穿越高速公路铁路浅埋隧道管棚施工监测技术
2015-05-29
一、工程概况
太原枢纽西南环线铁路晋祠隧道位于山西省太原市晋源区，设计为双线隧道，隧道全长8.8km。晋祠隧道在DK17+560～DK17+700下穿大运高速公路，隧道与高速公路的斜交角度为40度，该段岩性为非自重湿陷性黄土、粉质黏土、粉砂、细砂、中砂等。隧道埋深浅，覆土厚度5米左右，地下水位高，并且大运高速交通繁忙，车流量较大，重载货运汽车多。为了保证隧道施工和高速公路运营的安全，施工采用φ159长140米双层大管棚超前预支护，CRD工法开挖，在大管棚支护作用下，通过现场监控量测及时分析隧道支护结构的受力及变形情况，并根据分析结果优化隧道设计并指导施工。
因此，在施工过程中对大管棚的受力状态进行监测，对指导大管棚施工具有重要意义。本项目施工监测主要测试内容包括：地表沉降、拱顶沉降、周边收敛、管棚变形和受力、初期支护内力等。
二、现场施工情况
根据工程地质、水文地质、施工场区环境等具体情况，确保管棚打设质量，并结合以往施工经验，采用φ159×8mm钢管做钻具，前端装有导向探头的导向专用钻头，采用泥浆护壁，利用有线导向仪监控，随钻进加尺（方位、角度发生变化时，随时修正），将管棚依次打入。同时将钢管接口焊接严密，直至达到设计长度。
三、 施工监测方案
1、地表沉降量测
根据设计规范要求，在高速公路上布设测量点，如图2。在隧道出口下穿大运高速浅埋段沿高速公路方向选2个典型量测断面，DK17+653断面布置在高速公路大里程方向外侧路肩上，DK17+607断面布置在高速公路小里程方向外侧路肩上，测点布置如图3。在量测之前，首先在影响区之外选一个牢固的基准点，然后在DK17+653和DK17+607断面埋设地表沉降测桩，测桩采用Φ16×800mm钢筋制作而成，并埋设牢固。DK17+653和DK17+607断面均布置17个测点，测点位置距中心点距离分别为2m、2m、2m、3m、3m、4m、4m、5m。
地表沉降采用精密水准仪（精度0.1mm）及水准尺进行量测，DK17+653和DK17+607断面均在管棚施工完毕后进行初次量测，当隧道掌子面开挖至量测断面前20m处时，开始进行密集量测，直至洞口段二次衬砌施工完成、地表沉降稳定后停止量测。
2、拱顶沉降量测
隧道已开挖并作初期支护之后，先用小型钻机在测部位钻孔，然后将带有反光片的测桩放入孔内，用膨胀螺栓固定测桩，在易破坏位置用红色油漆做好标记，并在测桩头设保护罩，防止反光片被喷射的混凝土覆盖，测点布置如图4。采用精密全站仪从洞外或洞内稳定点将基准点转点至量测断面附近（如图5），通过全站仪测得测桩反光片中心点读数P，由此可得拱顶对基准点的相对高程A，相隔一定时间后用同样的方法可得拱顶的相对高程A′，则A- A′即为该段时间的拱顶沉降值。
3、周边收敛量测
隧道开挖后，分别在一、二、三和四部设置测桩，测桩埋设方法与拱顶下沉测桩埋设方法相同。为便于进行数据分析，周边收敛与拱顶下沉测桩布置在同一断面。由于隧道开挖采用CRD法，因此需布设四条量测基线，其中S11-S12基线在一部开挖后布设，主要量测一部开挖后围岩及支护的变形；二部开挖后需及时在同一断面布设S21-S22基线，主要量测二部开挖后围岩及支护变形。相应的，S31-S32基线在三部开挖后布设，主要量测三部开挖后围岩及支护的变形；四部开挖后需及时在同一断面布设S41-S42基线，主要量测四部开挖后围岩及支护变形。
