CN111122826A - 初衬式竖井系统性监测及优化设计方法 - Google Patents

初衬式竖井系统性监测及优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，包括系统性监测内容的设计，开挖支护设计方案的优化，一方面，论证初衬式竖井开挖支护方案的合理性，保障施工安全；另一方面，为施工方案及初期衬砌厚度优化提供依据，提高施工效率。所述方法步骤主要包括，选取若干监测段；开挖过程中对每一监测段，选择典型监测断面布置6项开挖支护响应监测，根据每一监测段的所述6项开挖支护响应监测的结果判断初衬式竖井开挖支护设计方案的合理性，优化开挖支护设计方案。

Description

初衬式竖井系统性监测及优化设计方法
技术领域
本发明涉及地下工程竖井施工技术领域，尤其适用于初期支护采用现浇混凝土衬砌的竖井，对竖井围岩开挖支护响应及初期支护混凝土衬砌进行系统性的监测，并根据监测结果，进一步地为竖井开挖支护方案优化提供依据的优化设计方法。
背景技术
地下工程的规模不断扩大、深度不断延伸，深竖井及超深竖井工程越来越多。对于深竖井及超深竖井工程，支护结构的稳定性对保障施工安全及工程按期完成尤为重要。
竖井工程不同于隧洞工程，复杂的施工工序将耗费更多的施工时间，便捷的支护方式将有利于节省施工时间，提高施工效率，更好地保障工程按期完成。通常情况下，采用喷锚方式对竖井工程进行初期支护。然而，喷锚支护方案工序较多，对于竖井工程，钻孔、爆破、出渣、初喷、锚杆支护、复喷等步序常常需要通过吊盘上下竖井进行实施，耗费较多的时间。同时，利用喷锚方案进行初期支护的竖井，支护表面通常平整性较差，若造成吊盘撞击或卡住，威胁到施工人员的安全。
因此，对于围岩条件相对较好的竖井工程或竖井段，可采用初衬混凝土的支护方案，竖井开挖后，通过滑模方式浇筑一定厚度的混凝土作为初期支护。主要工序为钻孔、爆破、出渣、浇筑混凝土，工序上节省了施工时间，待混凝土强度提升后，进行下一循环开挖支护施工。同时，模板浇筑的初期衬砌混凝土表明平整度有保证，有利于吊盘上下移动。对于竖井工程，该方法具有一定的优势。系统性的监测是保障工程安全的重要手段，通过监测及时掌握竖井围岩变形及衬砌受力等特征，评价施工方案、支护参数的合理性，但是现有技术中的初衬式竖井开挖支护监测方案缺乏系统性及具体的开挖支护方案优化方法。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的竖井开挖工程缺乏系统性监测及优化设计方法的不足之处，为初期支护采用现浇混凝土衬砌的竖井工程提供了一种初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，包括系统性监测内容的设计，开挖支护设计方案的优化，一方面，论证竖井初衬式支护方案的合理性，保障施工安全；另一方面，为施工方案及初期衬砌厚度优化提供依据，提高施工效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明申请提供一种初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，根据初衬式竖井工程的具体特征，依据地层及埋深情况选取若干监测段；
步骤2，以初始设计的竖井开挖进尺和初始衬砌厚度进行竖井施工，开挖过程中对每一监测段，选择典型监测断面布置6项开挖支护响应监测，所述的6项开挖支护响应监测的内容包括：竖井围岩变形监测、竖井围岩应力监测、竖井初期衬砌混凝土应力监测、竖井围岩松弛深度监测、竖井初期衬砌混凝土及围岩声发射监测、竖井初期衬砌混凝土与围岩接触面压力监测；
步骤3，根据每一监测段的所述6项开挖支护响应监测的结果判断开挖支护设计方案的合理性，优化竖井开挖支护设计方案，重新布置所述6项开挖支护响应监测，并重新判断和优化开挖支护设计方案，直至6项开挖支护响应监测的结果满足施工要求。
