宜万铁路复杂岩溶隧道结构安全性监测技术

尚海松,申志军,薛 斌,汪 涛

(1.中铁西南科学研究院有限公司,成都 610031;2.铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000)

1 项目概况

宜(昌)万(州)铁路全线约 70%的隧道位于灰岩地区,岩溶地层分布广、地质条件复杂,岩溶强烈发育,补给水源丰富,其主要表现为:连通暗河地段的构造、大型富水溶腔、高压裂隙水、大规模的空溶腔等,属世界罕见。有关岩溶条件下的隧道修建技术研究成果,特别是在岩溶、富水、高压条件下隧道修建技术的研究成果不多,可供借鉴的成熟经验也较少,同时在隧道修建过程中岩溶突水突泥风险程度、规模和工程处理难度也相当大,特别是在有高压涌突水危险地段隧道进行了特殊工程处理措施,并采用了新型结构形式,这些成果应用的可靠性还将经受实际运营的考验。我国目前对长大岩溶富水区修建的隧道施工后运营阶段的围岩及支护结构受力的监测极少,并对现有防排水情况下的水压对衬砌结构的长期影响研究也较少,针对岩溶这种特殊复杂地质情况下采取的防排水系统在隧道运营中的状态也是我们相当关注的问题。

根据中国工程院院士考察宜万铁路遂渝铁路建设意见,通过对隧道施工及运营过程中的围岩及支护结构受力变化状况的监测,及时分析了解隧道结构的受力特性,对隧道结构安全状况做出评估,为隧道的施工处理和运营维护提供决策依据。

2 监测技术方案

针对宜万铁路复杂岩溶隧道特点,结合现场实际情况,对宜万铁路齐岳山隧道 F11高压富水断层段(平导和正洞)、马鹿箐隧道 DK255+978大型溶洞段(Ⅰ线和Ⅱ线)、云雾山隧道 DK247+562大型充填型溶洞段(Ⅰ线)、云雾山隧道 DK245+617大型溶洞段(Ⅰ线)、大支坪隧道 DK132+990大型溶洞段(Ⅰ线)、野三关隧道 DK124+602大型溶洞段(Ⅰ线)、龙麟宫隧道 DK232+467大型溶洞段及石院子隧道塌方段等 8个复杂工点进行隧道结构安全性监测,各工点监测断面、项目及测点数量根据现场揭示实际地质情况及处理措施适时调整。

2.1 监测项目内容和测点布设情况

根据宜万铁路现场实际施工情况,结合专家审查意见,确定对上述 8个工点分别实施以下 9个监测项目(表1),具体工点监测项目在实施监测过程中可根据现场不同工点情况经甲方同意后对监测项目进行优化调整。

表1 隧道结构安全性监测项目

以齐岳山隧道 F11高压富水断层段正洞监测为例。

齐岳山隧道位于湖北省利川市,全长10 528 m,最大埋深 670 m,区内发育 15条断层和多条暗河系统,其中位于得胜场槽谷段的 F11断层规模宏大,位于隧道顶 220 m的得胜场暗河规模最大,水量丰富,暗河水极有可能被断层导入隧道,造成重大地质和环境地质灾害,风险极大。F11断层破碎带在隧道位置约 245 m宽,断层内岩性成分复杂,具有饱和含水的含碎石粉质黏土或碎石土的类似工程性质,导水能力强,围岩强度低、稳定性差,围岩等级 Ⅴ ～Ⅵ级(图1)。设计采取“以堵为主、限量排放”的设计原则,采用超前帷幕注浆、超前密排大管棚等预支护和加强型复合式衬砌结构等综合措施进行处理。齐岳山隧道F11断层监测段施工进度见图2。

图1 齐岳山隧道F11断层得胜场槽谷段工程地质纵断面

图2 齐岳山隧道F11断层段监测段施工进度形象(单位:m)

鉴于齐岳山隧道 F11断层段地质条件复杂、工程环境特殊、隧道结构受力复杂等特点,该段正洞设置 4个监测断面,每断面设置 6个监测项目,分别为:隧道围岩及结构间渗水压力监测、围岩与初期支护间接触压力监测、初期支护型钢内力监测、初期支护与二次衬砌间接触压力监测、二次衬砌钢筋内力监测、隧道基底沉降监测;其中 1个断面增设注浆加固圈位移监测项目,同时在正洞 F11断层段设置 3处注浆加固圈的渗水流量监测断面(图3)。

图3 齐岳山隧道F11断层段监测断面测点布置示意

2.2 测试元件的要求与选择

在隧道的长期监测中,由于运营及地质环境的复杂性,对监测元件和测试仪器的可靠性、长期稳定性等要求较高,要求所选用测试元件防水、防潮;在含水或潮湿的环境下工作稳定;防腐蚀性强;耐久性好;抗干扰性强、便于埋设等。本项目选用基康公司生产的振弦式应力(变)计进行现场实施。测试元件见表2。

表2 监测项目测试元件

在元件布设安装过程中,严格按照测试和布设要求,保护好测点,力求达到元件最大成活率和最佳测试效果,如:渗水压力计应埋设在围岩内部一定的深度,同时做好过滤保护;围岩与初支接触压力盒应埋设在围岩较平坦表面处,保证围岩面与压力盒承压面的密贴性;测线的引出要尽量避免施工干扰等。

2.3 监测频率

根据合同与方案要求,为准确获取隧道各阶段受力状态情况,在隧道开挖施工期间,测试频率为 1次/d,隧道施工完毕以后,测试频率为 1次/周,运营期间测试频率为 1次/半月,特殊情况下根据要求增加测试频率。从而获得大量的一手数据,为隧道结构受力安全性分析提供数据保障。

