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        改进的隧道监测系统(TMS)在隧道围岩变形监测中的应用

        收录时间:2013-06-17 21:12 来源: 中石油集团工程设计有限公司西南?#27490;?#21496;  作者:辜利江,王海兰,马俊  阅读:0次 评论:0我要评论

        内容提示:隧道围岩开挖后的变形监测对于隧道的信息化施工有着重要的意义。改进的隧道围岩监测系统(TMS),采用各传递杆与岩体点接触,而不是通常采用的全孔灌浆接触方式,解决了全孔灌浆对监测结果的影响,特别是对软岩变形监测的影响。改进的TMS既能够保证各接触点的牢固,防止传递杆与岩体脱离,又可以最大程度地减小试验仪器本身对岩体位移结果的影响。该仪器精度高、操作性?#20426;?#36866;应性强,通过在雪峰山隧道工程中的应用,表明效果良好。

        延伸阅读:变形监测 围岩 地下工程 监测技术 隧道 隧道监测系统

                0 前言

                在地下工程测试中, 位移量测( 包括收敛量测) 是最有意义和最常用的监测项目, 其稳定可靠,简便经济。测试成果可直接指导施工,验证设计,?#20848;?#22260;岩与支护结构的稳定性。TMS ( Tunnel Monitoring System 隧道监测系统)随着工程技术的发展而不断发展。目前,国际上许多国家都对隧道工程的现场测试非常重视,出台了许多的规定和规范[1]。 隧道施工本身具有一定的复?#26377;裕?#20854;自身的特点对隧道的监测仪器也有一定的要求,概括起来,有以下几个特点: 设备精度要求高、自动化程度要求高、环境适应性强和操作性?#20426;?nbsp;在国际上,?#20998;?#26159;最早建造长大隧道的,其高速公路建设起步也比较早。因此,?#20998;?#23545;隧道位移监测的研究也比较早,重视程度也比较高,但其对隧道位移监测的研究也?#23545;?#33853;后于对隧道施工工艺水平的研?#20426;?#38567;道位移监测是一项非常复杂的工作,不同于一般的地面结构工程的位移监测。目前国际上比较新的监测技术主要有[2]:

                ( 1) 红外测距技术: 这种位移测量方法的误差一般能控制在2mm 左右,主要应用于大型隧道的监测中;

                ( 2) 激光技术;

                ( 3) 数码成像技术。(参考《建筑?#24418;?#32593;

                通过这些技术,在隧道内进行多点观测,然后进行坐标计算,从而得出测点的位移信息。但这些方法也有其自身的缺点,即:

                ( 1) 测量精度有待提高;

                ( 2) 多测点的?#27492;?#20250;引起误差传递, 误差积累,从而影响测量精度;

                ( 3) 由于隧道内的施工环?#24120;?#36825;些仪器的实际操作性受到一定的限制,特别是在狭长的隧道中。

                1 改进型TMS 的工作原理

                改进的TMS ( Improved Tunnel MonitoringSystem) 是由成都理工大学王兰生教授发明的,其构造示意?#25216;?#22270;1。

               

                改进的TMS 是将几根传递杆全部安装在一个钻孔里,除最里面的一根用钢筋外,其他几根都用?#27490;?#20316;为传递位移的介质。各接点都与岩体牢固粘结,将岩石的深部变形引到外面加以测?#20426;?#36890;过不同时间的位移监测,可以了解围岩中不同深度的?#26029;?#20301;移变化情况。

                如图1 所示,改进的TMS 从内而外,首先是一根长4m、?#26412;?4mm 的钢筋,在其顶端10cm 处焊接一个钢圈,钢圈主要作用是绑粘结药包的时候能将药包限制在一个小的范围内; 然后是一根长度为3m、内径为16mm 的?#27490;埽??#27490;?#39030;端和距顶端10cm 处各焊接一个钢圈,用于绑粘结药包。为使整个仪器在进入钻孔?#20445;?能保证该接触点在深度3m 处,实际制作?#20445;?在4m 钢筋顶部套一根PVC塑料管,长度90cm, 该PVC 管能顶住3m ?#27490;?#30340;顶部; 其它两根2m 和1m 的?#27490;?#21046;作与3m 相同,只是?#26412;?#19981;同。

                ?#37038;?#24847;图中可以看出,整个仪器的传递杆除了端点与围岩是牢固接触的以外,其他部分在?#26029;?#19978;都是可以?#26434;?#31227;动的。PVC 套管既可以保证锚固点的位置恰好是设计的深度,又能有效地减小传递杆与孔壁的接触,减小摩擦阻力对测量结果的影响。仪器的外接套筒是起将各传递杆保护起来,同时用软木塞将各传递杆固定在相应的位置的作用。套筒的尺寸如图2 所示。各传递杆的相互位置关系如图3 所示,各?#27490;?#22871;筒间套接关系见图4。

               

                外接套筒顶部焊接一个供测读数据用的测头,测头平面?#26082;?#22270;5 所示。测孔的大小是根据电?#24433;?#20998;表的测杆大小而制作的,大小刚好能保证百分表测杆垂直而不发生倾斜。保证读数的?#26082;?#24615;。测试的时候用百分表通过测头保护套上的小孔伸进去,接触到?#27490;?#30340;顶端,通过测量?#27490;?#39030;端的伸缩来测读围岩的位移。

               

                最外面用一个钢质盖将整个测试装置封闭起来,以保护测头。

                特别说明的是: 试验采用的钢筋、?#27490;?#22411;号及套管尺寸等是根据隧道的实?#26159;?#20917;而选用的,不同的隧道可以采用不同的尺寸。