作为优选，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤301，初期衬砌混凝土浇筑情况的判断及优化：若竖井围岩变形监测、竖井围岩应力监测、竖井初期衬砌混凝土应力监测结果正常且围岩的爆破松动圈小于预警值，而竖井初期衬砌混凝土及围岩声发射监测的结果数据显示初期衬砌混凝土的裂缝情况异常，则优化混凝土的浇筑质量、混凝土配合比及混凝土养护状况，控制初期衬砌混凝土裂缝；
步骤302，爆破方案及开挖进尺的判断及优化，若竖井围岩松弛深度监测结果异常，则改善爆破方案或减小爆破开挖进尺；
步骤303，开挖进尺的判断及优化，若所述6项开挖支护响应监测的结果正常，则逐步增加竖井开挖进尺，每次开挖进尺增加1m直至所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险，将所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险时的开挖进尺减去1m后的开挖进尺长度作为最终的优化设计的开挖进尺长度；
步骤304，初期衬砌混凝土厚度的判断及优化，若所述6项开挖支护响应监测的结果正常且初期衬砌混凝土厚度不小于30cm，则逐步减小初期衬砌混凝土厚度，每次初期衬砌混凝土厚度减小5cm，直至所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险，将所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险时的初期衬砌混凝土厚度增加5cm后的初期衬砌混凝土厚度作为最终的优化设计的初期衬砌混凝土厚度，所述初期衬砌混凝土厚度不小于25cm。
作为优选，所述步骤1具体包括：根据初衬式竖井工程的具体特征，依据地层及埋深情况选取多个监测段，竖井前50米定为第一个监测段，其后每100-200m设置为一个监测段，对于埋深大于1000m竖井段，每隔50-100m设置一个监测段，监测段覆盖应力集中区和应力松弛区。
作为优选，所述竖井围岩变形监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面的竖井围岩中间隔预设深度埋设多点位移计，同一深度的多点位移计的监测点沿竖井横截面轴线等距间隔设置，通过多点位移计对竖井围岩变形进行监测。
作为优选，所述竖井围岩应力监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面中，沿着竖井围岩埋设两层围岩应力计，外层的围岩应力计环绕竖井围岩等距间隔设置，内层的围岩应力计环绕竖井围岩等距间隔设置且内层的围岩应力计位于外层的相邻两个围岩应力计之间，通过围岩应力计对竖井围岩进行应力监测。
作为优选，所述竖井初期衬砌混凝土应力监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面中，初期衬砌混凝土内埋设混凝土应力计，所述混凝土应力计环绕竖井中轴等距间隔设置，通过混凝土应力计对竖井初期衬砌混凝土进行应力监测。
作为优选，所述竖井围岩松弛深度监测的步骤具体包括：初期衬砌混凝土浇筑前，在监测段的典型监测断面中的竖井围岩四周设置松弛深度测试孔，松弛深度测试孔沿着竖井径向方向延伸，在松弛深度测试孔内通过声波仪对竖井围岩进行松弛深度测试。
作为优选，所述竖井初期衬砌混凝土及围岩声发射监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面中，环绕初期衬砌混凝土的内壁等距间隔设置声发射监测单元，通过声发射监测单元监测初期衬砌混凝土及围岩的裂缝扩展情况。
作为优选，所述每个监测段中至少设有3个典型监测断面布置发射监测单元。
作为优选，所述竖井初期衬砌混凝土与围岩接触面压力监测的步骤具体包括：在初期衬砌混凝土浇筑前，在监测段的典型监测断面的竖井围岩内壁和初期衬砌混凝土之间埋设压力盒，所述压力盒环绕竖井围岩内壁等距间隔设置，通过压力盒监测初期衬砌混凝土与围岩直接的接触压力。
本方法通过监测及时掌握竖井变形及衬砌受力等特征，评价施工方案、支护参数的合理性。本方法除了对竖井围岩变形受力监测、变形监测、应力监测，同时，对初期衬砌混凝土的应力、混凝土围岩接触状况、混凝土裂缝扩展情况进行监测。以便及时判断竖井围岩及支护稳定特征，优化初衬式竖井施工方案及支护设计。
