CN110005467A - 隧洞掌子面监测及优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是针对采用全断面开挖的软岩或软土隧洞，提供了隧洞掌子面监测及优化设计方法，包括系统性监测内容的设计，各监测仪器的布置以及监测频次，开挖支护设计方案的优化等，达到解决现有的监测方法中未能全面考虑掌子面变形特征对隧洞稳定的影响的问题，并为施工方案及支护参数优化提供直接依据。本方法的具体内容是：对预先选取的隧洞试验段进行开挖，分别在开挖过程中逐步减少玻璃纤维锚杆搭接长度、逐步提高开挖进尺、逐步提高掌子面停留时间，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的玻璃纤维锚杆搭接长度参数、开挖进尺参数、掌子面停留时间参数。

Description

隧洞掌子面监测及优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种ADECO-RS工法隧洞的系统性监测及优化设计方法，主要适用于交通、水电等行业的全断面开挖设计和施工技术优化。
背景技术
复杂地质条件下，系统性的监测是保障隧洞安全建设的重要手段。通过监测及时掌握隧洞变形、应力等特征，评价施工方案、支护参数的合理性。常见的隧洞监测主要包括隧洞洞身收敛变形、地表沉降监测等。
岩土控制变形分析施工(ADECO-RS)工法，又称“新意法”，认为掌子面稳定对隧洞安全的具有重要意义。ADECO-RS工法通过对隧道掌子面超前核心岩土体的勘察、量测、预报，对不能自稳的掌子面需通过掌子面支护，据以信息化设计支护措施，确保隧洞安全穿越复杂地质层面和实现全断面开挖的一种设计施工指导原则。ADECO-RS工法强调对掌子面超前核心岩土体变形的监控量测。
该方法系统地对采用ADECO-RS工法施工的隧洞进行监测，以便及时判断掌子面及隧洞洞身的稳定特征，优化复杂地质条件下的隧洞施工方案及支护设计。
发明内容
本发明是针对采用全断面开挖的软岩或软土隧洞，提供了隧洞掌子面监测及优化设计方法，包括系统性监测内容的设计，各监测仪器的布置以及监测频次，开挖支护设计方案的优化等，达到解决现有的监测方法中未能全面考虑掌子面变形特征对隧洞稳定的影响的问题，并为施工方案及支护参数优化提供直接依据。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法，所述方法包括以下步骤：
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步减少玻璃纤维锚杆搭接长度，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的玻璃纤维锚杆搭接长度参数；
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步提高开挖进尺，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的开挖进尺参数；
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步提高掌子面停留时间，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形进行监测，获得优化后的掌子面停留时间参数。
作为优选，所述监测过程中的变形情况进行监测的监测内容包括隧洞顶拱变形监测、隧洞洞周收敛变形监测、隧洞地表变形的响应监测、隧洞周围地下水的变化监测、隧洞掌子面前方不同深度岩土体的变形特征监测、掌子面混凝土喷层压力监测。
作为优选，所述隧洞顶拱变形监测的步骤为：沿着隧洞轴线方向布置多个多点位移计，所述多点位移计的测试点从地表至隧洞顶拱上方预埋，检测精度0.1mm，检测监测隧洞顶拱上方不同位置的变形。
作为优选，所述隧洞洞周收敛变形监测的步骤为：通过棱镜观测两个隧洞监测断面的收敛变形情况，所述监测断面包括第一监测断面和第二监测断面，所述第一监测断面和掌子面距离大于或等于隧洞直径的两倍，第二监测断面和掌子面距离小于或等于隧洞直径的两倍。
