CN101718201A - 隧道钻爆法施工安全5参数判定方法 - Google Patents

Abstract

隧道钻爆法施工安全5参数判定方法。本发明提供了判定指标由位移值所属范围、变形速率范围、变形加速度、支护裂缝状态和地下水状态组成，将判定的危险等级和18种状况类别等一并列入表1，对应的施工措施列入表2，同时提出按现场对钻爆法施工后用全站仪等对监测断面进行的监测变形位移值、变形速率值、变形加速度值、变形时间、用裂缝测宽、测探仪等确定的裂缝状态、用观察或测量的地下水状态，依据表1，确定出某监测断面当前所处的危险等级及5参数法判定步骤。本方法与现有单一参数方法相比，考虑了地质条件、支护参数、施工方法、断面尺寸及形式等多因素影响，增加了准确性和普遍适用性，能全面、真实、可靠的预测隧道的安全性。

Description

隧道钻爆法施工安全5参数判定方法

(一)技术领域：本发明涉及隧道工程钻爆法施工围岩及支护结构安全性判定方法。属铁路、公路、水工隧道工程的建筑类(E01D)。

(二)背景技术：隧道施工阶段围岩及支护结构稳定性受岩体性质、隧道断面尺寸和形状、覆盖层厚度和施工方法等诸多复杂因素的影响，现场工程技术人员对围岩及支护结构安全性进行精确的分析较困难，目前《公路隧道设计规范》和《公路隧道施工技术规范》以及相关研究领域中的隧道施工阶段安全性判定方法中最主要方法如下：容许极限位移量法、位移变化速率法、位移变化加速度法、变形速率比值法等单一定量指标判定法。并以此作为定量指标判定基准，这些方法存在如下问题：①上述单一定量指标判别均没有考虑隧道施工方法和支护体系的复杂性，即没有考虑隧道初期支护受力与开挖方法和支护刚度有极大关系的问题。对于复杂的隧道施工方法和支护体系仅仅采用某一个指标，对围岩及支护结构的安全性进行判断不仅存在较大的困难，且存在极大的不准确性和无效性。例如：有时隧道周边位移超出位移控制基准值，但支护结构没有产生破坏；有时变形速率很大，但隧道周边位移还远小于控制基准值，也未发生结构破坏；有时隧道工程(特别是浅埋隧道)位移尚未达到位移控制基准值，但支护结构已经失稳等等。②隧道从预测破坏到采取措施再到完成这些措施，是有一定时间的，在这个时间内，隧道破坏还会加速发展。而目前规范中的施工安全判定方法没有考虑时间因素的影响，因此此判定方法也存在实际应用非常困难。

(三)发明内容：

本发明提供的隧道钻爆法施工安全5参数判定方法，就是解决现有的定量指标判定基准存在判定参数单一的不足；没有考虑隧道施工方法、支护体系的复杂性；没有考虑时间因素的影响，存在极大的不准确性进而在实际应用中非常困难。本发明采用的技术方案如下：

隧道钻爆法施工安全5参数判定方法，有步骤1)现场对钻爆法施工后隧道位移监测断面确定极限位移U₀；在该处用变形监测仪器进行变形监测，获得监测断面的监测周边位移值U；确定监测变形速率v、确定监测变形加速度a和监测的时间t；(U和v的监测断面位置一般以拱顶为主要依据)其特征是：该方法还包括下述步骤：

1)上述步骤1)中变形监测仪器采用全站仪、水准仪或收敛计；

2)在隧道位移变形监测同时，用裂缝测宽、测探仪进行监测或用精度大于1mm的尺子量测，确定围岩支护结构裂缝和发展状态，记录并列入表1；

3)在隧道位移变形监测同时，采用水流量监测仪进行量测或观察和按经验确定监测断面处地下水状态，记录并列入表1；

4)确定隧道位移值所属范围U，确定方法见表1提供的A、B、C三个范围；

5)按表1提供的隧道变形速率v的取值范围A₁、A₂；B₁、B₂、B₃和C₁、C₂、C₃、C₄，确定隧道监测变形速率v所处的取值范围；

6)将隧道监测变形加速度a正负值列入表1；

7)依据上述1)监测的U₀、U、v、a和t的数值，按表1提供的隧道位移值范围A、B、C，隧道变形速率取值范围A₁、A₂；B₁、B₂、B₃和C₁、C₂、C₃、C4；隧道变形加速度a正负值、支护结构裂缝及发展状态、地下水状态；确定本监测断面隧道危险等级、对应管理等级，危险等级的状况类别共18种一并列入表1；并将对应四种危险等级的施工措施列入表2。

