铁路隧道施工变形监测数据统计分析

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:在社会经济发展需求的促进作用下,铁路建设规模日益扩大,施工技术也有提升的变化趋势。现场监测方法已经日趋于丰富。文章以铁路隧道工程为例,明确在合理应用监测方法后,可以确定用于反馈铁路隧道实际情况的参数,且经统计、分析后,可以更好地为后续施工提供指导,在安全的环境下高效完成铁路隧道的相关建设工作。

  关键词:铁路隧道;施工变形;监测数据统计;

  某铁路线路长1 840 km,沿线正线隧道228座,总长约460 km,局部地质条件特殊,部分隧道的施工风险较大,其中Ⅰ级风险隧道7座,Ⅱ级风险隧道15座。隧道断面含单、双线正洞,单、双车道辅助坑道,施工引入的是业内较为主流的全断面、两台阶、三台阶等方法。

  在铁路隧道变形控制工作中,以隧道跨度换算,分多种情况进行针对性分析。一般地段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩双线浅埋隧道拱顶沉降最大分别为6、10、16 mm。双线黄土隧道施工中,拱顶沉降则以围岩等级为主要依据加以控制,其中Ⅳ、Ⅴ级围岩分别对应为90~155、135~190 mm。Ⅲ、Ⅳ级围岩深埋隧道变形控制值较小,Ⅴ级围岩相对较大。

  鉴于黄土隧道施工现场地质条件具有差异化的特点,应从实际情况出发,结合工程规范,确定合适的控制基准。在施工中加强监测,汇总数据并展开统计与分析,以确定切实可行的控制值和预留变形量,按照此模式有序推进工程建设进程。

2 黄土地质条件下的双线隧道变形统计分析

  以沿线55座双线黄土隧道的监测数据为准,展开对比分析,确定拱顶下沉和周边收敛量,监测对象涵盖黏质和砂质黄土,围岩等级含Ⅳ级、Ⅴ级两类,埋深超250 m,以台阶法为主要施工方法。

  2.1 Ⅳ级围岩黄土隧道随埋深变形的统计分析

  (1)变形最大值随埋深变化的规律。

  Ⅳ级围岩地质条件下的隧道变形最大值与埋深的关系:(1)该地质的黄土隧道埋深集中在25~150 m,隧道虽有变形但幅度较小,拱顶下沉最大87 mm,绝大部分在50 mm内;(2)周边收敛最大44.06 mm,绝大部分在40 mm内。随着埋深的变化,拱顶下沉和周边收敛无明显的规律性变化。

  (2)变形速率最大值随埋深变化的规律。

  Ⅳ级围岩地质条件下的隧道变形速率最大值与埋深的关系:(1)拱顶下沉、周边收敛两部分的变形速率的高密度分布区间分别为10、5 mm/d以内;(2)部分断面拱顶的下沉速度达到5 mm/d以上(占比27.99%),所处位置以2(H+B)以上埋深的隧道为主。

  (3)时态曲线分析。

  以郑庄隧道DK374+811断面为例,该部分隧道的拱顶下沉和周边收敛情况,其整个变化可分为两个时段:(1)仰拱封闭前,拱顶下沉和周边收敛均以较大的速率发生变化;(2)仰拱封闭后,此阶段变形速率逐步减小,较之于拱顶下沉值,周边收敛相对更小。

  2.2 Ⅴ级围岩黄土隧道随埋深变形的统计分析

  (1)变形最大值随埋深分布的规律。

  Ⅴ级围岩地质条件下的隧道变形速率最大值与埋深的关系:(1)黄土地质普遍集中在200 m埋深内;(2)拱顶下沉最大值达到148.2 mm,普遍在60 mm内;(3)周边收敛最大值达到119.2 mm,普遍在40 mm内;(4)较之于周边收敛值而言,拱顶下沉相对更大,在埋深小于2(H+B)的隧道中有较为明显的拱顶下沉现象(下沉量达到75 mm以上)。

  开挖期间的扰动性较强,浅埋黄土隧道拱顶有较明显的下沉现象。对此,在浅埋隧道施工中,需要加强对周边位移的控制。从周边收敛值的角度来看,达到70 mm以上的断面主要集中位置为埋深超5(H+B)的隧道,该部分断面的含水量较高,普遍达到16%以上,在水体条件的影响下,伴有较大幅度的变形问题。对于该地质条件,施工单位予以高度的重视,合理应用施工技术,有效控制拱顶下沉和水平收敛,黄土隧道的变形得到较好控制。