作为优选，所述隧洞地表变形的响应监测的步骤为：在隧洞上方的地表沿掌子面推进方向布置沉降监测点，所述沉降监测点分三排沿着掌子面推进方向布置，每一排沉降监测点中一个沉降监测点位于隧洞正上方，两个沉降监测点位于隧洞两侧。
作为优选，所述隧洞周围地下水的变化监测的步骤为：在试验段开挖前,自隧洞正上方的地表至隧洞掌子面任意一侧倾斜钻设地下水监测钻孔，监测地下水监测钻孔内地下水变化，所述地下水监测钻孔的末端深度和隧洞掌子面中心深度相等，其位于地表的一端所述地下水监测钻孔直径110mm，并设置PVC管保护孔壁。
作为优选，所述隧洞掌子面前方深度岩土体的变形特征监测的步骤为：在隧洞掌子面推进方向上预埋变形测量计，监测掌子面前方核心岩土体不同深度的变形特征。
作为优选，所述掌子面混凝土喷层压力监测的步骤为：在掌子面停留时，在掌子面中心及环绕掌子面中心等距布置喷层压力盒，通过喷层压力盒测量监测掌子面混凝土喷层受力特性，所述喷层压力盒最大量程5MPa，精度小于0.05MP。
作为优选，对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步减少玻璃纤维锚杆搭接长度，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的玻璃纤维锚杆搭接长度参数的步骤之前，还包括以下步骤：根据新意法设计试验段隧道开挖支护参数，所述开挖支护参数包括玻璃纤维锚杆搭接长度参数、开挖进尺参数子面停留时间参数。
本发明针对采用全断面开挖的软岩或软土隧洞，提供了一种针对隧洞掌子面的系统性监测及开挖支护方式优化设计方法，系统性对开挖过程中隧道掌子面形变及地下水变化进行监测，并通过试验段开挖过程中逐步调整玻璃纤维锚杆搭接长度参数、开挖进尺参数子面停留时间参数进行优化等，达到解决现有的监测方法中未能全面考虑掌子面变形特征对隧洞稳定的影响的问题，并为施工方案及支护参数优化提供直接依据。
附图说明
图1为本发明的隧洞顶拱变形监测的步骤中的多点位移计的布置示例图。
图2为本发明的隧洞洞周收敛变形监测的步骤中的监测断面的布置示例图。
图3为本发明的隧洞洞周收敛变形监测的步骤中的监测断面的断面示例图。
图4为本发明的隧洞地表变形的响应监测的步骤中的沉降监测点的沉降测试点布置纵剖示例图。
图5为本发明的隧洞地表变形的响应监测的步骤中的沉降监测点的沉降测试点布置俯视示例图。
图6为本发明的隧洞周围地下水的变化监测的步骤中的地下水监测钻孔的布置纵剖示例图。
图7为本发明的隧洞周围地下水的变化监测的步骤中的地下水监测钻孔的布置断面示例图。
图8为本发明的隧洞掌子面前方深度岩土体的变形特征监测的步骤中的变形测量计的布置示例图。
图9为本发明的掌子面混凝土喷层压力监测的步骤中的布置喷层压力盒的布置示例图。
图中：1多点位移计、2棱镜观测点、3沉降监测点、4、地下水监测钻孔、5变形测量计、6喷层压力盒、7、掌子面、8地表。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
本发明的一种超深埋条件下预置人工裂纹的地应力测量方法，所述方法包括以下步骤：
根据新意法设计试验段隧道开挖支护参数，所述开挖支护参数包括玻璃纤维锚杆搭接长度参数、开挖进尺参数子面停留时间参数。试验段可取隧洞25-50m长的直线段。
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步减少玻璃纤维锚杆搭接长度，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的玻璃纤维锚杆搭接长度参数。
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步提高开挖进尺，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的开挖进尺参数。
具体的，逐步提高开挖进尺1.1s，1.2s，1.4s，1.6s，……，通过系统监测判断隧洞的稳定性，此时需加密观测，得到优化后的开挖进尺。
