隧洞新奥法施工中围岩量测分析技术的应用

隧洞新奥法施工中围岩量测分析技术的应用

Ξ

王振忠

(引大入秦工程建设指挥部,甘肃永登　730300)

摘要:通过对观测资料的分析整理和回归计算,对引大入秦总干渠6#、8#、26#三座隧洞的4个典型断面进行了分析,说明了围岩量测分析技术的应用。

关键词:新奥法;围岩量测;收敛;变形

中图分类号:T V554+13　　　文献标识码:A

　　引大入秦总干渠以隧洞工程为主,隧洞长度占该段总长的9116%。这些隧洞穿过褶皱变质的前寒武纪和奥陶纪沉积岩层,地层岩性复杂,有板岩、片岩、变质砂岩、变质砾岩、灰岩、大理岩和花岗岩,以及辉长岩、安山玄武岩等,属硬-中硬岩。26#洞存在中软-软岩,岩体中断裂发育,断层规模较大,影响带较宽,断裂组合规律复杂。隧洞设计、施工采用新奥法原则,要求加强围岩收敛变形量测,并以此反馈于施工。隧洞原设计采用“名义不衬砌”,对个别不稳定洞段实施喷锚支护。由于实际的围岩比较破碎,节理、裂隙发育,加之承包商的光爆效果不理想,在进行喷描支护后部分隧洞需进行现浇混凝土衬砌。这次分析的收敛变形观测是在未实施初期支护或已实施初期支护未进行现浇混凝土衬砌的情况下进行的。

这些隧洞施工中均按技术规范要求进行了围岩收敛变形观测,使用的观测手段主要是通过卡尺量测拱顶和两侧墙布设的观测桩的位移,以此来确定拱顶下沉量和净空变位。为了系统地了解这些硬岩、中硬岩、部分软岩隧洞围岩的收敛变形特性,对围岩稳定性做一比较详细的分析、评价,建立了回归分析的数学模型,来拟合时间与变形量的变化规律。选择具有代表性的6#、8#、26#三座隧洞的4个典型断面进行了分析。

1　建立回归方程

经对观测数据进行分析,最后选定以双曲线型函数作为回归函数,即y=atΠ(b+t)。在计算时,先将双曲函数化为线性函数,求出待定系数a、b。即先令Y=1Πy,A=1Πa,B= bΠa,T=1Πt,则函数化为Y=A+BT,对该线性函数进行直线回归,用最小二乘法求出A、B,推得a和b,双曲线型回归函数y=atΠ(b+t)即可求得。然后计算出剩余标准差和相关系数,以检验回归分析的相关显著性、有用率和回归精度。

(1)计算剩余标准差S3

S3=1Π(n-2)×∑(y i-^y)2

式中:y i———实测变形值;

^y———回归分析预测值;

S3———回归线的精度。

S3愈小,回归精度愈高,所预报的y值愈准确。

(2)计算相关系数R

R=1-∑(y i-^y)2Π∑(y i- y)2

式中:y

i

———实测变形值;

^y———回归分析预测值;

y———实测平均值。

R是描述回归曲线相关的密切程度的指标,R的绝对值愈接近于1,y与t之间的曲线相关愈密切。按α=0105和α=0101两种显著性水平检验相关的显著性。R2为有用率,是表示t对y影响大小的数值,即y变差中受x的变化影响的比例。如R2=01968,表示在y的总变差中由于x的影响而引起的变差占9618%。

回归分析结果如表1所列。

2　围岩稳定性分析

《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(G B J86-85)中,规定了围岩达到基本稳定的条件和发生一定量的变形后应进行支护补强的条件。根据这几个条件,将围岩收敛变形的实测量和回归分析结果加以对比分析,由此判断该断面的围岩稳定性如何。基于这个分析思路,选定以收敛速度、收敛量与总收敛量之比和相对收敛量这几项指标进行稳定性分析。

(1)G B J86-85规范中,围岩达到基本稳定的3个条件是:

①隧洞周边收敛速度明显下降;

②收敛量已达总收敛量的80%～90%;

③收敛速度小于0115mmΠd,或拱顶位移速度小于011 mmΠd。

其中收敛速度是指至少7d的值。在具体分析中,均选用了7d的平均收敛速度。

(2)规范中还规定,当围岩出现下列情况之一且收敛速度仍无明显下降时,必须立即采取措施,加强支护,并修改原支护参数。

①喷射混凝土出现大量的明显裂缝;

②隧洞支护表面任何部位的实测相对收敛量已达到洞周允许相对收敛量的70%;

