CN103410516A - 小直径隧洞全断面开挖围岩变形预警工法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的小直径隧洞全断面开挖围岩变形预警工法，步骤如下：步骤一，前期地质勘查，岩芯取样，查明岩层节理裂隙的位置及走向；通过土工试验确定围岩参数，对围岩分类并汇总成表；根据地质调查结果，确定设计多点位移计安装方案：步骤二，隧洞开挖及多点位移计安装：步骤三，中期地质勘查：步骤四，多点位移计安装时间记录：步骤五，确定围岩变形预警值；步骤六，多点位移计数据观测记录，确定危险断面的补救处理。

Description

小直径隧洞全断面开挖围岩变形预警工法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域中一种针对在围岩条件较差的情况下采用新奥法全断面开挖建造隧洞时使用的围岩变形安全预警施工技术。 

背景技术

目前，使用新奥法开挖建造隧洞时，为了保证施工质量，保障施工安全，常用方法为使用多点位移计监测开挖段周围岩体的变形。由于该工法使用简单，费用合理，因此在我国水利工程界被广泛应用。传统的多点位移计监测围岩变形技术是一种相对静态的技术：首先，在图纸设计过程中，由设计人员根据相关地质勘查资料选取监测点；然后，在施工过程中根据规范要求，在隧洞开挖后安装测点，并在之后的施工过程中根据设计要求监测围岩变形；最后，针对已测得的围岩变形数据结合施工经验由工程师判断隧洞施工的安全性。这其中包括了对设计人员预判施工危险点的要求，以及施工人员对隧洞安全性经验判断的要求。 

但是在实际施工中，这种静态的安全监测技术已逐渐不能满足现在施工的需求。随着机械化程度的提高，施工速度越来越快，在施工过程中对突发情况处理的要求也越来越高，并且在施工过程中，隧洞安全判定完全依赖于施工人员的经验是不合理的。因此从静态监测转 变为动态监测，从经验判断转变为技术判断成了现代施工的要求。 

经过对现有技术文献检索发现，规范《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）对隧洞开挖围岩允许变形量做了规定，但是该规定仅针对收敛测点测值，而实际施工中收敛测点精度不高，并且极大程度受限于测量条件，测值不如多点位移计可靠；规范《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）对多点位移计的安装及监测技术做了详细的规定，但是并未对多点位移计安装时间做具体规定。隧洞内部安装的多点位移计都会滞后于隧洞开挖，在这段时间内围岩已发生较大的变形，而现有的围岩变形预警技术并无法考虑多点位移计安装前已产生的围岩变形，显然这一部分漏测的变形会影响工程师的判断，以致最终影响隧洞施工的安全。并且现有的技术对危险的判断主要依赖于工程师的经验，并没有专门的安全预警技术。 

发明内容

本发明要克服上述现有技术的不足，针对全断面开挖的小直径隧洞，在现有的多点位移计监测基础上提出一种更为安全合理的施工预警技术。方法简单，在现有的技术基础上合理利用工程经费，降低工程师作业难度，大大提高施工的安全性。 

本发明是通过以下的技术方案实现的，对建于围岩性状较差或隧洞轴线上存在局部节理裂隙的小直径隧洞，采用全断面开挖时使用本发明进行安全预警，本发明所述的小直径隧洞全断面开挖围岩变形预警工法，具体步骤如下： 

步骤一，前期地质勘查，岩芯取样，查明岩层节理裂隙的位置及 走向；通过土工试验确定围岩参数，对围岩分类并汇总成表；根据地质调查结果，确定设计多点位移计安装方案： 

①现场取芯后进行室内试验，根据《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-99）进行室内岩石物理力学性质试验，试验测得岩石抗压强度及完整性系数；根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）对开挖区围岩进行分类；对隧洞轴线处存在的断层或节理裂隙标注； 

②根据①中所勘查的隧洞轴线处周边岩层的条件，布置多点位移计，重点监测施工安全风险较高处围岩变形，如断层或节理裂隙处，确定观测频次。 

步骤二，隧洞开挖及多点位移计安装： 

①在步骤一中勘查得到的地质条件下，根据施工组织设计进行隧洞全断面开挖； 

②随着开挖进度，根据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）要求在设计断面安装步骤一中所布置的多点位移计。 

步骤三，中期地质勘查： 

由于在施工过程中可能会发现部分前期地质勘查时未探明的断层或节理裂隙，对步骤一中多点位移计安装方案进行补充；如确实存在步骤一中未发现的节理裂隙，在其基础上补充设计安装多点位移计，安装过程及方法重复步骤二。 

步骤四，多点位移计安装时间记录： 

由于在施工时，多点位移计无法在断面开挖后立即安装，因此在多点位移计安装完成后，记录多点位移计测点安装滞后断面开挖的滞 后时间t； 

步骤五，确定围岩变形预警值；由于工作面的原因，在施工开挖前以及之后一段时间内无法进行多点位移计安装，因此也无法进行变形观测。而大部分由隧洞开挖引起的变形却在这段时间内消散，因此首先需要对已消散部分的位移进行确定，进而确定围岩变形预警值： 