附图说明
图1为初衬式竖井结构纵向剖视示意图。
图2为初衬式竖井结构横向剖视示意图。
图3为竖井围岩多点位移计监测布置示意图。
图4为竖井围岩应力监测布置示意图。
图5为初期衬砌混凝土应力监测布置示意图。
图6为竖井典型监测断面松弛深度测试布置示意图。
图7为竖井声发射监测断面布置示意图。
图8为初期衬砌混凝土与围岩接触压力监测布置的纵向剖视示意图。
图9为初期衬砌混凝土与围岩接触压力监测布置的横向剖视示意图。
图中：
1、初期衬砌混凝土；2、竖井围岩；3、多点位移计；4、围岩应力计；5、混凝土应力计；6、松弛深度测试孔；7、声发射监测单元；8、压力盒；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
本发明申请提供一种初衬式竖井系统性监测及优化设计方法。本方法是针对初衬式竖井，如图1、图2所示，竖井开挖后，竖井围岩2内侧浇筑一层初期衬砌混凝土1作为初期支护。
所述方法包括以下步骤：
步骤1，根据初衬式竖井工程的具体特征，依据地层及埋深情况选取若干监测段。
具体的，根据初衬式竖井工程的具体特征，依据地层及埋深情况选取多个监测段，竖井前50米定为第一个监测段，其后每100-200m设置为一个监测段，对于埋深大于1000m竖井段，每隔50-100m设置一个监测段，监测段覆盖应力集中区和应力松弛区。
步骤2，以初始设计的竖井开挖进尺和初始衬砌厚度进行竖井施工，开挖过程中对每一监测段，选择典型监测断面布置6项开挖支护响应监测，所述的6项开挖支护响应监测的监测内容包括：竖井围岩变形监测、竖井围岩应力监测、竖井初期衬砌混凝土应力监测、竖井围岩松弛深度监测、竖井初期衬砌混凝土及围岩声发射监测、竖井初期衬砌混凝土与围岩接触面压力监测。
如图3，所述竖井围岩变形监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面的竖井围岩中间隔预设深度埋设多点位移计3，同一深度的多点位移计3的监测点沿竖井横截面轴线等距间隔设置，通过多点位移计3对竖井围岩变形进行监测。多点位移计3监测围岩不同深度的变形(如2.0m,4.0m和6.0m等位置的变形)，精度要求0.1mm，同一深度的多点位移计3的监测点的间隔距离为2m。
如图4，所述竖井围岩应力监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面中，沿着竖井围岩埋设两层围岩应力计4，外层的围岩应力计4环绕竖井围岩等距间隔设置，内层的围岩应力计4环绕竖井围岩等距间隔设置且内层的围岩应力计4位于外层的相邻两个围岩应力计4之间，通过围岩应力计4对竖井围岩进行应力监测。
如图5，所述竖井初期衬砌混凝土应力监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面中，初期衬砌混凝土内埋设混凝土应力计5，所述混凝土应力计5环绕竖井中轴等距间隔设置，通过混凝土应力计5对竖井初期衬砌混凝土进行应力监测。
如图6，所述竖井围岩松弛深度监测的步骤具体包括：初期衬砌混凝土浇筑前，在监测段的典型监测断面中的竖井围岩四周设置松弛深度测试孔6，松弛深度测试孔6沿着竖井径向方向延伸，在松弛深度测试孔6内通过声波仪对竖井围岩进行松弛深度测试。
如图7，所述竖井初期衬砌混凝土及围岩声发射监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面中，环绕初期衬砌混凝土的内壁等距间隔设置声发射监测单元7，通过声发射监测单元7监测初期衬砌混凝土及围岩的裂缝扩展情况。所述每个监测段中至少设有3个典型监测断面布置发射监测单元。
如图8、图9，所述竖井初期衬砌混凝土与围岩接触面压力监测的步骤具体包括：在初期衬砌混凝土浇筑前，在监测段的典型监测断面的竖井围岩内壁和初期衬砌混凝土之间埋设压力盒8，所述压力盒8环绕竖井围岩内壁等距间隔设置，通过压力盒8监测初期衬砌混凝土与围岩直接的接触压力。
同时典型监测断面的钻孔应尽可能地上倾，以便洗孔的水可以由孔口流出。
