软岩高边坡工程的信息施工3

软岩高边坡工程的信息施工3

周德培

(西南交通大学地下工程与岩土工程系　成都　610031)

摘要　从信息论的角度,提出了软岩高边坡工程的信息施工法,介绍了此方法在南昆铁路百威段路堑高陡边坡工程中的实施过程以及该方法对施工的指导作用。

关键词　软岩,高边坡,信息施工

分类号　O236,P2.22

1　前　言

岩土体是一个复杂的非线性力学体系。施工所要达到的最终状态质量优劣,与开挖卸荷的应力路径和应力历史有关,即与施工方法和开挖过程密切相关。目前人们对此已有足够认识。但从现有的资料看出,人们在这方面做的工作更多地集中在设计,例如考虑不同的开挖施工方法进行优化设计;从现场监测的资料反馈设计[1,2]。这些工作成果对于提高岩土工程设计理论起了重要作用。本文从信息论的角度,提出重视施工方法和开挖过程,还应把重点放在如何从施工中取得更多信息上。因为岩土工程体系本身是一个大的信息库,设计时仅取得此库的少量信息,更多的信息还需要从施工中取得。从施工中尽量多地获取信息,进行分析处理,再用以指导施工。这就是本文所说的信息施工的基本内容。下面结合南昆铁路百威段软岩路堑高边坡工程进行阐述。

2　工程概况

该工程的里程是D K339+277～+395,采用喷混凝土、打锚杆、挂网的方法加固和挡护开挖边坡。该处岩体破碎、节理发育,属软弱破碎岩体。地表是泥岩夹砂岩,遭受严重风化。中部是断层带泥岩,属重风化层。下部是青灰色砂岩,属弱风化岩层。地形起伏较大,有少量地下水。

以图1中D K339+365断面的结构简介此工点的设计方案。路堑边坡位于线路左侧,分上下两级,平均每级高为11m,坡率1∶0.25。两级边坡间的平台宽为2m。喷层厚度为15cm。锚杆为φ20mm和φ25mm的螺纹钢,间距为1m,呈梅花形分布,倾角为14.04°,长8～10m。设计的施工顺序为从上到下分层开挖,每层开挖高度为2m。开挖完毕修整坡面后,先喷浆5cm厚。然后钻孔插锚杆、注浆、挂网,最后喷浆到15cm。该层施工完毕后再进行下层开挖施工。最初的施工方案是根据设计图和地形条件制定的,图2是施工流程简图。实施时首先要考虑开挖坡体的方式。最初采用全程开挖法,即先将118m长的坡面一次开挖完,然后实施以下工序。

工程实践表明软岩高边坡工程采用上述分层开挖,逐层稳定的施工方案是正确的。其优点是减小了开挖对坡体的扰动,缩短了开挖面自由变形时间。为了确保工程安全,还必须掌握开挖过程中坡体稳定性。这就是要求从施工中摄取更多信息,及时调整施工方法。

3　信息施工原理

现代自然科学发展的整体趋势是各门学科相互交叉、渗透与联系,在此基础上会产生新理论的增长点。目前信息的概念与其一些基本理论已超出了原来的领域,正推广应用于其他学科。该学科在岩土工程中的应用也在逐步深入。例如反分析法与信息论结合,提出了岩土工程反分析方法的信息论[3];将信息论用于滑坡预测,建立了滑坡预测的信息模型[4]

1997年11月1日收到初稿,1998年2月9日收到修改稿。

3铁道部科研基金(铁建工科字No.31)和国家自然科学基金(59409004)资助项目。

作者周德培简介:男,50岁,1981年于西南交通大学土木工程系隧道与地下工程专业获硕士学位,现任教授、博士生导师,主要从事岩土工程方面的研究工作。

图1　D K339+365设计断面

Fig.1　Design of D K339+365

section

图2　施工流程简图

Fig.2　Sketch of construction process

等等。岩土工程体系本身是一个信息库。在对该体系进行设计时,往往只知其中很少信息。信息知得极少甚至不知的系统称为“黑箱”;部分信息已知,部分信息未知的系统称为“灰箱”;信息完全已知的系统称为“白箱”。利用现代岩土力学理论和现代施工技术,进行“白箱”体系的岩土工程设计和施工是不会出现工程事故的。之所以出现事故,其原因是我们的工作往往仅建立在“灰箱”系统上。因此在岩土工程设计和施工中获取更多的信息,促使“灰箱”转变为“白箱”是工程结构安全稳定的重要保证。一般而言,岩土工程体系的信息可从以下4个方面取