第39卷第4期2003年12月　　　　　　　　　　　　　　　

甘肃水利水电技术

G ansu Shuili Shuidian Jishu

V ol139,N o14

Dec1,2003

Ξ收稿日期:2003-03-05

作者简介:王振忠(19-),男,甘肃正宁人,工程师,主要从事引大工程建设管理、灌溉管理和施工监理。

表1　隧洞围岩收敛变形回归分析

观测位置回归曲线方程极限变形

Πmm

剩余标准

离差S3

相关系数

R

说　　　明

6#洞K11+776

　L=1112991tΠ(413416+t)1112991018047019862R>γ0101

10

=01708,S3较小,精度高

X a=414250tΠ(6125+t)414250012958019812R>γ0101

10

=01708,S3小,精度好

X b=619457tΠ(315753+t)616945015928019843R>γ0101

10

=01708,S3小,精度好

H=1017501tΠ(1011567+t)1017505110231018824R>γ0101

10

=01708,S3较大,精度较好

8#洞K18+540L=1912190tΠ(319394+t)1912190017375019967R>γ0101

10

=01708,S3小,精度高

H=21.2878tΠ(417522+t)2112878015614019981R>γ0101

10

=01708,S3小,精度高

26#洞K43+612

　L=1912790tΠ(217630+t)1912800010330019800R>γn-2=01765,相关性显著,S3很小,精度高X a=912486tΠ(2154+t)917500010710019770R>γn-2=01765,相关性显著,S3很小,精度高X b=1012986tΠ(2139+t)10130000100019790R>γn-2=01765,相关性显著,S3很小,精度高H=3311126tΠ(313477+t)3310000010230019620R>γn-2=01765,相关性显著,S3很小,精度高

26#洞K46+990

　L=2613760tΠ(414150+t)2613800313200018320R>γ0101

9-2

=01798,相关性显著,S3大,精度低

X a=711115tΠ(310987+t)711100017900018680R>γn-2=01765,相关性显著,S3较小,精度较高X b=2010560tΠ(515530+t)2010600216100018090R>γn-2=01765,相关性显著,S3大,精度低

H=1716900tΠ(216550+t)1716900112000019410R>γn-2=01765,相关性显著,S3较大,精度较高

　　注:L为两侧墙水平总收敛量;X a为左边墙收敛量;X b为右边墙收敛量;H为顶拱下沉量

　　③采用回归分析法计算出的总相对收敛量已接近洞周允许相对收敛量。

洞周允许相对收敛量根据隧洞埋深和围岩类别选用,主要用于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩的稳定性分析。规范中关于允许相对收敛量的取值如表2所列。

其中塑性岩体隧洞的允许相对收敛量取表中较大值,脆性岩体隧洞则取较小值。考虑到实际岩体节理裂隙比较发育,围岩破碎等情况,在选取允许相对收敛量时,均从偏安全角度考虑,取偏小的值。根据(1)、(2)两条综合分析围岩的

表2　允许相对收敛量

<5050～300300～500Ⅲ011～013012～015014～112

Ⅳ0115～015014～112018～210

Ⅴ012～018016～116110～310

稳定性和应采取的支护措施。

稳定分析结果如表3所列。

表3　隧洞围岩收敛变形稳定分析

观测位置围岩地

质情况

观测

项目

实际

收敛量

Πmm

回归分

析总收

敛量

Πmm

实际收

敛速度

Πmm・d-1

稳定要

求的收

敛速度

Πmm・d-1

收敛量已

达总收敛

量的程度

Π%

实测

相对

收敛量

Π%

回归分

析总相

对收敛量

Π%

稳定分析

6#洞K11+776石英片岩,无

地下水,Ⅰ类

围岩,埋深

220m

L91411113001041011586.0

X a3150414301026011579.0

X b5191616901016011588.0

H71111017501011011066.0

　　收敛速度明显下降并很

小,收敛量已达总收敛量的

66%～88%,收敛变形基本

完成,围岩已稳定

8#洞K18+540云母石英片

岩,无地下水,

Ⅰ类围岩,埋深

280m

L171701912201132011592.001390142

H181682112901202011088.001570165

　　侧墙收敛速度明显下降

并小于稳定速度,顶拱收敛

速度还在降低,围岩还未变

形稳定

26#洞K43+612千枚状板岩,

有渗水,Ⅲ类

围岩,埋深

390m

L141991912801420011578.001320142

X a7152917501310011577.001320142

X b71851013001280011576.001340145

H241033311101770011073.031024116

　　埋桩后1d,喷混凝土10

cm后,该结果仅观测10d,围

岩还在继续收敛。从目前情

况看,顶拱变形量很大,应做

好加强支护的准备

26#洞K46+990结晶灰岩,易

坍塌,地下有

滴水,Ⅲ类围

岩,埋深185m

L201062613801004011576.001370148

X a51867111010070115821401230127

X b1413620106010060115711601500169

H1510507169010130110851101650176

　　喷混凝土10d后埋桩,喷

混凝土10cm并打锚杆,收敛

速度明显下降,该断面虽变形

已稳定,但变形量偏大,应注

意观测,即时采取安全支护

(下转第326页)水口。⑤电机运转中,断相、转子断条都会引起电泵转速下降,使水泵流量减少。

井泵发生故障,一般都有一个共同特点,就是一直运转良好,流量正常,突然会发生流量减少的现象。根据这种现象可以初步判断,水泵是否发生了故障。当然,有些故障的判断是复杂的,要借助于专业人士和专门仪器来完成。对井泵发生故障的判断要慎重,确认后再检修。水泵故障的处理没有捷径可走,只有将泵从井中吊出检查修理。