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步提高掌子面停留时间，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形进行监测，获得优化后的掌子面停留时间参数。
具体的，分析掌子面停留时间对隧洞稳定性的影响，观测停留12(h)，24(h)，36(h)，……，通过系统监测判断隧洞的稳定性，此时需加密观测，得到掌子面合适的停留时间。
所述监测过程中的变形情况进行监测的监测内容包括隧洞顶拱变形监测、隧洞洞周收敛变形监测、隧洞地表变形的响应监测、隧洞周围地下水的变化监测、隧洞掌子面前方不同深度岩土体的变形特征监测、掌子面混凝土喷层压力监测。
所述隧洞顶拱变形监测的步骤为：沿着隧洞轴线方向布置多个多点位移计，所述多点位移计的测试点从地表至隧洞顶拱上方预埋，检测精度0.1mm，检测监测隧洞顶拱上方不同位置的变形。
具体的，监测隧洞顶拱上方不同位置的变形(如隧洞上方1.5m,3.0m,4.5m和10.0m位置的变形)，精度要求0.1mm，可以沿着隧洞轴线方向布置多个多点位移计进行监测，多点位移计的布置如图1所示，要求每个开挖循环多点位移计的位移数据至少记录一次，同时，每天至少完成1次多点位移计的变形数据记录。
所述隧洞洞周收敛变形监测的步骤为：通过棱镜观测两个隧洞监测断面的收敛变形情况，所述监测断面包括第一监测断面和第二监测断面，所述第一监测断面和掌子面距离大于或等于隧洞直径的两倍，第二监测断面和掌子面距离小于或等于隧洞直径的两倍。
具体的，通过常规棱镜观测，要求距离掌子面两倍洞径范围内外(D表示为隧洞直径；监测断面1，至掌子面距离≤2D；监测断面2，至掌子面距离≥2D)分别布置有监测断面，监测断面布置方式如图2所示，要求对监测断面1(至掌子面距离≤2D)，每天至少记录1次收敛变形数据，监测断面2(至掌子面距离≥2D)，每两天至少记录1次收敛变形数据。棱镜观测点如图3所示。
所述隧洞地表变形的响应监测的步骤为：在隧洞上方的地表沿掌子面推进方向布置沉降监测点，所述沉降监测点分三排沿着掌子面推进方向布置，每一排沉降监测点中一个沉降监测点位于隧洞正上方，两个沉降监测点位于隧洞两侧。
具体的，沉降监测点的布置如图3、图4所示，要求已开挖隧洞段，每个开挖循环至少监测一次沉降量，同时，每天至少完成1次沉降量的监测，并做好沉降监测参照点的稳定性监测。
所述隧洞周围地下水的变化监测的步骤为：在试验段开挖前,自隧洞正上方的地表至隧洞掌子面任意一侧倾斜钻设地下水监测钻孔，监测地下水监测钻孔内地下水变化，所述地下水监测钻孔的末端深度和隧洞掌子面中心深度相等，其位于地表的一端所述地下水监测钻孔直径110mm，并设置PVC管保护孔壁。
具体的，地下水观测孔布置如图5、图6所示，要求试验期间，每天至少2次观测；若地下水变化显著，需加密观测频次。
所述隧洞掌子面前方深度岩土体的变形特征监测的步骤为：在隧洞掌子面推进方向上预埋变形测量计，监测掌子面前方核心岩土体不同深度的变形特征。
具体的，与在提前在掌子面预埋变形测量计M-RHX–Modular Reverse-HeadExtensometer，单支M-RHX总长24m，每支包含11个位移监测点，测点间距2m，各位移监测点最大量程200mm。M-RHX监测点布置如图7所示，要求在M-RHX监测仪器预埋安装完成后，对初设变形进行滤定，要求每个开挖循环各测点至少记录2次，同时，未开挖阶段，每天至少完成1次测点位移的数据记录。
所述掌子面混凝土喷层压力监测的步骤为：在掌子面停留时，在掌子面中心及环绕掌子面中心等距布置喷层压力盒，通过喷层压力盒测量监测掌子面混凝土喷层受力特性，所述喷层压力盒最大量程5MPa，精度小于0.05MP。
具体的，掌子面喷层压力盒布置如图8所示，要求在试验段，掌子面喷层完成至下个进尺开挖前，至少完成两次监测。
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步减少玻璃纤维锚杆搭接长度，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的玻璃纤维锚杆搭接长度参数的步骤之前，还包括以下步骤：根据新意法设计隧道开挖支护参数，所述开挖支护参数包括玻璃纤维锚杆搭接长度参数、开挖进尺参数子面停留时间参数。