得:(1)经验信息,这是工程技术人员设计与施工经验的总结;(2)观察信息,由地质调查、勘探等方法得到的信息;(3)理论信息,根据前两种信息采用理论计算、试验研究等方法所得到的信息;(4)施工信息,通过实际开挖和施工企业所获得的信息。由于工程岩土体的复杂性,从前三方面取得的信息是很不够的,更多的而且更可靠的信息来自施工,即施工信息。本文提出信息施工的目的就是主张从开挖施工过程中获取尽量多的信息,进行分析处理,用以指导施工。

为了在本工点实施信息施工法,根据图2的施工流程制定了获取施工信息的方案,以及实施信息施工的框图如图3所示。由此可看出每层开挖时都

可获得大量的施工信息,将这些信息全部送到信息

分析与处理中心。经计算机软件分析处理后,

可绘出土压力、锚杆轴力、坡面位移、坡体内松弛区发展情况等多种因素随开挖的变化曲线和必要的图表。施工人员根据这些结果可正确判断该层开挖后坡体是否稳定,下层开挖时是否需要修改开挖方法和施工工艺、是否改变浆液配比等。由此可见,采用这种施工方法,施工人员真正做到心中有数,避免盲目施工,既能确保工程安全,又能提高工程质量

。

图3　信息施工法框图

Fig.3　Flow chart of information construction

4　信息施工过程

由图3可知,实施信息施工,应做3方面工作,

即获取施工信息、信息分析和处理、指导施工。下面结合南昆铁路百威段的路堑高陡边坡工程中实施信息施工的过程加以讨论。

4.1　施工信息的获取及其分析处理

由图3可知,本工点通过开挖坡面和钻孔作业以及现场监测等途径获取施工信息。在开挖时由专人记录岩体开挖暴露出的节理、裂隙、密度、地下水等信息,现场测定必要的力学指标。在钻孔作业中可分析钻孔排出物,判断岩体深部岩性变化、深层地下水等信息。在本工点共设置了4个现场监测断面,布置了压力、位移监测点共69个。为说明问题起见,在此仅用D K339+365断面测点测试结果加以讨论,如图4所示。

・473・　　岩石力学与工程学报1999年

图4　D K339+365断面测点

Fig.4　Measuring points of D K339+365section

每天获取的信息首先进行分类、整理、优化,然后通过相应的分析软件进行分析处理,绘制成各种曲线和图表,为下一步开挖施工提供决策依据。4.2　根据信息分析处理结果改变开挖方法

第1,2层坡体开挖采用了全程开挖法。第1层开挖后,在1996年4月4日埋设了第1根量测锚杆,在这根量测锚杆上布置了L 1-1,L 1-2,L 1-3,L 1-4共4个轴力测点。在4月18日完成了第1层施

工的全部工艺流程后,进行第2层开挖。在这期间量测锚杆也在不断工作。图5给出了不同日期锚杆轴力F 的测试值。所有量测锚杆的数据在整个施工过程中都有记录,因篇幅所限,图5中仅给出了1996

年6月13日以前的数据。可看出在开挖过程中(

即由4月18日至4月22日期间),锚杆轴力增加很多,即曲线产生突变。这说明全程开挖时,坡体内部位移大,使锚杆轴力大大增加。锚杆轴力的突然增加,对坡体稳定不利。另外锚杆轴力在突然增加后,若在以后的发展中能得到调整,使坡体内部破裂面在锚杆长度以内,则该层开挖能稳定

,否则会失稳,为了判断第2层开挖后坡体内破裂面位置,画出了5月7日锚杆轴力图(图6)。5月7日前第2层开挖完毕,并且完成了钻孔和注浆工作。由图6可见,锚杆轴力在后继发展过程中,最大轴力出现在L 1-3测点附近。因此第2层开挖后,坡体上部破裂面仍在锚杆长度控制的范围内。但随着开挖层次的增加,若不控制锚杆轴力的突增,会使破裂面向坡体内移动,势必超出锚杆长度控制范围,有可能导致坡体失稳。为此必须克服锚杆轴力突增,控制破裂面的位置的过量发展。经分析发现在全程开挖时,由于喷混凝土、钻孔等后续作业未及时跟上,增加了开挖面自由变形时间,使开挖产生的扰动向坡体内发展,没有切实做到边开挖边加固。由于施工条件难以做到