表1

上述全站仪、水准仪或收敛计；裂缝测宽、测探仪；水流量监测仪等均可在市场中选购。

当表1中，裂缝或地下水状态指标与其它判定指标对应组合形式不存在而无法对应判定危险等级时，应按照以下条件判定危险等级：当有裂缝产生且继续发展，危险等级应提高一个等级，当无裂缝或裂缝停止发展，危险等级应降低一个等级；当有地下水存在时，判定危险等级可提高一级，当无地下水存在时，判定危险等级可降低一级。表2

管理等级	危险等级	施工措施
			I	不稳定	发送失稳报告，立即停止施工，快速采取工程对策阻止围岩变形，加强监控量测，分析围岩运动状态，加强支护。

管理等级	危险等级	施工措施
			I	险情	发送险情报告，立即停止施工，采取工程对策，加强监测，分析原因，加强支护。
II	异常	发送异常报告，停止施工，加强监测，分析原因，确定工程措施。
			III	正常	正常施工，正常监测。

上述支护结构裂缝及发展状态有：(a)裂缝形式：见图2和图3，环向裂缝1、纵向裂缝2和斜向裂缝3，其中环向和纵向裂缝对隧道结构的承载能力和稳定性影响较大；图2中项4为隧道轴线。(b)裂缝特性：裂缝长度、宽度和数量；(c)裂缝发展状态：裂缝停止或继续发展；当表1中，裂缝状态指标与其它判定指标对应组合形式不存在，而无法对应判定危险等级时，应按照以下条件判定危险等级：当有裂缝产生且继续发展，危险等级应提高一个等级，当无裂缝或裂缝停止发展，危险等级应降低一个等级。

上述地下水状态可分为三个级别：(a)潮湿或点滴状出水；(b)水压或水量较小，线状出水；(c)水压或水量较大，股状出水；当表1中，地下水状态指标与其它判定指标对应组合形式不存在，而无法对应判定危险等级时，应按照以下条件判定危险等级：当有地下水存在时，判定危险等级可提高一级，当无地下水存在时，判定危险等级可降低一级。

上述围岩变形加速度a属正常加速，一般处于如下两种状况：①确保围岩不失稳情况，当开挖工作面通过量测断面前后的极短时间内围岩的变形加速；②当断面用台阶法、CRD法、CD法和双侧壁法分部开挖，其它分部由于围岩再次受施工扰动，通过量测断面时所出现的短时间的加速；除此之外的其它情况均属异常加速，这是围岩失稳的征兆，如果异常加速连续发展，表明围岩与支护体系处于失稳的征兆明显，这时需采用紧急处理措施。

上述表1中位移值所属范围U的A、B、C，隧道变形速率v的取值范围A₁-A₂；B₁-B₃和C₁-C4的确定方法如下：(定量指标)

①周边位移：隧道稳定性判别，可根据隧道施工实测位移U与隧道极限位移U₀之间建立判别准则，即U＜U₀时，隧道稳定；U＞U₀时，隧道不稳定。

以现行规范中隧道位移管理基准为基础，将隧道围岩及支护结构安全性分为四个危险等级，见表3。

表3公路隧道位移安全管理等级

②隧道变形速率v是指隧道周壁单位时刻位移变化量：

vn＝Δu/Δt＝(un-u_i)/(tn-t_i)    (1)

(1)式中v_n为t_n时刻隧道变形速率(mm/d)；t_n，t_i均为量测时间(d)；u_n，u_i为t_n，t_i时刻位移累计值(mm)；前述监测的时间t为t_n-t₁。