步骤3，根据每一段监测段的所述6项开挖支护响应监测的结果判断开挖支护设计方案的合理性，优化竖井开挖支护设计方案，重新布置所述6项开挖支护响应监测，并重新判断和优化开挖支护设计方案，直至6项开挖支护响应监测的结果满足施工要求。
优选的，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤301，初期衬砌混凝土浇筑情况的判断及优化：若竖井围岩变形监测、竖井围岩应力监测、竖井初期衬砌混凝土应力监测结果正常且围岩的爆破松动圈小于预警值，而竖井初期衬砌混凝土及围岩声发射监测的结果数据显示初期衬砌混凝土的裂缝情况异常，则优化混凝土的浇筑质量、混凝土配合比及混凝土养护状况，控制初期衬砌混凝土裂缝；其中，爆破松动圈小于预警值通过松弛深度的测试结果判断；
步骤302，爆破方案及开挖进尺的判断及优化，若竖井围岩松弛深度监测结果异常，则改善爆破方案或减小爆破开挖进尺；
步骤303，开挖进尺的判断及优化，若所述6项开挖支护响应监测的结果正常，则逐步增加竖井开挖进尺，每次开挖进尺增加1m直至所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险，将所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险时的开挖进尺减去1m后的开挖进尺长度作为最终的优化设计的开挖进尺长度；
步骤304，初期衬砌混凝土厚度的判断及优化，若所述6项开挖支护响应监测的结果正常且初期衬砌混凝土厚度不小于30cm，则逐步减小初期衬砌混凝土厚度，每次初期衬砌混凝土厚度减小5cm，直至所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险，将所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险时的初期衬砌混凝土厚度增加5cm后的初期衬砌混凝土厚度作为最终的优化设计的初期衬砌混凝土厚度，所述初期衬砌混凝土厚度不小于25cm。
本方法通过监测及时掌握竖井变形及衬砌受力等特征，评价施工方案、支护参数的合理性。本方法除了对竖井围岩变形受力监测、变形监测、应力监测，同时，对初期衬砌混凝土的应力、混凝土围岩接触状况、混凝土裂缝扩展情况进行监测。以便及时判断竖井围岩及支护稳定特征，优化初衬式竖井施工方案及支护设计。

Claims (10)

1.一种初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
步骤1，根据初衬式竖井工程的具体特征，依据地层及埋深情况选取若干监测段；
步骤2，以初始设计的竖井开挖进尺和初始衬砌厚度进行竖井施工，开挖过程中对每一监测段，选择典型监测断面布置6项开挖支护响应监测，所述的6项开挖支护响应监测内容包括：竖井围岩变形监测、竖井围岩应力监测、竖井初期衬砌混凝土应力监测、竖井围岩松弛深度监测、竖井初期衬砌混凝土及围岩声发射监测、竖井初期衬砌混凝土与围岩接触面压力监测；
步骤3，根据每一监测段的所述6项开挖支护响应监测的结果判断开挖支护设计方案的合理性，优化竖井开挖支护设计方案，重新布置所述6项开挖支护响应监测，并重新判断和优化开挖支护设计方案，直至6项开挖支护响应监测的结果满足施工要求。
2.根据权利要求1所述的一种初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤301，初期衬砌混凝土浇筑情况的判断及优化：若竖井围岩变形监测、竖井围岩应力监测、竖井初期衬砌混凝土应力监测结果正常且围岩的爆破松动圈小于预警值，而竖井初期衬砌混凝土及围岩声发射监测的结果数据显示初期衬砌混凝土的裂缝情况异常，则优化混凝土的浇筑质量、混凝土配合比及混凝土养护状况，控制初期衬砌混凝土裂缝；
步骤302，爆破方案及开挖进尺的判断及优化，若竖井围岩松弛深度监测结果异常，则改善爆破方案或减小爆破开挖进尺；
步骤303，开挖进尺的判断及优化，若所述6项开挖支护响应监测的结果正常，则逐步增加竖井开挖进尺，每次开挖进尺增加1m直至所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险，将所述6项开挖支护参数响应显示竖井开挖存在安全风险时的开挖进尺减去1m后的开挖进尺长度作为最终的优化设计的开挖进尺长度；
