基于隧道拱顶倾角监测 预测掌子面前方围岩刚度变化的方法

2020-12-01 10:11:16
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一、相关背景

工程地质勘察主要在隧道工程的设计阶段进行,包括地质测绘、钻探及物探等方法,旨在获取待挖隧道的地质与岩土信息。但因时间和成本方面的限制或测量技术的局限性,几乎无法清楚地获悉整个待挖隧道的全部地质情况。在某些采用新奥法的隧道建设项目中,作业人员会在开挖过程中于掌子面前方进行地质勘查,对已搜集数据加以补充并确认前方地质稳定性。但像超前钻探法、地震波法等常规勘探方法对工期进度影响较大,因其需在隧道掌子面附近进行钻孔和爆破,进而导致隧道掘进中断。此外,由于成本较高,且仅限于勘测隧道的某些部分(甚至有时无法开展),在具体作业中存在一定的局限。对此,来自日本大成建设株式会社和京都大学的研究人员提出一种基于隧道拱顶倾角监测,预测掌子面前方围岩刚度变化的方法。相关成果以论文形式发表在《Tunnelling and Underground Space Technology》期刊上。

二、方法概要

假定隧道开挖过程中围岩均质且连续。当掌子面掘进至目标横截面A时(如图所示,前方遭遇不良地质条件),所发生的变形量一般为其最终变形的30~40%。一旦掌子面通过该目标截面,开挖引起的围岩应力释放将导致洞室快速变形,随后变形速率减缓直至收敛。也即是,目标截面处的围岩变形很大程度取决于该截面与掌子面间的距离,尤其是在所述截面接近掌子面时,而拱顶沉降(属隧道横截面位移的一种)亦是如此。对此,该研究在靠近掌子面(当其掘进至横截面B时,如下图a所示)的拱顶处安装倾斜传感器,且初始倾角为0°。传感器在隧道掘进1m后开始记录,即显示初始读数。事实证明,随着掌子面的推进,隧道拱顶的确沿开挖方向出现了上述倾斜。起初,拱顶倾斜度(文中定义为负倾角,如下图b所示)沿开挖方向增大。而随着掌子面的进一步推进,倾角开始逐步减小,也即是由开挖引起的围岩变形开始趋于收敛。期间,倾角主要取决于传感器安装后其位置前后方的沉降差异(为及时掌握前方地质情况,测量点设在距离掌子面3~4 m的位置)。

该研究定义均质围岩所获拱顶倾角为法向倾角(沿隧道轴线测得,如下图所示)。一旦掌子面前方遭遇断层带等不良地质条件,将会形成如下图所示夹角。这是由于,开挖导致应力重新分布,且主要集中在掌子面前方较硬地层上。换言之,当所测倾角较法向倾角减小时,可预测掌子面前方地质条件较差,或出现较大变形,反之亦然。数值模拟结果显示,该方法适用于厚度大于1 m的断层带预测。值得注意的是,鉴于所用传感器的精度和分辨率等因素,需在所测倾角与法向倾角间存在足够偏差的情况下进行相关判断 。

在此之前,研究人员还专门开发了一款倾斜传感器,以确保其在数值模拟及日常监测中的适用性。该传感器由内置测试装置(微机电系统加速度传感器和氯乙烯套管组成。内置测试装置中配有一个可充电电池,如将测量时间间隔设置为10分钟,则可连续供电1个月时间。该传感器还具有以下特征:(1)量测精度高:为分辨率0.001°、精度±0.01°的加速度传感器;(2)数据自动记录:在给定时间间隔内自动测量和保存倾角数据;(3)安装方便:体积小、质量轻、方便安装,防止开挖中断;(4)可回收利用。

三、结论与展望

该研究的新颖之处在于,与常规勘探方法或位移监测方法相比,新方法可有效减少手工量测,使用期间不会妨碍正常的施工作业,可用于隧道的日常监测等。尤其与位移监测法相比,新方法可在位移监测法难以做出预测的情况下预估掌子面前方围岩刚度的变化(尽管数值模拟中仅考虑典型和确定性地质条件),在实际应用中可预测的精度和灵敏度更高。不过,该方法仅限于隧道拱顶监测,而位移监测法还可用于隧道边墙。因此,若需获取待挖隧道的全部地质情况,仍需结合位移监测法,因其不仅可用于前方地质预测,还可评估隧道结构的稳定性。目前,新方法尚且无法完全替代位移监测法,但有助于提高预测的可靠性。从测量成本来看,尽管新方法会增加由倾斜传感器及其固定装置所带来的成本,但鉴于所用传感器的可回收利用性,成本方面问题不大。在实际应用中,新方法还可与其他勘探方法相结合,如超前钻探法、地震波法等,以提高预测精度,并为进一步开展地质勘探提供依据。

目前,该方法已在某公路隧道工程中进行了现场试验。未来,研究人员还将对该方法加以进一步的研究。如基于拱顶倾斜度的绝对值或拱顶倾斜时程曲线,在预测掌子面前方围岩刚度变化的情况下,实现对岩石物理特性及围岩位移的定量预估。其中,对围岩位移的定量预估在隧道掌子面围岩刚度接近软弱围岩刚度时尤为重要,方便作业人员提前采取相关加固措施,以确保隧道的稳定性、安全性及隧道施工的成本效益。该方法对于盾构法/钻爆法施工的隧道而言均适用。不过,钻爆法施工隧道还需获取其他测量数据。

(资料来源:Tunnelling and Underground Space Technology)


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