6　井泵安装不当

井泵的安装是指泵下井的安装,安装不当会造成扬水管倾斜,管与管之间的法兰间隙不均匀,密封垫的压紧力一边紧一边松,当水泵扬程升高时,水流很容易从松的一面冲击,从而使输出的水流量变小。

可以将耳朵贴近井口,听一下井中有无恣水声,就可以判断密封垫是否失效,如果发生这种情况,一定要停机重新安装,避免水流将井壁管冲毁,造成更大的损失。

7　井泵外径偏大与井壁间隙过小

井用潜水泵的进水口,在泵与电机联接的地方,处于中间位置,所以水流量是经电泵与井壁间隙进入泵体的,如果这一间隙太小,就会形成阻力,水流不畅,流量就会变小。解决的办法是更换直径小一点的电泵或只更换外径合适的电机。后一种作法使井水容易从电机底部自下而上地进入泵体,既保证了水的流畅,也对电机进行了冷却,是一种很好的方法。根据实际经验,一般井内径比泵外径大50mm以上为宜。

8　水泵额定扬程低于所需扬程

水泵的额定流量,是在额定扬程下获得的,如果所需的扬程实际高于额定扬程,流量将会受到损失。选用井泵时,一定要做到泵的额定扬程大于所需扬程。应当指出的是,所需扬程中要把管路损失考虑进去,这样选用的泵才会切合实际。

9　水泵发生汽蚀

井泵使用过程中,泵进口要在水面以下,有一定的埋入深度,才能保证其正常运行。如水泵的埋深不够,水在泵叶轮进水口处的流速大于518mΠs时,就会发生汽蚀现象,泵出水量会突然变小或根本抽不上水,而且会伴有震动和噪音。泵在汽蚀下工作会缩短使用寿命,所以要及时加以解决。

解决的方法:①开大泵叶轮进水口,降低进口流速;②管路上可增设调节闸阀,控制泵在设计流量工况附近运行。③增加泵在水下的埋入深度。④更换或选购小流量的水泵。

⑤如果泵的扬程富余太多,可根据情况去掉一级或几级叶轮再用。

在实际应用中,引起井泵流量小的原因是复杂多样的,应当具体问题具体分析,采取不同的办法加以解决。

(上接第324页)

　　6#洞K11+776断面变形观测进行了20～37d,经分析围岩收敛已基本完成。围岩已处于稳定状态,所以这类围岩从结构上不需支护,围岩的收敛变形能在一个月内完成,稳定性好。

8#洞K18+540断面观测了29d,收敛变形仍较大,变形还未稳定,但收敛量已达总收敛量的88%～92%,所以该断面应采取支护补强措施。

26#隧洞根据K43+612断面分析,喷锚支护起到了很好的作用,收敛速度均明显下降总趋于零,但是顶拱的相对收敛量比较大,部分断面侧墙相对收敛量也比较大,局部喷混凝土有裂缝出现。所以在现有支护基础上,除注意加强观测外,对拱部支护要进行补强。对K46+990断面以后洞段要修改支护参数,喷混凝土厚度可以由10cm增加为15cm,减小系统锚杆间距并加大长度,必要时配置钢筋网。

3　结论

新奥法原理认为,“从控制围岩变形入手,让围岩发挥自承能力,会得到隧洞工程的最大安全度和经济效益。”新奥法施工的要点之一就是:“施工中要设置量测系统,量测围岩和支护的变形,监视其状态,据以变更初期支护参数和决定二次衬砌的施作时间。”运用新奥法原理的测试技术,引大入秦工程的盘道岭隧洞成功地通过了深埋段和地质条件恶劣洞段,解决了软岩、极软岩隧洞施工的技术难题。在引大入秦工程的上段硬-中硬岩隧洞施工中,也广泛使用了这一围岩测试技术,为认识这类围岩的特性,修正设计参数,确保工程安全起到了很大的作用。同时在引大东二干渠黄土质、粉质壤土、泥质砂岩隧洞施工中,这一技术也得到了很好的利用。

对照稳定分析与工程实践,对坚硬岩和中硬岩隧洞,当围岩完整,构造影响轻微时,可以不做初期支护,待围岩变形稳定(即满足上述围岩稳定的3个条件)以后,进行后期的现浇混凝土支护,保护围岩确保工程运行安全。对于如26#隧洞的中硬-软岩洞段,地质构造复杂,节理裂隙发育,渗水、滴水加剧了围岩软化、泥化和塑性圈扩大。所以对这类围岩既要强调初期支护的及时性和预留合适的围岩变形量,还要注意后期补强,使围岩尽快完成应力重分布,并自身调整取得平衡。

充分运用新奥法原理,对围岩收敛变形进行监控量测,分析围岩稳定性,不仅在引大工程的软岩隧洞中被成功地应用,而且在硬岩、中硬岩隧洞中也收到了良好的效果,为隧洞永久衬砌提供了宝贵的依据。