步骤304，初期衬砌混凝土厚度的判断及优化，若所述6项开挖支护响应监测的结果正常且初期衬砌混凝土厚度不小于30cm，则逐步减小初期衬砌混凝土厚度，每次初期衬砌混凝土厚度减小5cm，直至所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险，将所述6项开挖支护响应监测显示竖井开挖存在安全风险时的初期衬砌混凝土厚度增加5cm后的初期衬砌混凝土厚度作为最终的优化设计的初期衬砌混凝土厚度，所述初期衬砌混凝土厚度不小于25cm。
3.根据权利要求1所述的初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述步骤1具体包括：根据初衬式竖井工程的具体特征，依据地层及埋深情况选取多个监测段，竖井前50米定为第一个监测段，每100-200m设置为一个监测段，对于埋深大于1000m竖井段，每隔50-100m设置一个监测段，监测段覆盖应力集中区和应力松弛区。
4.根据权利要求1所述的初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述竖井围岩变形监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面的竖井围岩中间隔预设深度埋设多点位移计，同一深度的多点位移计的监测点沿竖井横截面轴线等距间隔设置，通过多点位移计对竖井围岩变形进行监测。
5.根据权利要求1所述的初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述竖井围岩应力监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面中，沿着竖井围岩埋设两层围岩应力计，外层的围岩应力计环绕竖井围岩等距间隔设置，内层的围岩应力计环绕竖井围岩等距间隔设置且内层的围岩应力计位于外层的相邻两个围岩应力计之间，通过围岩应力计对竖井围岩进行应力监测。
6.根据权利要求1所述的初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述竖井初期衬砌混凝土应力监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面中，初期衬砌混凝土内埋设混凝土应力计，所述混凝土应力计环绕竖井中轴等距间隔设置，通过混凝土应力计对竖井初期衬砌混凝土进行应力监测。
7.根据权利要求1所述的初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述竖井围岩松弛深度监测的步骤具体包括：初期衬砌混凝土浇筑前，在监测段的典型监测断面中的竖井围岩四周设置松弛深度测试孔，松弛深度测试孔沿着竖井径向方向延伸，在松弛深度测试孔内通关声波仪对竖井围岩进行松弛深度测试。
8.根据权利要求1所述的初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述竖井初期衬砌混凝土及围岩声发射监测的步骤具体包括：在监测段的典型监测断面中，环绕初期衬砌混凝土的内壁等距间隔设置声发射监测单元，通过声发射监测单元监测初期初衬混凝土及围岩的裂缝扩展情况。
9.根据权利要求8所述的初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述每个监测段中至少设有3个典型监测断面布置发射监测单元。
10.根据权利要求1所述的初衬式竖井系统性监测及优化设计方法，其特征是，所述竖井初期衬砌混凝土与围岩接触面压力监测的步骤具体包括：在初期衬砌混凝土浇筑前，在监测段的典型监测断面的竖井围岩内壁和初期衬砌混凝土之间埋设压力盒，所述压力盒环绕竖井围岩内壁等距间隔设置，通过压力盒监测初期衬砌混凝土与围岩之间的接触压力。
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