使后续作业紧跟全程开挖,因此从第3层开挖起改

为分段开挖。即将整个坡体分为两段,每段开挖中后续作业能较好地跟上,做到了开挖后尽快护坡和加固。由图5的测试结果可知,采用分段开挖时,在5月28日第3层开挖完后,第1根量测锚杆上的4个测点L 1-1～L 1-4量测数据的突增现象得到较好的克服,使锚杆轴力在开挖过程中能缓慢发生变化。第2根量测锚杆是在第2层开挖后埋设的,从1996年5月14日开始工作。第3层开挖完后,它的4个测点L 2-1～L 2-4的量测数据也未突增而是缓慢增加。分段开挖不但控制锚杆轴力还减小了坡体位移。在整个施工过程中,各测点变化平缓,整个开挖坡体稳定。施工监测的数据很好地指导了施工,为及时采取最佳施工措施提供了依据。

图5　D K339+365的L 1和L 2锚杆轴力F 在不同日期

的测试结果

Fig.5　Test results of axial force F of bolts L 1and L 2for D K339+365section at different date

图6　L 1锚杆上5月7日轴力F 的测试值

Fig.6　Test values of axial force F of bolt L 1on May 7

4.3　改变钢筋网铺设的施工工艺

在D K339+365共埋设了10个土压力盒,作为

・

573・第18卷　第4期周德培.软岩高边坡工程的信息施工　　

喷层后坡体水平压力的测试点,即Y 2-1～Y 2-10。在开挖后埋设压力盒,然后再作喷层。第2层开挖完后,分别在1996年3月7日和3月20日埋设了Y 2-1和Y 2-2的两个压力测点,第2层开挖后又埋设了Y 2-3和Y 2-4。图7是这4个测点在不同日期土压力p 的测试值。在开挖第2层坡体前,Y 2-1和Y 2-2的压力在随时间而减小,发生了压力松弛现象。在详细分析这种现象后,认为是坡体发生位移的同时,喷层也随着一起位移,喷层未能提供足够反力。在第1层坡面上挂网时,每筋网是2m ×2m ,两相邻网的前后左右的联结是采用搭接并用铁丝捆扎。在喷完混凝土后,搭接处不是牢固联结。在喷层受力时,搭接处也随坡体变形而随之滑动,喷层受力松弛,导致了Y 2-1和Y 2-2测试值下降,针对这种情况将网之间的搭接改为焊接。另外,最初采取的挂网工艺是网与网搭接后再加锚垫板和给锚杆加预紧力,这样会使网绷不平,也会造成喷层位移。将这种工艺改为挂网后加锚垫板,再加预紧力把网压紧,然后再将网与网之间牢固焊接起来。喷层的施工工艺作了如上改变后,在第2层和第3层以及以后各层开挖中,喷层后土压力松弛的现象得到较好的克服。例如图7中Y 2-3和Y 2-4的压力在缓慢增加,Y 2-1和Y 2-2的压力在第2层开挖后也缓慢增加,这

表明喷浆体与网形成一体,在受到锚杆约束后,阻止了土体的位移,使喷层后土压力随开挖的进展而缓慢变化。以后的施工监测数据表明,对上述喷层

的施工工艺的改变是正确的。

4.4　增设深层排水和变更开挖高度

在第3层开挖施工完后,在进行第四层钻孔作业时,在D K339+350～+390地段发现地下水量增加,与原勘探资料出入较大,原设计中只作了面层排水系统。根据这一开挖信息,增设了深层排水系统。

在开挖到第9层时,发现岩层破碎严重,深层排出水量增加。按原两段开挖和每层开挖高度为2m 的方法实施时,锚杆轴力和坡体位移量显著增加。为了使开挖坡体稳定,从该层起分三段开挖,并且将每层开挖高度控制在1m 左右。采取了上述措施后,一直到坡体开挖施工完毕,锚杆轴力未超过设计值,坡体位移仅为坡高的1.95‰。

5　结　语

由于岩土体较为复杂,为了确保工程安全和工程质量,人们在精心设计的同时,也在寻求精心施工的方法。本文从信息论的角度提出了信息施工法。认为岩土工程的信息来自经验信息、观察信息、理论信息和施工信息,其中施工信息占主要部分。应从开挖施工中获取尽量多的信息,进行分析处理,用以指导施工。本文结合南昆铁路百威段工程实施信息施工的实例,给出了软岩高陡边坡工程信息施工的模式,以及如何更多获取施工信息的方法。本文的成果为今后岩土工程施工提供了借鉴

