于实施和管控对于深埋长隧洞尤其需要根据工程特点对监测项目进行优化设计 譬如软岩洞段在开挖后变形量相对较大且持续时间长埋设多点位移计能够很好掌握围岩不同深度的变形情况确定围岩松弛扩展范围和松弛持续时间 而深埋硬脆性岩石在开挖后弹性变形量相对较小洞壁围岩的破裂及发展是导致变形的主要机制 采用多点位移计监测围岩的这种方式的变形时不够敏感即在监测破裂导致的变形时在灵敏性和安全预警两方面的适应性不足此时锚杆应力更为敏感 由于深埋硬脆性围岩变形不再是反映围岩安全性的首选指标变形监测的作用和实际效果也不及预期在监测设计上可以相应减少布置多点位移计增加围岩应力计支护结构受力的监测 人民珠江 年增刊 对于覆盖层浅、揭露地质条件差、地面有建筑物的洞段应尽量控制衬砌变形重点应监测围岩应力、支护结构应力以及地面建筑物的变形 对于覆盖层厚、围岩可能发生挤出、膨胀变形的洞段应重点监测围岩变形、压力及支护结构应力 监测仪器设备选型及检验监测仪器设备是安全监测的工具其可靠性、准确性和长期稳定性将直接影响到监测的成果并最终决定人们对结构物工作性态和安全的评估 不同于常规隧洞深埋长隧洞安全监测所选用的仪器设备不仅应具备良好的耐久性、可靠性、适用性满足量程和精度的要求而且还要考虑数据采集的传输距离以及后期自动化组网的需求 监测仪器设备埋设安装后一般无法进行检修和更换因此在埋设安装前必须进行检验率定 检验项目包括环境条件、力学性能、温度性能、防水性能等以判断仪器的性能指标是否可靠搬运过程中是否存在损坏情况应保证所选用的仪器设备必须是性能稳定、质量可靠、耐用、技术参数符合设计要求 仪器的生产厂家具有“制造计量器具许可证(认证)”并已通过 系列质量体系认证且具有在不少于 个同类型工程中有成功应用的实例和项目经验应确保所选用和采购的仪器设备是全新的合格产品所有监测仪器设备及其附件具有产品制造厂家提供的产品说明书、检定表、检验证书及厂家长期售后服务证明深埋长隧洞与常规隧洞相比线路长、通信条件差是客观条件 常规的振弦式、差阻式等传感器受自身工作原理所限信号传输距离一般在 以内且有一定的绝缘度要求即使采用一些信号放大措施可以增加传输距离但仍然无法适应长距离隧洞工程的应用环境 基于光纤光栅的 传感器信号传输距离可达到数十千米且能够实现半自动化监测故长距离隧洞中可选用光纤光栅式仪器 夹岩工程实施案例夹岩水利枢纽及黔西北供水工程(以下简称“夹岩工程”)由水源枢纽工程、毕大供水工程、灌区骨干输水工程 大部分组成 灌区骨干输水工程由总干渠、北干渠、南干渠、金遵干渠、黔西分干渠、金沙分干渠、供水管线、支渠以及灌区骨干泵站等组成 在灌区骨干输水工程中选取东关取水隧洞、猫场隧洞、水打桥隧洞、长石板隧洞、两路口隧洞共 条隧洞进行监测 本文涉及到的 条隧洞特点如下)水打桥隧洞总长.为无压流隧洞进口接总干渠末分水闸出口接白甫河倒虹管、类围岩全断面 钢筋混凝土衬砌厚度分别为.、.、.特殊洞段厚度为.)两路口隧洞总长.为无压流隧洞进口接木白河倒虹管出口接白马大坡渠道 隧洞断面型式采用圆形半径.、类围岩全断面 钢筋混凝土衬砌厚度分别为.、.、.监测设计项目选取夹岩工程监测设计重视总体设计强调工程全生命周期控制 同时重视现场设计注重实时跟踪动态调整 在满足工程安全监测需求前提下亦节约了工程投资深埋长隧洞主要考虑设置隧洞的结构监测项目布置的监测项目围岩与衬砌接缝开合度、衬砌结构钢筋应力、外水压力每个断面布置 支测缝计、支钢筋计、支渗压计 典型监测断面布置见图 图 典型断面监测布置.现场设计现场设计时根据揭露地质情况和工程需求动态调整监测设计适量增设部分监测设施人民珠江 年增刊)水打桥隧洞进口段开挖揭露出围岩为泥质粉砂岩夹粉质泥岩、泥岩、煤层并含有少量渗水属于软弱围岩 为掌握围岩应力分布规律及变化情况选取 个典型监测断面增设了 点式锚杆应力计 监测布置见图 图 水打桥隧洞进口监测布置)两路口隧洞出口右侧边坡在下部施工道路开挖后出现裂缝为判断边坡变形趋势设计及时增设临时表面变形监测设施 后期为判断边坡加固设计方案的合理性和施工质量的可靠性并了解边坡长期稳定性设计选取 个主监测断面又增设了抗滑桩钢筋应力、边坡深部位移及表面变形等永久监测项目.