①根据步骤一中划分的围岩等级及步骤四中记录的多点位移计安装滞后时间t，查阅图1确定各套多点位移计的残余变形系数a； 

②根据步骤一中的围岩分类资料、隧洞埋深、以及多点位移计安装位置，查阅图4及图5，确定拱顶围岩允许相对位移系数b_h以及边墙围岩允许相对位移系数b_l； 

③根据公式

确定从初始测值开始后第n天拱顶多点位移计每延米变形预警值sc_hn，其中h为隧洞设计开挖高度，n为多点位移计安装完成后监测时间，t_f为多点位移计安装完成至设计二次衬砌完成时间间隔，l₁为单套多点位移计中最深测点监测长度；同样根据公式

确定边墙多点位移计每延米每天变形预警值sc_ln，其中l为隧洞设计开挖宽度。 

步骤六，多点位移计数据观测记录，确定危险断面的补救处理。 

①直至最终衬砌完成前，进行多点位移计变形数据X_nm观测记录，监测频次满足步骤一中设计要求，当次各测点监测数据根据公式x_nm=X_nm/l_m确定各测点每延米围岩变形值x_nm，其中l_m为单套多点位移计中各测点监测长度； 

②根据公式x_nm>sc_hn（和x_nm>sc_ln）确定是否需要进行进一步施工处理，当x_nm满足该公式时，则需要对危险断面进行进一步施工处理。 

上述六个工作步骤结合即为本发明提出的针对新奥法施工全断面开挖的小直径隧洞安全预警新型技术。与原有技术相比，本发明根据目前施工的需要，在传统安全预警的基础上，对其进行发展而成的一种新型安全预警技术，使得小直径隧洞在岩性较差的地层中全断面开挖施工能够更安全更可靠，是一种新型的安全监测技术。 

本发明的优点是：在实际应用中，对传统方法优势主要是合理利用工程经费，多点位移计测点布置更准确，危险判断更合理，避免了传统方法中测点布置的被动性以及安全预警对工程师经验的依赖性。由于隧洞开挖都存在着一定的风险，所以本发明无论从社会效益、经济效益、还是技术效益上来说，都具有很大的应用价值。本发明适用方向为在围岩条件较差的情况下，全断面开挖的小直径隧洞围岩变形安全预警施工技术。 

附图说明

图1为不同岩层变形残余系数a与滞后时间t关系； 

图2为单套多点位移计安装示意图； 

图3为应用本发明全断面开挖施工在较差围岩条件下小直径隧洞围岩变形安全预警施工技术六步示意图； 

图4为拱顶围岩允许相对位移系数bh(%)； 

图5为边墙围岩允许相对位移系数bl(%)。 

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

以某隧洞工程开挖为例，该隧洞为直径5m圆形隧洞，长2km，埋深80m，设计开挖开始至二次衬砌浇筑完成时间为110天，采用新奥法全断面开挖施工，为保证施工安全本发明工法按以下步骤进行： 

步骤一，现场地质勘查： 

现场取芯进行室内试验，岩体完整性系数0.6，抗压强度70MPa，根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）可将该处围岩划定为III类围岩，隧洞轴线方向存在1处发育的节理裂隙，设计在该断面安装多点位移计观测围岩变形，该断面安装拱顶1套，边墙2套共3套多点位移计。 

如图2所示，本实施例中涉及的多点位移计1为四点式多点位移计，每个测点监测长度从深至浅分别为l₁=25m，l₂=15m，l₃=5m，l₄=2m，仪器包括：多点位移计传感器2、塑料套管3、不锈钢连杆4、螺纹钢锚头5，其中：塑料套管3内径10mm，管壁2.5mm，不锈钢连杆4直径7mm、螺纹钢锚头5直径10mm，多点位移计传感器2与不锈钢连杆4螺纹连接，不锈钢连杆4与螺纹钢锚头5螺纹连接，多点位移计传感器2与塑料套管3阴阳口套接，塑料套管3与螺纹钢锚头5阴阳口套接，其中阴阳口套接部分使用防水胶带包裹。 

步骤二，根据施工组织设计进行隧洞开挖施工，并根据步骤一的设计要求，在设计安装多点位移计的断面开挖后根据规范要求安装多点位移计； 

步骤三，根据隧洞开挖现场情况，并未发现除步骤一中已探明外的新断层或节理裂隙，无需增加多点位移计； 

步骤四，记录多点位移计测点安装滞后断面开挖的滞后时间t=10天，三套多点位移计由于在同一断面同时安装，因此t相同； 

步骤五，确定围岩变形预警值： 

①查阅图1所示滞后时间t与残余变形系数a之间的关系，由于步骤一划定本工程围岩为III类围岩，确定a=0.3； 

②本工程最大埋深80m，查阅图4及图5，确定拱顶围岩允许相对位移系数b_h=0.4，边墙围岩允许相对位移系数b_l=0.2； 

③本工程以多点位移计监测第50天为例，根据公式 其中监测时间n=50，隧洞设计开挖高度h=5m，多点位移计安装完成至二次衬砌完成时间间隔t_f=110-10=100天，确定sc_h50=0.012m；同样根据公式