隧道容许变形速率v需要根据当前隧道位移累计值U和位移控制基准U₀以及由当前隧道位移累计值变化到位移控制基准的时间t来确定(即为前述监测的时间t)，如式(2)：

U+t·v＞U₀        (2)

假定某时刻隧道位移累计值为U，隧道变形速率为v，此断面位移控制基准值为U₀(即上述极限位移U₀)，当监测断面被发现变形异常时，往往需要采取加固措施，在材料和加固方案确定的情况下，采取加固措施需要的时间一般为3～5天，为确保安全，取5天计算。此时，

U+5·v＞U₀

根据表3和上述要求，不同的位移管理区间下，变形速率大小控制如下：

(1)累计位移在I级管理等级时，变形速率大小控制为：

此时管理位移，U＞2U₀/3(见表1中范围A)

当U+5v＞U₀时，隧道处于不稳定状态，此时变形速率为：

v＞(U₀-U)/5(见表1中取值范围A₁)

当U+5v≤U₀时，隧道虽是稳定状态，但可能处于险情或异常，此时变形速率为：

V≤(U₀-U)/5(见表1中取值范围A₂)

(2)累计位移在II级管理等级时，变形速率大小控制为：

此时管理位移，U₀/3≤U≤2U₀/3(见表1中范围B)

(a)当U+5v＞U₀时，隧道处于不稳定状态，此时变形速率为：

v＞(U₀-U)/5(见表1中取值范围B₁)

(b)当U+5v＞2U₀/3时，隧道可能发生险情，此时变形速率为：

v＞2U₀/15-U/5(见表1中取值范围B₂)

(c)当U+5v≤2U₀/3时，隧道可能发生异常，此时变形速率为：

V≤2U₀/15-U/5(见表1中取值范围B₃)

(3)累计位移在III级管理等级时，变形速率大小控制为：

此时管理位移，U＜U₀/3(见表1中范围C)

(a)当U+5v＞U₀时，隧道处于不稳定状态，此时变形速率为：

v＞(U₀-U)/5(见表1中范围C₁)

(b)当U+5v＞2U₀/3时，隧道可能发生险情，此时变形速率为：

v＞2U₀/15-U/5(见表1中范围C₂)

(c)当U+5v≥U₀/3时，隧道可能发生变形异常，此时变形速率为：

V≥U₀/15-U/5(见表1中范围C₃)

(d)当U+5v＜U₀/3时，隧道变形正常，此时变形速率为：

v＜U₀/15-U/5(见表1中范围C₄)

(3)围岩变形加速度

围岩变形加速度是指隧道周壁单位时刻变形速率变化量：

an＝Δv/Δt＝(vn-v_i)/(tn-t_i)    (3)

式中a_n为t_n时刻围岩变形加速度(mm/d²)；t_n，t_i均为量测时间(d)；v_n，v_i为t_n，t_i时刻变形速率(mm/d)。

根据围岩变形规律，变形加速度大于零，围岩加速变形；变形加速度小于零，围岩减速变形。

本发明有益效果：①采用本发明可有效和准确的预测隧道施工阶段支护结构的稳定性，与现有的单一参数判定方法相比，排除由于地质条件、支护参数、施工方法、断面尺寸及形式等多种因素对安全判定的干扰，增加了判定方法的准确性和普遍适用性，能全面、真实、可靠的预测隧道的安全性，从而减少工程事故发生和确保生命和财产的安全，使隧道施工能够高效、安全的进行。②选用全站仪量测快速、准确和方便。选用裂缝测宽、测探仪可进行精确监测。采用水流量监测仪可进行精确量测。

(四)附图说明：

图1隧道钻爆法施工安全5参数判定方法流程图；

图2隧道初期支护裂缝示意图；

图3CRD₁部边墙裂缝图。

(五)具体实施方式：

见图1，本发明隧道钻爆法施工安全5参数判定方法流程：①测某监测面监测值：包括定量指标U₀、U、v、a、t及定性指标支护结构裂缝和地下水状况。②确定U、v取值范围：A₁、B₁、C₁；A₂、B₂、C₂；、B₃、C₃；C₄。并将a＜0或a＞0，列入表1。③将支护结构裂缝形式、特性及发展状态列入表1。④将地下水状态列入表1。⑤按监测值和依据表1、表2确定某隧道监测断面危险等级和施工措施。