2.4 阶段性成果

以齐岳山隧道 DK365+111断面围岩与结构间渗水压力和围岩与初期支护接触压力监测为例,如图4,图5所示。

图4 围岩与结构间渗水压力时态曲线

图5 围岩与初期支护接触压力时态曲线

根据图形可以看出,近期围岩与结构间渗水压力和接触压力方面测点测试数据基本趋于稳定。在本年度雨季,测试数值出现小幅度的增加波动,最大渗水压力和最大接触压力值分别为0.065 2MPa、114.87 kPa(在结构允许值范围内),均出现在隧道仰拱位置,主要是由于 2010年 4月 14日隧道区域突降暴雨,地表水汇入,致使隧道周围水压上升,结构承受压力增加,降雨过后,随着地下水的逐步排出,水压力也逐步减小,结构承受接触压力也渐渐减小,趋于平稳,隧道结构处于安全状态。

2.5 自动监控系统

针对宜万铁路复杂岩溶隧道的修建及运营过程,采取结构应力、水压等监控信息的自动化采集、网络化传输,并设定危险报警值,在出现危险情况时自动预警,为宜万铁路的安全运营提供保证,为在复杂岩溶地质环境下修建隧道提供数据并积累经验。

本项目采用 BGK-MICRO分布式网络测量系统及配套的 BGKLogger软件系统进行用户管理、测量管理、数据管理和通讯管理,保障工程自动化测量和管理。测量系统由计算机、BGK-MICRO-MCU分布式网络测量单元、智能式仪器(可独立作为网络节点的仪器)等组成,通过相应配套的软件完成工程监测的自动测量、数据处理、图标制作和异常测值报警等工作。如图6所示。

图6 BGK-MICRO分布式网络测量系统组成(网型式)

现场每个测试断面布设足够的数据采集通道,采用 BGK-Micro-VW测量模块,汇总至数据采集箱 BGKMicro-40MCU测量单元,再通过数据总线连接到洞外监测站,洞外监测站采集的数据通过 GPRS无线网络传输系统定时传输数据至中心计算机,在中心计算机上设数据分析处理系统,对每类监测量设预警值输入监测数据处理系统,进行自动预警。如图7、图8所示。

图7 BGK-MICRO分布式网络测量系统组成示意

图8 GPRS无限组网示意

3 监测数据分析平台

3.1 网络 GIS功能

利用 GIS(地理信息系统)的强大功能实现隧道监测,应用数据库理论,建立了隧道现场监控量测管理信息系统,从而生成隧道围岩和支护结构的应力、应变在隧道运营过程中的时态关系曲线,由此判断围岩与支护结构的稳定情况,从而指导隧道运营维护。其信息处理的方式主要是图形方式,沿线隧道、断面及监测点的分布及彼此之间的拓扑关系一目了然。系统以隧道平面布置图和各测点布置图为基础,用矢量图形象地展现出各监测点等分布情况,通过图形实现信息的查询及预警等工作,动态管理监测数据,形成图文双向查询,并根据实际需要准确真实、图文并茂地将信息呈现给用户。

3.2 实时分析查询监测信息

因为自动监测采集到的数据具有两个特点:一是数据量特别大;二是监测数据采集的频率不一样,是个动态的过程。针对这两个特点,必须对自动监测数据采取动态分析的办法,系统通过单纯用数学方法和结合施工参数进行分析监测数据两种方法来对隧道施工安全状态进行评估。

可以利用各种手段方便地查询当前和历史的监测数据信息。实时生成各类报表、时程曲线等。

3.3 实时预警系统

在本系统中,监测数据的曲线图包含 3类:变化量曲线图、累计变化量曲线图以及变化速率曲线图。在设计中,对监测点的变化量、变化速率及累计变化量一般都有控制值与警戒值。当隧道工程出现异常时,一定时段的变化速率曲线图和累计变化量曲线图都会出现明显异常情况。在隧道运营中,若发现一个或多个监测项目在相同位置的监测曲线图异常或超过报警值,可判断工程存在潜在危险。数据服务器实时分析各类监测数据,通过短消息和在平台发布信息等多种形式组成预警、报警系统。只要有监测异常发生,系统就会进行个性化的报警提示;同时能够在网络地图上清晰地表现各工点、各测点的预警情况。

根据隧道工程的运营状况,将实测值与报警值进行比较,将其预警报警的等级分为四个等级:安全状态、三级警戒(关注)、二级警戒(预警)和一级警戒(报警)。针对不同的警戒等级,分别给出对应的施工控制措施,确保隧道工程安全。

3.4 系统运行的环境要求

监测信息网络系统所需的网络接入自有服务器机房的方式,带宽至少 1 M。其设备配置推荐如下:

服务器:双 CPU至强 CPU 2.0 GHz以上,1 GB内存,500 GB硬盘。操作系统支持 Window SERVER 2000以上;数据库支持 SQL SERVER 2000以上。

客户端:采用一般 PC即可,CPU P4 1.2 GHz以上,256MB内存,120 GB剩余硬盘空间,操作系统支持Window 2000以上。

4 监测信息反馈

根据采集的数据,与参建各方紧密联系(通过短消息或在平台发布信息等多种形式),分析结构受力安全性状况,共同商讨相关隧道结构受力安全性状况,提出相关整治建议,进而实现隧道结构安全性监测。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建铁路宜万线宜昌至万州段复杂岩溶隧道结构安全性监测专项设计[Z].武汉:2009.

[2] 中铁西南科学研究院有限公司.新建铁路宜万线宜昌东至万州段岩溶隧道结构安全性监测简报[Z].成都:2010.

[3] 中铁西南科学研究院有限公司.新建铁路宜万线宜昌东至万州段隧道远程自动监测技术方案[Z].成都:2010.

[4] 王建宇.隧道工程的技术进步[M].北京:中国铁道出版社,2004.