本方案，对隧洞开挖n次(此时掌子面玻璃纤维锚杆长度等于l(m)，即搭接长度)，记录各仪器监测数据。若监测数据显示隧洞稳定，可进一步研究开挖支护设计的优化，若监测数据显示隧洞稳定性较差，则当前设计难以确保隧洞稳定，需要调整开挖支护设计，并再次进行试验评估更新后的方案的合理性。

Claims (9)

1.一种隧洞掌子面监测及优化设计方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步减少玻璃纤维锚杆搭接长度，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的玻璃纤维锚杆搭接长度参数；
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步提高开挖进尺，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的开挖进尺参数；
对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步提高掌子面停留时间，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形进行监测，获得优化后的掌子面停留时间参数。
2.根据权利权利要求1所述的方法，其特征是，所述监测过程中的变形情况进行监测的监测内容包括隧洞顶拱变形监测、隧洞洞周收敛变形监测、隧洞地表变形的响应监测、隧洞周围地下水的变化监测、隧洞掌子面前方不同深度岩土体的变形特征监测、掌子面混凝土喷层压力监测。
3.根据权利权利要求2所述的方法，其特征是，所述隧洞顶拱变形监测的步骤为：
沿着隧洞轴线方向布置多个多点位移计，所述多点位移计的测试点从地表至隧洞顶拱上方预埋，检测精度0.1mm，检测监测隧洞顶拱上方不同位置的变形。
4.根据权利权利要求2所述的方法，其特征是，所述隧洞洞周收敛变形监测的步骤为：
通过棱镜观测两个隧洞监测断面的收敛变形情况，所述监测断面包括第一监测断面和第二监测断面，所述第一监测断面和掌子面距离大于或等于隧洞直径的两倍，第二监测断面和掌子面距离小于或等于隧洞直径的两倍。
5.根据权利权利要求2所述的方法，其特征是，所述隧洞地表变形的响应监测的步骤为：
在隧洞上方的地表沿掌子面推进方向布置沉降监测点，所述沉降监测点分三排沿着掌子面推进方向布置，每一排沉降监测点中一个沉降监测点位于隧洞正上方，两个沉降监测点位于隧洞两侧。
6.根据权利权利要求2所述的方法，其特征是，所述隧洞周围地下水的变化监测的步骤为：在试验段开挖前,自隧洞正上方的地表至隧洞掌子面任意一侧倾斜钻设地下水监测钻孔，监测地下水监测钻孔内地下水变化，所述地下水监测钻孔的末端深度和隧洞掌子面中心深度相等，其位于地表的一端所述地下水监测钻孔直径110mm，并设置PVC管保护孔壁。
7.根据权利权利要求2所述的方法，其特征是，所述隧洞掌子面前方深度岩土体的变形特征监测的步骤为：在隧洞掌子面推进方向上预埋变形测量计，监测掌子面前方核心岩土体不同深度的变形特征。
8.根据权利权利要求2所述的方法，其特征是，所述掌子面混凝土喷层压力监测的步骤为：在掌子面停留时，在掌子面中心及环绕掌子面中心等距布置喷层压力盒，通过喷层压力盒测量监测掌子面混凝土喷层受力特性，所述喷层压力盒最大量程5MPa，精度小于0.05MP。
9.根据权利权利要求1所述的方法，其特征是，对预先选取的隧洞试验段进行开挖，开挖过程中逐步减少玻璃纤维锚杆搭接长度，其他开挖支护参数不变，同时监测开挖过程中的隧洞掌子面变形情况进行监测，获得优化后的玻璃纤维锚杆搭接长度参数的步骤之前，还包括以下步骤：根据新意法设计试验段隧道开挖支护参数，所述开挖支护参数包括玻璃纤维锚杆搭接长度参数、开挖进尺参数子面停留时间参数。
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