监测仪器设备选型夹岩工程深埋长隧洞安全监测仪器设备选型阶段通过市场调研和工程比选所选用的仪器设备均为国内外知名企业生产的产品且经过大量工程的运用和检验仪器的可靠性、稳定性、技术指标均能满足要求.仪器设备选型)东关取水隧洞总长度.最远监测断面距离隧洞进、出口距离为 余 现有的各类型监测仪器均可满足需求 考虑到该隧洞运行期为有压流因此选用耐水性能好、性价比高的差动电阻式监测仪器)猫场隧洞、水打桥隧洞、长石板隧洞、两路口隧洞的洞长均远超过 振弦式、差阻式等传感器已无法满足工程需求故全部选用光纤光栅式传感器.仪器设备检验按 大坝安全监测仪器检验测试规程、/光纤光栅仪器基本技术条件及设计技术要求对全部监测仪器设备进行全面测试、校正、率定具体操作步骤和计算方法在规范中均有详尽描述在此不再赘述.监测仪器设备埋设夹岩工程深埋长隧洞主要采用钻爆法施工沿线地质条件复杂、施工干扰大因此在实施监测项目前针对夹岩工程深埋长隧洞的特点建立了完善的监测仪器及线缆的保护方案及保障措施体系针对不同类型的仪器特别是光纤光栅式仪器提出了详细的埋设施工及保护方案有效确保仪器埋设质量和完好率 应用较多的差阻式的仪器埋设安装工艺相对成熟而光纤光栅式仪器对埋设安装的工艺要求很高结合夹岩工程实施经验主要需注意以下几点)埋设的时机 围岩监测仪器应在钻爆施工后及时进行安装而下一次钻爆施工势必会对已埋设的仪器造成影响因此为最大程度降低这种施工影响可用废旧汽车轮胎保护仪器引出尾纤并悬挂于孔壁上的方式进行有效保护 对于衬砌内监测仪器应在混凝土浇筑前埋设仪器并对引出尾纤进行穿管保护在混凝土浇筑时安排专人值守)光缆的熔接 与传统仪器不同光纤光栅仪器尾缆采用自动熔接机熔接为保护接头可自制专用钢管对接头部位进行保护 熔接后要对光缆接线损耗测试判断连接是否完好)光缆的牵引 光缆在衬砌钢筋上绑扎、仪器间熔接以及引出到光纤接续盒内部时光缆弯曲弧度不宜过大否则数据在传输过程中会有功率损耗长时间后可能无法读数因此需控制牵引曲率半径大于 曲率小于.光缆在盘绕时注意曲率半径和放置整齐 对于无压流隧洞提出对尾缆、主光缆采用明线方式敷设即将监测仪器尾缆集中牵引至顶拱部位然后集中沿顶拱牵引过程中对所有主光缆进行穿管保护并逐段打挂钩和夹具进行悬挂固定人民珠江 年增刊.监测成果反馈夹岩工程深埋长隧洞在建设阶段遇到了较多不良地质情况通过安全监测的实施及时整编分析观测数据判断各监测物理量的变化规律和发展趋势为评价各主要建筑物的工作状态及安全性提供了有力依据为工程安全运行保驾护航.水打桥隧洞)进口不良地质段 开挖初期即出现喷射混凝土脱落、开裂、顶拱围岩下沉拱架扭曲变形等不利现象故增设 点式锚杆计监测围岩应力分布情况 点式锚杆计埋设完成后实测应力均有不同程度的增大其中 深度处的测点变化速率和幅度最为明显监测单位密切关注该部位加大观测频次和巡视检查力度 仅 个月该测点应力测值达到峰值.期间的变化速率为./又正值主汛期降雨频繁监测单位初步判断地表水入渗将引起围岩自稳条件进一步恶化可能造成围岩垮塌险情 为防止事态扩大监测单位立即上报该情况给参建各方 设计单位根据监测数据情况及监测分析成果针对该段及时调整支护方案并由施工单位组织实施 加强支护措施实施一周后该测点应力值未继续增加并逐步趋稳表明施工效果达到了设计预期监测成果起到了指导施工的积极作用)已完成二衬的洞段 已完成二衬的洞段设计了 个永久结构监测断面每个断面布置 支测缝计、支钢筋计、支渗压计 监测成果显示:二衬结构钢筋主要呈受压状态测值受局部施工有小幅波动但总体趋稳二衬与围岩之间的开合度仅.且基本收敛表明二衬与围岩接触良好灌浆效果良好二衬外水压力渗压计基本处于无压状态无异常.