某大断面隧道，采用CRD法(即十字隔墙法)施工，现场对同一位移监测断面的CRD₁和CRD₃部分别进行检测。CRD₁部极限位移U₀＝200mm。CRD₃极限位移U₀＝130mm。

实施例1：CRD₁部安全性判定，可同时参见图1。

本实施例隧道钻爆法施工安全5参数判定方法，包括下列步骤：

1)现场对某大断面隧道钻爆法施工后，用全站仪对隧道位移监测断面CRD₁部进行变形监测，获得CRD₁部监测断面的周边位移值U为106.3mm、监测变形速率v为11.2mm/d、监测变形加速度a为3.2mm/d²和监测的时间t_n，t_i(图1中t为t_n-t_i)，依据CRD₁部极限位移U₀＝200mm。其中：监测变形速率v用前述公式(1)确定；监测变形加速度a用前述公式(3)确定。

2)在变形监测同时，用裂缝测宽、测探仪进行监测，观察该监测断面支护结构裂缝及发展状态如下：该处断面及附近支护结构存在纵向裂缝和斜向裂缝，其宽度约为1～4mm，环向裂缝宽度约为2～20mm，且裂缝处于发展状态。

3)在变形监测同时，用水流量监测仪进行精确量测，确定该处支护结构裂缝处出现滴水状。

4)确定隧道监测位移值U＝106.3mm在表1中所属范围U，并依据极限位移U₀＝200mm，确定方法见表1中所属范围U公式A或B，获得监测位移U＝106.3mm在B范围：即1/3U₀≤U≤2/3U₀。

5)确定隧道监测变形速率V＝11.2mm/d在表1中所处的取值范围V(mm/d)：确定方法见表1中位移值为B范围1/3U₀≤U≤2/3U₀情况下，变形速率V的范围为B₁、B₂、B₃，即：

(U₀-U)/5＝18.7mm(B₁)，2U₀/15-U/5＝5.4mm(B₃)，

由v＝11.2mm/d，获得v在B₂范围，即(U₀-U)/5≥v＞2U₀/15-U/5

6)已知变形加速度a＝3.2mm/d²，即得变形加速度a＞0；

7)依据本发明表1，确定CRD₁部危险等级为险情，属表1中判断危险等级状况类别中第7类状况。按表2，当危险等级为险情时，应立即对施工单位、监理单位、业主等相关单位发送险情报告，现场进行专家会诊，提出了有效的处理措施，避免了工程塌方事故。

实施例2：CRD₃部安全性判定，可同时参见图1。

本实施例隧道钻爆法施工安全5参数判定方法，包括下列步骤：

1)现场对某大断面隧道钻爆法施工后，用全站仪对隧道位移监测断面CRD3部进行变形监测，获得CRD₃部监测断面的周边位移值U为46.3mm、监测变形速率v为2.7mm/d、监测变形加速度a为-4.5mm/d²和监测的时间t_n，t_i，并依据CRD₃部极限位移U₀＝130mm。其中：监测变形速率v和监测变形加速度a确定方法分别按前述公式(1)和(3)确定。

2)在变形监测同时，用精度大于1mm的尺子确定该监测断面支护结构裂缝及发展状态如下：该处断面及附近支护结构无裂缝产生。

3)在变形监测同时，观察和按经验确定该处支护结构裂缝处无出水现象。

4)确定隧道监测位移值U＝46.3mm在表1中所属范围U，并依据极限位移U₀＝130mm，确定方法见表1中所属范围U公式A或B，获得监测位移U＝46.3mm在B范围：即1/3U₀≤U≤2/3U₀。

5)确定隧道监测变形速率V＝2.7mm/d在表1中所处的取值范围V(mm/d)，确定方法见表1中位移值为B范围1/3U₀≤U≤2/3U₀情况下，变形速率V的范围为B₁、B₂、B₃，即：

2U₀/15-U/5＝8.7mm(B₂)，(U₀-U)/5＝16.74mm(B₁)