采用SL-2型钢尺收敛计进行量测，量测时先将收敛计百分表读数预调到25-30mm位置，然后收紧钢尺，将销钉插入钢尺适当的小孔内，转动调节螺母，使钢尺收紧到观测窗中的读数线与面板上刻度线成一直线为止，读取钢尺及百分表中的读数，两者之和即可得到测点长度，每次量测值之间的差值即为隧道的周边收敛值。
4、管棚变形和受力量测
在隧道拱顶钢管内布置水平测斜管以及相邻的钢管内布置钢筋计，分析超长双层大管棚在隧道开挖中的变形及管棚的受力机制，钢管编号为W1和W2，如图6。W1钢管内置60m长的水平测斜管，量测仪器采用CX-8000S型水平测斜仪，如图7。管棚打设结束后，把带有导轮的套圈固定在水平测斜管上，每2m设置一个，作用是定位并方便推入测斜管。在测斜管最远端（底部）安装一个定滑轮，在测斜管内用一130m钢绞线绕过定滑轮，在推入测斜管过程中，定位钢绞线，使其一端在左侧，一端在右侧，目的是避免钢绞线在管内缠绕在一起。注浆之前预先用锚固剂锚固测斜管，并在注浆后用清水清洗测斜管内部，防止水泥浆涌入测斜管造成浆液凝固后填充导槽，无法准确量测读数。W2钢管钢筋计布置在距洞口大约6.5m、12.5m、18.5m、24.5m、30.5m、36.5m处，如图8。预先制作一带有导轮的钢筋笼，钢筋笼长6m。推入带有钢筋计的钢筋笼，每6m焊接一对钢筋计，钢筋计采用GJJ-10系列振弦式钢筋测力计，分上、下部，并进行编号。元件测线从钢管内穿出直至管口，用锚固剂锚固之后并注浆，然后根据隧道施工进度按一定的频率测量读数，以便分析各部开挖对隧道围岩的影响，并评价管棚支护效果。
5、初期支护内力量测
初期支护内力量测包括刚支撑内力量测、临时中隔墙量测和临时仰拱量测，如图10。钢支撑内力量测采用型号为EBJ-58的表面应变计进行量测，在隧道开挖并架立好钢拱架之后、喷浆之前，在DK17+653.5断面隧道的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和仰拱的钢拱架上焊接表面计，每个部位焊接一对，并对称布置，分别焊接在工字钢的上下腿部内侧。在临时中隔墙和临时仰拱封闭成环以后，焊接表面应变计，焊接方法同上。安装结束后，测量初始应变值，一方面检查应变计是否损坏；另一方面与标定值相比较，调整初始值。测线顺着钢拱架引到方便量测处，并做好保护测线工作，待喷射混凝土施工后读取初值，并按照一定的频率进行量测读数，频率随施工工序可做相应调整。
四、 监测结论
1、隧道开挖过程中，管棚的挠度变形总体上呈凹槽形分布，随着掌子面不断向前推进，曲线的凹槽分布不断向前、向下移动，管棚的变形逐步增大，位于隧道掌子面附近的管棚变形与受力最大，隧道已开挖但未支护时，管棚处于最不利的受力状态，施工时，应及时施作初期支护，并封闭成环。随着隧道的逐步开挖，累计沉降逐步增大，最终达到最大值。
2、管棚主要作用是超前预支护和控制地表沉降，当隧道的初期支护完成后，管棚与钢拱架、喷射混凝土共同作用保证隧道的稳定。
3、在管棚支护下进行隧道CRD工法开挖，通过对地表沉降、拱顶沉降、初期支护和二次衬砌内力以及围岩压力的监测，说明采用CRD工法施工能够保证隧道的安全。在拱脚位置，应力变化较大，在施工时，应及时施作仰拱。
五、结束语：
综合理论分析、现场试验的结果，在隧道开挖中，管棚可将上部围岩比较集中的荷载分散到掌子面前方的土体和初期支护上；通过在实际的监测数值，表明管棚可有效的抑制地表沉降和初期支护的变形，同时在隧道开挖过程中保持掌子面的稳定。