两路口隧洞进口边坡)临时监测 两路口隧洞进口边坡为河谷岸坡、斜坡地形地表覆盖层为残坡积黏土夹碎石及崩塌堆积物厚.地下水类型为基岩裂隙水埋藏浅隧洞进口位于地下水位变动带 年 月发现隧洞进口右侧边坡出现多条裂缝表观有滑动崩塌风险随后立即组织现场勘查确定先对边坡进行临时表面变形监测掌握边坡位移变化情况 年 月 日对边坡临时监测点取得初始值随后进行持续的高频次的观测根据监测数据两路口隧洞进口边坡变形可以分为 个阶段:汛期 年 月边坡测点累计水平向位移量在.累计沉降量在.边坡急剧变形期主要集中在 年 月 日暴雨后至 月 日在此期间各测点变形量处于急剧增大趋势最大水平合位移变化量 .最大沉降变化量 .现场巡视检查发现边坡出现大量裂缝裂缝贯穿整个进口边坡中上部裂缝最大深度超过 最大缝宽超过.与监测数据情况较吻合 非汛期 年第四季度内边坡坡脚混凝土挡墙修筑完成以及降雨量减少边坡各测点水平合位移及沉降速率有所降低各测点的水平位移量变化量在.累计沉降变化量在.边坡变形速率相对较低 两路口隧洞进口边坡属不稳定坡体受降雨影响变形较大根据监测数据情况建议在下一个雨季来临之前完成对该边坡的加固处理防止边坡出现滑坡、崩塌等意外情况保证隧洞施工人员安全保证隧洞进口开挖的顺利进行)永久监测 两路口隧洞进口边坡前期变形量较大设计单位根据监测数据情况下发边坡加固处理方案为判断边坡加固设计方案的合理性和施工质量的可靠性并了解边坡长期稳定性在边坡加固处理同时布置监测仪器 边坡位移标点水平合位移量在.沉降量在.其中位于测斜孔孔口处位移标点水平合位移量在.沉降量在.位于抗滑桩冠梁上的位移标点水平位移量均不超过 沉降量均不超过 边坡测斜孔孔口位移量与之对应的位移标点位移量数据吻合其中位于边坡下部 个测斜孔均未出现深部位移迹象在距孔口 深度处存在朝向边坡临空面浅层滑动面位于边坡中部的测斜孔在距孔口 深度处存在一个朝向临空面的滑动层未见更深层滑动趋人民珠江 年增刊 势 边坡抗滑桩内钢筋计均处于受拉状态抗滑桩内钢筋应力呈现随深度加深而变大各钢筋计应力值在.两路口隧洞进口边坡在加固处理完成之后经历了 个汛期的考验边坡浅覆盖层受降雨影响易产生蠕变现象但深部较为稳定抗滑桩能够承受来自边坡浅覆盖层的侧方挤压力而保持相对稳定状态 监测实施的效果采用总体设计结合现场设计的设计方式根据施工实际情况开工至今仅增加仪器设施 支设计思路较为灵活既满足了工程安全需求又有效节约了投资 在掌握工程特点的基础上充分调研国内外知名厂家的产品与工程应用情况对于长度 以内的有压流隧洞段采用性价比高、耐水性能好的差阻式仪器对于长度超过 的无压流隧洞段采用传输距离远、易于集中牵引的光纤光栅式仪器测量设备均为原装进口从源头上保证了仪器性能和质量夹岩水利枢纽工程复杂的地质条件通过超前地质预报的提前预判成功的预知了隧洞前方的围岩地质情况安全检测的运用能够科学系统的了解隧洞施工中重点部位应力应变的变化对于异常洞段和异常情况能够准确的制定相应处理应对措施为隧洞施工的眼睛能很好地指导隧洞的施工 通过及时分析和反馈监测成果为隧洞的开挖支护、边坡的加固处理、工程验收等提供了有力依据同时可为工程的长期安全稳定运行提供服务参考文献:张传庆高阳刘宁等.深埋隧洞力学响应监测与测试设计的思考.岩土力学():.殷世华王玉洁周晓刚等.岩土工程安全监测手册.北京:中国水利水电出版社.孙玉宝.深埋长隧道围岩稳定性分析与研究.青岛:山东科技大学.曾祥华.深埋长隧洞围岩稳定性及支护结构设计研究.南京:河海大学.吴慧彦党琪强.隧道影响下的边坡变形监测分析.公路交通科技(应用技术版)():.杨小汝.白马隧道施工监测及边坡稳定性分析.重庆:重庆大学.光纤光栅仪器基本技术条件:/.大坝安全监测仪器检验测试规程:.大坝安全监测仪器安装标准:.白玉龙李丽.光纤传感技术在长距离引水隧洞安全监测中的应用.水利技术监督():.(责任编辑:程 茜)