由v＝2.7mm/d，获得v在B₃范围，即得v≤2U₀/15-U/5

6)已知变形加速度a＝-4.5mm/d²，即得变形加速度a＜0；

7)依据本发明表1，确定CRD₃部安全性判定危险等级为正常，属表1中判断危险等级状况类别中第10类状况。按表2，当危险等级为正常时，可正常施工、正常监测。

Claims (5)

1.隧道钻爆法施工安全5参数判定方法，有步骤1)现场对钻爆法施工后隧道位移监测断面确定极限位移U₀；在该处用变形监测仪器进行变形监测，获得监测断面的监测周边位移值U；确定监测变形速率V、确定监测变形加速度a和监测的时间t；其特征是：该方法还包括下述步骤：

1)上述步骤1)中变形监测仪器采用全站仪、水准仪或收敛计；

2)在隧道位移变形监测同时，用裂缝测宽、测探仪进行监测或用精度大于1mm的尺子量测，确定围岩支护结构裂缝和发展状态，记录并列入表1；

3)在隧道位移变形监测同时，采用水流量监测仪量测或观察和按经验确定监测断面处地下水状态，记录并列入表1；

4)确定隧道位移值所属范围U，确定方法见表1提供的A、B、C三个范围；

5)按表1提供的隧道变形速率V的取值范围A₁、A₂；B₁、B₂、B₃和C₁、C₂、C₃、C4，确定隧道监测变形速率V所处的取值范围；

6)将隧道监测变形加速度a正负值列入表1；

7)依据上述1)监测的U₀、U、V、a和t的数值，按表1提供的隧道位移值范围A、B、C，隧道变形速率取值范围A₁、A₂；B₁、B₂、B₃和C₁、C₂、C₃、C4；隧道变形加速度a正负值、支护结构裂缝及发展状态、地下水状态；确定本监测断面隧道危险等级、对应管理等级，危险等级的状况类别共18种一并列入表1；并将对应四种危险等级的施工措施列入表2。表1

表2

  管理等级   危险等级   施工措施 I 不稳定   发送失稳报告，立即停止施工，快速采取工程对策阻止围岩变形，加强监控量测，分析围岩运动状态，加强支护。   I   险情   发送险情报告，立即停止施工，采取工程对策，加强监测，分析原因，加强支护。   II   异常   发送异常报告，停止施工，加强监测，分析原因，确定工程措施。   III   正常   正常施工，正常监测。

2.按权利要求1所述判定方法，其特征是所述支护结构裂缝及发展状态有：(a)裂缝形式：环向裂缝(1)、纵向裂缝(2)和斜向裂缝(3)，其中环向和纵向裂缝对隧道结构的承载能力和稳定性影响较大；(b)裂缝特性：裂缝长度、宽度和数量；(c)裂缝发展状态：裂缝停止或继续发展；当表1中，裂缝状态指标与其他判定指标对应组合形式不存在而无法对应判定危险等级时，应按照以下条件判定危险等级：当有裂缝产生且继续发展，危险等级应提高一个等级，当无裂缝或裂缝停止发展，危险等级应降低一个等级。

3.按权利要求1所述判定方法，其特征是所述地下水状态分为三个级别：(a)潮湿或点滴状出水；(b)线状出水；(c)股状出水；当表1中，地下水状态指标与其他判定指标对应组合形式不存在而无法对应判定危险等级时，应按照以下条件判定危险等级：当有地下水存在时，判定危险等级可提高一级，当无地下水存在时，判定危险等级可降低一级。

4.按权利要求1所述判定方法，其特征是所述围岩变形加速度a属正常加速，一般处于如下两种状况：①确保围岩不失稳情况，开挖工作面通过量测断面前后的极短时间内围岩的变形加速；②当断面用台阶法、CRD法、CD法和双侧壁法分部开挖，其它分部由于围岩再次受施工扰动，通过量测断面时所出现的短时间的加速；除此之外的其它情况均属异常加速，这是围岩失稳的征兆，如果异常加速连续发展，表明围岩与支护体系处于失稳的征兆明显，这时需采用紧急处理措施。

5.按权利要求1所述判定方法，其特征是变形监测仪器采用全站仪；且所述全站仪、水准仪或收敛计的测量精度≤1mm。

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