改進的隧道監(jiān)測系統(tǒng)(TMS)在隧道圍巖變形監(jiān)測中的應用
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 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(jiān)測項目， 其穩(wěn)定可靠，簡便經(jīng)濟。測試成果可直接指導施工，驗證設計，評價圍巖與支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。TMS ( Tunnel Monitoring System 隧道監(jiān)測系統(tǒng))隨著工程技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。目前，國際上許多國家都對隧道工程的現(xiàn)場測試非常重視，出臺了許多的規(guī)定和規(guī)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(jiān)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(huán)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(jiān)測的研究也比較早，重視程度也比較高，但其對隧道位移監(jiān)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(jiān)測是一項非常復雜的工作，不同于一般的地面結(jié)構(gòu)工程的位移監(jiān)測。目前國際上比較新的監(jiān)測技術(shù)主要有［2］:
( 1) 紅外測距技術(shù): 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(jiān)測中;
( 2) 激光技術(shù);
( 3) 數(shù)碼成像技術(shù)。
通過這些技術(shù)，在隧道內(nèi)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(nèi)的施工環(huán)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(fā)明的，其構(gòu)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(zhì)。各接點都與巖體牢固粘結(jié)，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(jiān)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(nèi)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(jié)藥包的時候能將藥包限制在一個小的范圍內(nèi); 然后是一根長度為3m、內(nèi)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(jié)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(jié)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(guān)系如圖3 所示，各鋼管套筒間套接關(guān)系見圖4。
外接套筒頂部焊接一個供測讀數(shù)據(jù)用的測頭，測頭平面圖如圖5 所示。測孔的大小是根據(jù)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(fā)生傾斜。保證讀數(shù)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(zhì)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(jù)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(yōu)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(shù)據(jù)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(jīng)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(jié)果的影響。
改進的TMS 一個突出的優(yōu)點是環(huán)境適應性好，操作簡單。相對于其他同類型的位移監(jiān)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(huán)境中，可以節(jié)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(jīng)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(jù)雪峰山隧道現(xiàn)場操作的結(jié)果，所有監(jiān)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(yōu)點。利用電子百分表，所讀數(shù)據(jù)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(zhèn)約3km，位于洪江市塘灣鄉(xiāng)蘭家村，出口位于洪江市鐵山鄉(xiāng)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(jié)約運營費用。隧道的最大埋深約850m［5］。隧道地質(zhì)條件非常復雜，采用信息化施工，隧道圍巖的變形監(jiān)測是監(jiān)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(zhì)板巖，圍巖類別從II 類到V 類。根據(jù)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(nèi)，所以最長的測桿選擇為4m。
( 2) 各內(nèi)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(nèi)徑16mm、25mm、36mm 三種型號的鋼管， 各套管之間都能直接內(nèi)套。
( 3) 測試套筒的選擇
測試套筒是百分表讀數(shù)的重要構(gòu)件，也是直接關(guān)系到量測結(jié)果是否準確的關(guān)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(jiān)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(xiàn)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(nèi)偏移，從而影響量測結(jié)果的準確性。
3. 2 改進的TMS 監(jiān)測成果
改進的TMS 監(jiān)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(qū)內(nèi)［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(huán)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(zhì)板巖和褐黃色含砂泥質(zhì)板巖，斷層節(jié)理裂隙發(fā)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(fā)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(jiān)測。其監(jiān)測結(jié)果便于對改進的TMS 監(jiān)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(nèi)除F8 斷層破碎帶外，斷面右側(cè)節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面寬2 ～ 3cm， 裂隙較粗糙， 可見擦痕，呈鋸齒狀，裂隙內(nèi)充填物為泥質(zhì)、硅質(zhì)等，節(jié)理出露于裂隙旁側(cè)， 與裂隙斜交， 裂隙產(chǎn)狀47°∠68°。圍巖位移及位移變化速率監(jiān)測結(jié)果見圖6和圖7，爆破對圍巖位移的影響見圖8。
該測點在掌子面開挖后立即安裝監(jiān)測儀器，及時測量。從圖中可以看出:
( 1) 在圖6、圖7 中，洞壁圍巖的位移量、位移變化速率隨時間變化情況與1m 深度處圍巖的位移及位移變化速率均比較接近， 兩條曲線基本重合。而2m 深度處的位移及位移變化速率與它們相比則有明顯減小，而3m 深度處減小得更加明顯。說明圍巖的變形是隨深度的加大而逐漸減小的，由此可知，雪峰山隧道在該段的開挖影響大于3m;
( 2) 圖6、7 中曲線均有一個突變的地方，這是因為該段是分臺階開挖的，在2004 年9 月6 日時，下部臺階開挖放炮的震動對圍巖的位移產(chǎn)生了影響。在該天，圍巖的位移讀數(shù)都發(fā)生了突變，具體見表1 和圖8。
東口右洞YK95 + 942. 5 左壁改進的TMS監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)突變情況
從圖8 中可以看出，爆破對圍巖位移的影響是隨深度的增加而減小的。爆破的影響深度在該處大于3m;
( 3) 從圖6 還可以看出，不同深度的圍巖變形穩(wěn)定的時間是不同的，深度越大，趨于穩(wěn)定的時間越短，在2004 年9 月6 號爆破影響以前，圍巖變形整體上已經(jīng)穩(wěn)定了。不同深度的穩(wěn)定時間如表2所示;
改進的TMS 測得的不同深度處圍巖變形穩(wěn)定時間
( 4) 從圖7 還可以看出，掌子面開挖后，從7月23 日到9 月6 日期間的前13d 圍巖的位移變化速率總體上是逐漸增加的，說明在該種地質(zhì)條件下，隧道開挖后13d 左右是圍巖調(diào)整期，之后位移變化速率逐漸減小。對圍巖的支護應該參考該監(jiān)測的資料;
( 5) 用改進的TMS 監(jiān)測的結(jié)果與某科研院采用的全孔灌漿的收斂儀的監(jiān)測結(jié)果比較得知，改進的TMS 監(jiān)測的總位移量要遠大于全孔灌漿的收斂儀監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，分別為12. 587mm 和7. 7mm，說明改進的TMS 的監(jiān)測結(jié)果是比較安全的，可用于評價圍巖與支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
4 結(jié)語
改進的TMS 各傳遞桿與巖體采用點接觸，而不是通常采用的全孔灌漿接觸，解決了全孔灌注對監(jiān)測結(jié)果的影響，特別是在軟巖中，這種影響往往是不可忽略的。同時該儀器還有操作性強、操作簡單、成本低廉的特性，在雪峰山隧道監(jiān)測的實際應用中效果良好， 值得在其他隧道的監(jiān)測中推廣使用。
參考文獻
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