。

图7　Y 2-1～Y 2-4在不同日期的土压力p 的测试结果

Fig.7　Test results of earth pressure p for Y 2-1to Y 2-4at different date

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殷坤龙,晏同珍.滑坡预测及相关模型.岩石力学与工程学报,

1996,15(1):1～8

・673・　　岩石力学与工程学报1999年

THE INFORMATION CONSTRUCTION OF HIGH

SLOPE IN WEAK ROCKMASS

Zhou Depei

(Dept.of U nderground &Geotechnical Eng.,Southwest Jiaotong U niversity ,　Chengdu 　610031　China )

Abstract 　Applying the information theory to the construction in rock and soil engineering ,the information con 2struction method is presented.The method is used on the high steep slope engineering in Baiwei section of Nankun railway.The results of the method used in engineering and the guiding effects for the construction are discussed.K ey w ords 　weak rockmass ,high slope ,information construction

1998年9月圣彼得堡

“地下城市:地质技术和建筑”国际会议综述

1998年9月8～10日在俄罗斯圣彼得堡召开了名为“地下城市:地质技术和建筑”的国际会议。

本次会议是在国际隧道协会和国际土力学与地基工程协会的支持下,由俄罗斯隧道协会和俄罗斯土力学与基础协会主办召开的。有来自23个国家的270多名代表出席了会议。中国工程院院士钱七虎教授作为正式代表参加了本次会议,并在大会上作了报告。本文作者作为特邀代表也参加了本次会议。

本次会议的主题是地下城市,主要探讨大型城市地下空间的开发问题和解决地下建筑中的复杂问题。会议报告采用全会和墙壁展览两种形式进行。会议论文集收集了78篇论文。会议报告分为特邀大会报告和四个方面的主题报告。大会特邀的四个报告的题目是:

(1)俄罗斯科学院院士E.I.Shemaykin 　“地下空间开发的地质力学和生态学状况”;(2)俄罗斯隧道协会O.N.Makarov 　“现代化的城市:地下交通系统”;(3)俄罗斯科学院院士V.A.Ilyichev 　“民用和一般用途的城市地下建筑”;(4)V.N.Alexandrov 　“圣彼得堡地下空间开发的总体构想”。

四个方面的主题报告的分类如下:(1)地下城市发展中的理性问题;(2)地下城市和地质力学;(3)地下城市和地质技术;

(4)地下城市和生态学。会议论文的题目涉及的范围很广,包括地铁、地下厂房、地下商业中心、地下停车场、车库、仓库和地

下排水工程等。

地下工程的建设中,主要的任务是安全和不影响地面的设施,在彼得堡软土地基的条件下可采用快速掘进的方法解决。如彼得堡地铁掘进速度一般为300～400m/月,最高的达到1250m/月。掘进的同时进行支护,这样可使地面的沉降很小。世界各地在地铁的建设和使用中也发生了一些事故,如彼得堡的一地铁车站建在寒武纪的粘土中,建设时采用了冻结法施工,后来由于地基土的逐渐解冻,轨道下地基发生了不均匀的沉降,衬砌发生了破坏,最终导致了整个地铁车站报废,至今这两个车站之间乘客只能到地面上转乘公共汽车。

在理论方面,如何提高地质勘探的准确性、避免失误及理论分析问题,另外建立海下深隧道的数学模型以及发展监控技术等在会议文章中均可见到。现代的设计理论应把地下建筑看成一个大系统,系统的稳定性不仅取决于建筑物的强度,还取决于土和相邻建筑物的强度。

工艺方面,随着全断面掘进设备能力的提高及在世界各地的普遍使用,地下掘进和支护工艺大为改善。另外,近几年来新型建筑材料的应用,如高强混凝土、高抗渗混凝土及各种旨在改善和提高混凝土的性能的添加剂等的出现,使混凝土的性质大为改善。地下连续墙和土层锚杆等在世界各地也获得了广泛的应用。

参加会议的不少作者认为,地下空间的开发和利用是21世纪城市发展的新课题,地下工程的建设对生态环境及对周围建筑物的影响等,应进行综合研究。要进行多学科的联合,除此而外,地下建筑施工工艺对地下水的影响、工艺和材料的选择对周围环境的影响、地下城市的综合设计和评价等方面都是今后进一步研究的课题。

(赵　文供稿)

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773・第18卷　第4期周德培.软岩高边坡工程的信息施工