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改進的隧道監測系統(TMS)在隧道圍巖變形監測中的應用

收錄時間:2013-06-17 21:12 來源: 中石油集團工程設計有限公司西南分公司  作者:辜利江,王海蘭,馬俊  閱讀:0次 評論:0我要評論

內容提示:隧道圍巖開挖后的變形監測對于隧道的信息化施工有著重要的意義。改進的隧道圍巖監測系統(TMS),采用各傳遞桿與巖體點接觸,而不是通常采用的全孔灌漿接觸方式,解決了全孔灌漿對監測結果的影響,特別是對軟巖變形監測的影響。改進的TMS既能夠保證各接觸點的牢固,防止傳遞桿與巖體脫離,又可以最大程度地減小試驗儀器本身對巖體位移結果的影響。該儀器精度高、操作性強、適應性強,通過在雪峰山隧道工程中的應用,表明效果良好。

延伸閱讀:變形監測 圍巖 地下工程 監測技術 隧道 隧道監測系統

        0 前言

        在地下工程測試中, 位移量測( 包括收斂量測) 是最有意義和最常用的監測項目, 其穩定可靠,簡便經濟。測試成果可直接指導施工,驗證設計,評價圍巖與支護結構的穩定性。TMS ( Tunnel Monitoring System 隧道監測系統)隨著工程技術的發展而不斷發展。目前,國際上許多國家都對隧道工程的現場測試非常重視,出臺了許多的規定和規范[1]。 隧道施工本身具有一定的復雜性,其自身的特點對隧道的監測儀器也有一定的要求,概括起來,有以下幾個特點: 設備精度要求高、自動化程度要求高、環境適應性強和操作性強。 在國際上,歐洲是最早建造長大隧道的,其高速公路建設起步也比較早。因此,歐洲對隧道位移監測的研究也比較早,重視程度也比較高,但其對隧道位移監測的研究也遠遠落后于對隧道施工工藝水平的研究。隧道位移監測是一項非常復雜的工作,不同于一般的地面結構工程的位移監測。目前國際上比較新的監測技術主要有[2]:

        ( 1) 紅外測距技術: 這種位移測量方法的誤差一般能控制在2mm 左右,主要應用于大型隧道的監測中;

        ( 2) 激光技術;

        ( 3) 數碼成像技術。(參考《建筑中文網

        通過這些技術,在隧道內進行多點觀測,然后進行坐標計算,從而得出測點的位移信息。但這些方法也有其自身的缺點,即:

        ( 1) 測量精度有待提高;

        ( 2) 多測點的反算會引起誤差傳遞, 誤差積累,從而影響測量精度;

        ( 3) 由于隧道內的施工環境,這些儀器的實際操作性受到一定的限制,特別是在狹長的隧道中。

        1 改進型TMS 的工作原理

        改進的TMS ( Improved Tunnel MonitoringSystem) 是由成都理工大學王蘭生教授發明的,其構造示意圖見圖1。

       

        改進的TMS 是將幾根傳遞桿全部安裝在一個鉆孔里,除最里面的一根用鋼筋外,其他幾根都用鋼管作為傳遞位移的介質。各接點都與巖體牢固粘結,將巖石的深部變形引到外面加以測量。通過不同時間的位移監測,可以了解圍巖中不同深度的徑向位移變化情況。

        如圖1 所示,改進的TMS 從內而外,首先是一根長4m、直徑14mm 的鋼筋,在其頂端10cm 處焊接一個鋼圈,鋼圈主要作用是綁粘結藥包的時候能將藥包限制在一個小的范圍內; 然后是一根長度為3m、內徑為16mm 的鋼管, 鋼管頂端和距頂端10cm 處各焊接一個鋼圈,用于綁粘結藥包。為使整個儀器在進入鉆孔時, 能保證該接觸點在深度3m 處,實際制作時, 在4m 鋼筋頂部套一根PVC塑料管,長度90cm, 該PVC 管能頂住3m 鋼管的頂部; 其它兩根2m 和1m 的鋼管制作與3m 相同,只是直徑不同。

        從示意圖中可以看出,整個儀器的傳遞桿除了端點與圍巖是牢固接觸的以外,其他部分在徑向上都是可以自由移動的。PVC 套管既可以保證錨固點的位置恰好是設計的深度,又能有效地減小傳遞桿與孔壁的接觸,減小摩擦阻力對測量結果的影響。儀器的外接套筒是起將各傳遞桿保護起來,同時用軟木塞將各傳遞桿固定在相應的位置的作用。套筒的尺寸如圖2 所示。各傳遞桿的相互位置關系如圖3 所示,各鋼管套筒間套接關系見圖4。

       

        外接套筒頂部焊接一個供測讀數據用的測頭,測頭平面圖如圖5 所示。測孔的大小是根據電子百分表的測桿大小而制作的,大小剛好能保證百分表測桿垂直而不發生傾斜。保證讀數的準確性。測試的時候用百分表通過測頭保護套上的小孔伸進去,接觸到鋼管的頂端,通過測量鋼管頂端的伸縮來測讀圍巖的位移。

       