，其中隧洞设计开挖宽度l=5m，确定sc_l50=0.006m。 

步骤六，以多点位移计监测第50天为例，变形数据X_50m观测记录如下表所示：（单位：m） 

	1测点（l1)	2测点(l2)	3测点（l3)	4测点（l4)
					拱顶	0.250	0.120	0.040	0.020

[0043] 

左边墙	0.100	0.060	0.025	0.010
					右边墙	0.125	0.060	0.020	0.010

①根据公式x_nm=X_nm/l_m确定各测点每延米围岩变形值x_50m如下表所示：（单位：m） 

	1测点(l1)	2测点（l2)	3测点（l3)	4测点（l4)
					拱顶	0.010	0.008	0.008	0.010
左边墙	0.004	0.004	0.005	0.005
					左边墙	0.005	0.004	0.004	0.005

②根据步骤五中确定的sc_h50与sc_l50，根据公式x_50m>sc_h50（和x_50m>sc_l50）确定所有测点测值均小于预警值，不需要进行进一步施工处理。 

这说明本发明工法作用较高，在一定的施工资源条件下确保了施工的安全进行。所以利用本发明对在围岩条件较差的情况下建造全断面开挖的小直径隧洞，可以充分保证建造的安全性及最优化配置施工资源。 

Claims (1)

1.小直径隧洞全断面开挖围岩变形预警工法，具体步骤如下：

步骤一，前期地质勘查，岩芯取样，查明岩层节理裂隙的位置及走向；通过土工试验确定围岩参数，对围岩分类并汇总成表；根据地质调查结果，确定设计多点位移计安装方案：

①现场取芯后进行室内试验，根据《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-99）进行室内岩石物理力学性质试验，试验测得岩石抗压强度及完整性系数；根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）对开挖区围岩进行分类；对隧洞轴线处存在的断层或节理裂隙标注；

②根据①中所勘查的隧洞轴线处周边岩层的条件，布置多点位移计，重点监测施工安全风险较高处围岩变形，如断层或节理裂隙处，确定观测频次。

步骤二，隧洞开挖及多点位移计安装：

①在步骤一中勘查得到的地质条件下，根据施工组织设计进行隧洞全断面开挖；

②随着开挖进度，根据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）要求在设计断面安装步骤一中所布置的多点位移计。

步骤三，中期地质勘查：

由于在施工过程中可能会发现部分前期地质勘查时未探明的断层或节理裂隙，对步骤一中多点位移计安装方案进行补充；如确实存在步骤一中未发现的节理裂隙，在其基础上补充设计安装多点位移计，安装过程及方法重复步骤二。

步骤四，多点位移计安装时间记录：

由于在施工时，多点位移计无法在断面开挖后立即安装，因此在多点位移计安装完成后，记录多点位移计测点安装滞后断面开挖的滞后时间t；

步骤五，确定围岩变形预警值；由于工作面的原因，在施工开挖前以及之后一段时间内无法进行多点位移计安装，因此也无法进行变形观测。而大部分由隧洞开挖引起的变形却在这段时间内消散，因此首先需要对已消散部分的位移进行确定，进而确定围岩变形预警值：

①根据步骤一中划分的围岩等级及步骤四中记录的多点位移计安装滞后时间t，查阅图1确定各套多点位移计的残余变形系数a；

②根据步骤一中的围岩分类资料、隧洞埋深、以及多点位移计安装位置，查阅表1及表2，确定拱顶围岩允许相对位移系数b_h以及边墙围岩允许相对位移系数b_l；

③根据公式

确定从初始测值开始后第n天拱顶多点位移计每延米变形预警值sc_hn，其中h为隧洞设计开挖高度，n为多点位移计安装完成后监测时间，t_f为多点位移计安装完成至设计二次衬砌完成时间间隔，l₁为单套多点位移计中最深测点监测长度；同样根据公式

确定边墙多点位移计每延米每天变形预警值sc_ln，其中l为隧洞设计开挖宽度。

步骤六，多点位移计数据观测记录，确定危险断面的补救处理。

①直至最终衬砌完成前，进行多点位移计变形数据X_nm观测记录，监测频次满足步骤一中设计要求，当次各测点监测数据根据公式x_nm=X_nm/l_m确定各测点每延米围岩变形值x_nm，其中l_m为单套多点位移计中各测点监测长度；

②根据公式x_nm>sc_hn（或x_nm>sc_ln）确定是否需要进行进一步施工处理，当x_n满足该公式时，则需要对危险断面进行进一步施工处理。

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