  (2)变形速率最大值随埋深分布的规律。

  Ⅳ级围岩地质条件下的隧道变形速率最大值与埋深的关系:(1)拱顶下沉速率的高密度分布区间为10 mm/d以内,周边收敛速率的高密度分布区间为5 mm/d以内;(2)局部拱顶下沉变形速率达到10 mm/d以上,重点分布在埋深小于2(H+B)和超过5(H+B)的隧道,前者与埋深较浅有关,后者与含水量较高有关;(3)部分周边收敛变形速率达到10 mm/d以上,所处位置以埋深大于2(H+B)的隧道为主,所在地的基本特点在于含水量较高。

  其与周边收敛最大值的分布规律相同。

  (3)时态曲线分析。

  以郭旗隧道DK266+240断面为例,该部分隧道的拱顶下沉和周边收敛情况的整个变化可分为两个时段:(1)上、中台阶开挖期间,此过程中的下沉速率相对较大;(2)下台阶开挖工作落实到位且实现仰拱封闭后,下沉量有减小的变化趋势,并逐步达到稳定的状态。沉降过程中,封闭前的沉降占比达到95%以上,在此方面与Ⅳ级围岩黄土隧道相同[1]。

  2.3 V级围岩黄土隧道随含水量变形统计分析

  (1)含水量<8%时,拱顶下沉的最大值及速率分别为72.6 mm、13 mm/d,周边收敛的最大值和变形速率分别为36.05 mm、5.48 mm/d。

  (2)含水量为8%~16%时,拱顶下沉的最大值及速率分别为123.6 mm、29.3 mm/d,周边收敛的最大值和变形速率分别为119.5 mm、29.8 mm/d。

  (3)含水量>16%时,拱顶下沉的最大值及速率分别为148.2 mm、21.4 mm/d,周边收敛的最大值和变形速率分别为110.86 mm、29.8 mm/d。

  在含水量增加的条件下,隧道有较大幅度的变形;但该增长并非具有持续性,主要受到含水量的影响,待含水量超过16%时,变形虽有增大但幅度甚微,原因在于含水量超过16%时,及时根据现场情况采取了帷幕注浆、地表水泥土搅拌桩等相关处理措施,达到提前加固围岩的效果,能够较好地规避大幅度变形的问题,有效保证了隧道岩土体及隧道主体结构的稳定性。

  变形最大值按含水量统计,如表1所示。

3 黄土地质条件下的双线隧道预留变形量分析

  对于同一断面,普遍存在拱顶下沉超过周边收敛的情况。隧道支护与黄土地层间存在相对复杂的作用关系,同时初期支护结构易在多重因素的影响下出现变形现象,从实测数据可以发现,其数据有较为明显的离散特性。

  现场环境复杂、干扰因素多,为有效保证现场安全,采用一定保证率条件下的范围值,即预留变形量对应保证率需达到95%以上。经技术分析后,认为保证率为96%较为合适,可以将其作为实测预留变形量[2]。

  3.1 Ⅳ级围岩隧道预留变形量的分析

  在Ⅳ级围岩地质、保证率为96%的条件下,拱顶下沉量为47 mm。在监测全流程中,初期便发现围岩有一定变形,在确定该部分变形值后,将其增加至变形量测值上,由此可以确定围岩的实际变形值。

  围岩的真实变形(u)计算:

  式中:u测——变形量测值(mm);λ——变形系数,取0.265~0.33。

  结合λ的具体取值,可以确定围岩的真实变形范围,即64~70 mm。将所得结果与原设计的Ⅳ级围岩设计预留变形(50~80 mm)展开对比分析,可以发现两者较为接近,也小于规定值,即小于90~155 mm。为进一步保证安全,还考虑到数据离散以及施工偶然误差,将设计预留变形量取值确定为70~90 mm。

  3.2 Ⅴ级围岩隧道预留变形量

  在Ⅴ级围岩地质、保证率为96%的条件下,拱顶下沉量为60 mm。根据式(1)为依据,结合λ的具体取值,可以确定围岩的真实变形范围,即82~90 mm。将所得结果与原设计的Ⅴ级围岩设计预留变形(80~120 mm)展开对比分析,可以发现两者较为接近,同时也小于规定值,即小于135~190 mm。为进一步保证安全,还考虑到数据离散以及施工偶然误差,将设计预留变形量取值确定为120~150 mm。

4 结语

  综上所述,文章以双线黄土隧道和双线一般隧道为基本对象,重点从拱顶下沉和周边收敛变形两个角度展开对比分析。结合监测数据所揭示的信息,建议在双线黄土隧道施工中,Ⅳ级围岩条件下的变形预留量取70~90 mm,Ⅴ级围岩条件下取120~150 mm,以保证隧道施工的安全性。

参考文献

  [1]周志宇.建筑物沉降变形观测监测数据处理与预测方法探讨[J].工程建设与设计,2020(10):211-212.

  [2]李纳.上海越江公路隧道沉降及收敛变形监测研究[J].工程建设与设计,2019(10):107-108.

作者:田孟磊 单位:中国水利水电第七工程局有限公司

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