        最外面用一個鋼質蓋將整個測試裝置封閉起來,以保護測頭。

        特別說明的是: 試驗采用的鋼筋、鋼管型號及套管尺寸等是根據隧道的實際情況而選用的,不同的隧道可以采用不同的尺寸。

        2 改進的TMS 的優點

        從改進的TMS 的原理我們可以看出,相對于其他的多點位移計,改進的TMS 一個重要的特點是各傳遞桿與巖體是點接觸,而不是通常采用的全孔灌漿接觸。全孔灌漿接觸對變形的影響非常顯著,特別是在軟弱巖體中。通常采用全長灌漿時[3],對所測的數據進行分析時都要充分考慮砂漿對圍巖的加固作用,在軟巖中更是不可忽視。但是這種加固作用到底有多大的影響,目前只能依靠經驗來進行判斷。改進的TMS 的點接觸,既能夠保證各接觸點的牢固,防止傳遞桿與巖體脫離,又可以最大程度地減小試驗儀器本身對巖體位移結果的影響。

        改進的TMS 一個突出的優點是環境適應性好,操作簡單。相對于其他同類型的位移監測儀器,改進的TMS 只需要打一個鉆孔,就可以測量不同深度處圍巖的位移情況。在施工條件比較惡劣的隧道環境中,可以節省時間和工作量,容易得到施工單位的配合。

        改進的TMS 測試裝置比較簡單,一般人員稍經指導就可以進行操作。儀器的保護也非常容易,外面加一個小的保護蓋即可,面積非常小,不容易被破壞。根據雪峰山隧道現場操作的結果,所有監測點均未被破壞過。而與改進TMS 類似的儀器卻多次遭到施工過程的破壞。

        改進的TMS 還具有精度高的優點。利用電子百分表,所讀數據準確到1 /100 毫米,即使在變形較小的IV、V 類圍巖中同樣適用[4]。獨特的外接蓋鉆孔,保證每次測讀位置都在傳遞桿的同一位置。

        3 實際應用

        雪峰山隧道位于邵陽市、懷化市兩市交界的雪峰山脈,隧道進口距洞口縣江口鎮約3km,位于洪江市塘灣鄉蘭家村,出口位于洪江市鐵山鄉小溪村。隧道上行、下行線分離,按兩座獨立隧道設計,凈寬10. 84m, 凈高6. 91m, 為雙洞雙車道隧道,全長6950m,按隧道分類屬特長隧道。該隧道為上海—瑞麗高速公路湖南段的控制性工程,隧道的開通縮短公路里程約30km,大大節約運營費用。隧道的最大埋深約850m[5]。隧道地質條件非常復雜,采用信息化施工,隧道圍巖的變形監測是監測工作中的一個重點。

        3. 1 改進TMS 各部件尺寸的選擇

        ( 1) 最長測桿的選擇

        考慮到隧道開挖以后巖體的位移是有一定的影響范圍的[6],在一定范圍以外的巖體變形非常小,可以近似的認為是不受開挖影響的。雪峰山隧道開挖斷面比較大,其圍巖主要為砂巖和砂質板巖,圍巖類別從II 類到V 類。根據勘察和設計單位提供的資料,判斷隧道開挖后的變形影響范圍在4m 以內,所以最長的測桿選擇為4m。

        ( 2) 各內套鋼管尺寸的選擇

        各測點的變形傳遞桿是相對獨立的,選擇的時候,要保證鉆孔能順利安裝最粗的套管。目前的鉆具都有一定的型號,鉆孔尺寸也就比較固定。要增強儀器的適用性,就要求試驗儀器的尺寸最好能與工程上通常使用的鉆具相對應。雪峰山隧道采用的是56mm 鉆頭, 所以在儀器加工時, 采用了內徑16mm、25mm、36mm 三種型號的鋼管, 各套管之間都能直接內套。

        ( 3) 測試套筒的選擇

        測試套筒是百分表讀數的重要構件,也是直接關系到量測結果是否準確的關鍵因素。測試套筒的尺寸選擇要求既能完全將位移傳遞桿套好,又要基本與鉆孔尺寸相當。在雪峰山隧道位移監測中,采用的是加工好的外徑50mm 的套筒。套筒上的測孔大小要與電子百分表的大小剛好一致。測孔可以現場加工,孔的位置剛好是各位移傳遞桿的位置。測孔不能過大,過大會造成電子百分表在測孔內偏移,從而影響量測結果的準確性。

        3. 2 改進的TMS 監測成果

        改進的TMS 監測效果驗證在雪峰山隧道東口YK95 + 942. 5 處選擇了一個典型的斷面進行,該點靠近F8 斷層,屬于F8 斷層的影響區內[5]。該段左右線均實行臺階法開挖,其中左洞上臺階采用預留核心土環形開挖法。

        參考勘察資料,這一路段的主要地層為灰綠色硅化砂質板巖和褐黃色含砂泥質板巖,斷層節理裂隙發育,巖石破碎。每天推進的速度為左線1. 4m,右線0. 93m。該段地表曾發生坍塌破壞。在該處,某科研院也同時布置了測點,并采用全孔灌漿收斂儀進行位移監測。其監測結果便于對改進的TMS 監測效果進行對比和分析驗證,所以選擇此點具有代表性。

        斷 面內除F8 斷層破碎帶外,斷面右側節理裂隙發育,裂隙面寬2 ~ 3cm, 裂隙較粗糙, 可見擦痕,呈鋸齒狀,裂隙內充填物為泥質、硅質等,節理出露于裂隙旁側, 與裂隙斜交, 裂隙產狀47°∠68°。圍巖位移及位移變化速率監測結果見圖6和圖7,爆破對圍巖位移的影響見圖8。

原文網址:http://www.oh9p.com/research/201306/15249.htm

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