                2 改进的TMS 的优点

                从改进的TMS 的原理我们可以看出,相对于其他的多点位移计,改进的TMS 一个重要的特点是各传递杆与岩体是点接触,而不是通常采用的全孔灌浆接触。全孔灌浆接触对变形的影响非常显著,特别是在软弱岩体中。通常采用全长灌浆?#20445;?],对所测的数据进行分析时都要充分考虑砂浆对围岩的加固作用,在软岩中更是不可忽?#21360;?#20294;是这种加固作用到底有多大的影响,目前只能依靠经验来进?#20449;?#26029;。改进的TMS 的点接触,既能够保证各接触点的牢固,防止传递杆与岩体脱离,又可以最大程度地减小试验仪器本身对岩体位移结果的影响。

                改进的TMS 一个突出的优点是环境适应性好,操作简单。相对于其他同类型的位移监测仪器,改进的TMS 只需要打一个钻孔,就可以测量不同深度处围岩的位移情况。在施工条件比较恶劣的隧道环境中,可以节省时间和工作量,容易得到施工单位的配合。

                改进的TMS 测试装置比较简单,一般人员稍经指?#23395;?#21487;以进行操作。仪器的保护也非常容易,外面加一个小的保护盖即可,面积非常小,不容易被破坏。根据雪峰山隧道现场操作的结果,所有监测点均未被破坏过。而与改进TMS 类似的仪器却多次遭到施工过程的破坏。

                改进的TMS 还具有精度高的优点。利用电?#24433;?#20998;表,所读数据?#26082;?#21040;1 /100 毫米,即使在变形较小的IV、V 类围岩中同样适用[4]。独特的外接盖钻孔,保证每次测读位置都在传递杆的同一位置。

                3 实际应用

                雪峰山隧道位于邵阳?#23567;?#24576;化市两市交界的雪峰山脉,隧道进口距洞口县江口镇约3km,位于洪江市塘湾乡兰家村,出口位于洪江市铁山乡小溪村。隧道上?#23567;?#19979;行线分离,按两座独立隧道设计,净宽10. 84m, 净高6. 91m, 为双?#27492;?#36710;道隧道,全长6950m,按隧道分类属特长隧道。该隧道为上海—瑞丽高速公路湖南段的控制性工程,隧道的开通缩短公?#38450;?#31243;约30km,大大节约运营费用。隧道的最大埋深约850m[5]。隧道地质条件非常复杂,采用信息化施工,隧道围岩的变形监测是监测工作中的一个重点。

                3. 1 改进TMS 各部件尺寸的选择

                ( 1) 最长测杆的选择

                考虑到隧道开挖以后岩体的位移是有一定的影响范围的[6],在一定范围以外的岩体变形非常小,可以近似的认为是不受开挖影响的。雪峰山隧道开挖断面比较大,其围岩主要为砂岩和砂质板岩,围岩类别从II 类到V 类。根据勘察和设计单位提供的资料,判断隧道开挖后的变形影响范围在4m 以内,所以最长的测杆选择为4m。

                ( 2) 各内套?#27490;?#23610;寸的选择

                各测点的变形传递杆是相对独立的,选择的时候,要保证钻孔能顺利安装最粗的套管。目前的钻具都有一定的型号,钻孔尺寸也就比较固定。要增强仪器的适用性,就要求试验仪器的尺寸最好能与工程上通常使用的钻具相对应。雪峰山隧道采用的是56mm 钻头, 所以在仪器加工?#20445;?采用了内径16mm、25mm、36mm 三?#20013;?#21495;的?#27490;埽?各套管之间都能直接内套。

                ( 3) 测试套筒的选择

                测试套筒是百分表读数的重要?#36764;?#20063;是直接关系到量测结果是否?#26082;?#30340;关键因素。测试套筒的尺寸选择要求既能完全将位移传递杆套好,又要基本与钻孔尺寸相当。在雪峰山隧道位移监测中,采用的是加工好的外径50mm 的套筒。套?#37319;?#30340;测孔大小要与电?#24433;?#20998;表的大小刚好一致。测孔可以现场加工,孔的位置刚好是各位移传递杆的位置。测孔不能过大,过大会造成电?#24433;?#20998;表在测孔内偏移,从而影响量测结果的?#26082;?#24615;。

                3. 2 改进的TMS 监测成果

                改进的TMS 监测效果验证在雪峰山隧道东口YK95 + 942. 5 处选择了一个典型的断面进行,该点靠近F8 断层,属于F8 断层的影响区内[5]。该段左右线均实行台阶法开挖,其中左洞上台阶采用预留核心土环形开挖法。

                参考勘察资料,这一路段的主要地层为灰绿色硅化砂质板岩和?#21482;?#33394;含砂泥质板岩,断层节理裂隙发育,岩石破碎。每天推进的速度为左线1. 4m,右线0. 93m。该段地表曾发生坍塌破坏。在该处,某科?#24615;?#20063;同时布置了测点,并采用全孔灌浆收敛仪进?#24418;?#31227;监测。其监测结果便于对改进的TMS 监测效果进行对比和分析验证,所以选择此点具有代表性。

                断 面内除F8 断层破碎带外,断面右侧节理裂隙发育,裂隙面宽2 ~ 3cm, 裂隙较粗糙, 可见擦痕,?#31034;?#40831;状,裂隙内充填物为泥质、硅?#23454;齲?#33410;理出露于裂隙旁侧, 与裂隙斜交, 裂隙产状47°∠68°。围岩位移及位移变化速率监测结果见图6和图7,爆破对围岩位移的影响见图8。

        原文网址:http://www.kukh.tw/research/201306/15249.htm

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