隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法

2023-10-09 08:45:24 1

專利名稱：：隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法
技術領域：
：本發明涉及隧道工程鑽爆法施工圍巖及支護結構安全性判定方法。屬鐵路、公路、水工隧道工程的建築類(E01D)。(二)
背景技術：
：隧道施工階段圍巖及支護結構穩定性受巖體性質、隧道斷面尺寸和形狀、覆蓋層厚度和施工方法等諸多複雜因素的影響，現場工程技術人員對圍巖及支護結構安全性進行精確的分析較困難，目前《公路隧道設計規範》和《公路隧道施工技術規範》以及相關研究領域中的隧道施工階段安全性判定方法中最主要方法如下容許極限位移量法、位移變化速率法、位移變化加速度法、變形速率比值法等單一定量指標判定法。並以此作為定量指標判定基準，這些方法存在如下問題①上述單一定量指標判別均沒有考慮隧道施工方法和支護體系的複雜性，即沒有考慮隧道初期支護受力與開挖方法和支護剛度有極大關係的問題。對於複雜的隧道施工方法和支護體系僅僅採用某一個指標，對圍巖及支護結構的安全性進行判斷不僅存在較大的困難，且存在極大的不準確性和無效性。例如有時隧道周邊位移超出位移控制基準值，但支護結構沒有產生破壞；有時變形速率很大，但隧道周邊位移還遠小於控制基準值，也未發生結構破壞；有時隧道工程(特別是淺埋隧道)位移尚未達到位移控制基準值，但支護結構已經失穩等等。②隧道從預測破壞到採取措施再到完成這些措施，是有一定時間的，在這個時間內，隧道破壞還會加速發展。而目前規範中的施工安全判定方法沒有考慮時間因素的影響，因此此判定方法也存在實際應用非常困難。
發明內容本發明提供的隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法，就是解決現有的定量指標判定基準存在判定參數單一的不足；沒有考慮隧道施工方法、支護體系的複雜性；沒有考慮時間因素的影響，存在極大的不準確性進而在實際應用中非常困難。本發明採用的技術方案如下隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法，有步驟1)現場對鑽爆法施工後隧道位移監測斷面確定極限位移U。；在該處用變形監測儀器進行變形監測，獲得監測斷面的監測周邊位移值U;確定監測變形速率v、確定監測變形加速度a和監測的時間t;(U和v的監測斷面位置一般以拱頂為主要依據)其特徵是該方法還包括下述步驟1)上述步驟1)中變形監測儀器採用全站儀、水準儀或收斂計；2)在隧道位移變形監測同時，用裂縫測寬、測探儀進行監測或用精度大於lmm的尺子量測，確定圍巖支護結構裂縫和發展狀態，記錄並列入表1;3)在隧道位移變形監測同時，採用水流量監測儀進行量測或觀察和按經驗確定監測斷面處地下水狀態，記錄並列入表1;4)確定隧道位移值所屬範圍U，確定方法見表1提供的A、B、C三個範圍；5)按表1提供的隧道變形速率v的取值範圍ApA2AAA和Q、C2、C3、C4，確定隧道監測變形速率v所處的取值範圍；6)將隧道監測變形加速度a正負值列入表1;47)依據上述l)監測的U。、U、v、a和t的數值，按表l提供的隧道位移值範圍A、B、C，隧道變形速率取值範圍A2B2、B3和Q、C2、C3、C4;隧道變形加速度a正負值、支護結構裂縫及發展狀態、地下水狀態；確定本監測斷面隧道危險等級、對應管理等級，危險等級的狀況類別共18種一併列入表1;並將對應四種危險等級的施工措施列入表2。表ltableseeoriginaldocumentpage5上述全站儀、水準儀或收斂計；裂縫測寬、測探儀；水流量監測儀等均可在市場中選購。當表1中，裂縫或地下水狀態指標與其它判定指標對應組合形式不存在而無法對應判定危險等級時，應按照以下條件判定危險等級當有裂縫產生且繼續發展，危險等級應提高一個等級，當無裂縫或裂縫停止發展，危險等級應降低一個等級；當有地下水存在時，判定危險等級可提高一級，當無地下水存在時，判定危險等級可降低一級。表2tableseeoriginaldocumentpage5tableseeoriginaldocumentpage6上述支護結構裂縫及發展狀態有(a)裂縫形式見圖2和圖3，環向裂縫1、縱向裂縫2和斜向裂縫3，其中環向和縱向裂縫對隧道結構的承載能力和穩定性影響較大；圖2中項4為隧道軸線。(b)裂縫特性裂縫長度、寬度和數量；(C)裂縫發展狀態裂縫停止或繼續發展；當表1中，裂縫狀態指標與其它判定指標對應組合形式不存在，而無法對應判定危險等級時，應按照以下條件判定危險等級當有裂縫產生且繼續發展，危險等級應提高一個等級，當無裂縫或裂縫停止發展，危險等級應降低一個等級。上述地下水狀態可分為三個級別(a)潮溼或點滴狀出水；(b)水壓或水量較小，線狀出水；(c)水壓或水量較大，股狀出水；當表l中，地下水狀態指標與其它判定指標對應組合形式不存在，而無法對應判定危險等級時，應按照以下條件判定危險等級當有地下水存在時，判定危險等級可提高一級，當無地下水存在時，判定危險等級可降低一級。上述圍巖變形加速度a屬正常加速，一般處於如下兩種狀況①確保圍巖不失穩情況，當開挖工作面通過量測斷面前後的極短時間內圍巖的變形加速；②當斷面用臺階法、CRD法、CD法和雙側壁法分部開挖，其它分部由於圍巖再次受施工擾動，通過量測斷面時所出現的短時間的加速；除此之外的其它情況均屬異常加速，這是圍巖失穩的徵兆，如果異常加速連續發展，表明圍巖與支護體系處於失穩的徵兆明顯，這時需採用緊急處理措施。上述表1中位移值所屬範圍U的A、B、C，隧道變形速率v的取值範圍ArA2;B「B3和C「C4的確定方法如下(定量指標)①周邊位移隧道穩定性判別，可根據隧道施工實測位移U與隧道極限位移U。之間建立判別準則，即UU。時，隧道不穩定。以現行規範中隧道位移管理基準為基礎，將隧道圍巖及支護結構安全性分為四個危險等級，見表3。表3公路隧道位移安全管理等級tableseeoriginaldocumentpage6②隧道變形速率V是指隧道周壁單位時刻位移變化量vn=Au/At=(un-Ui)/(tn-ti)(1)(1)式中vn為tn時刻隧道變形速率(mm/d);tn，ti均為量測時間(d);un，Ui為tti時刻位移累計值(mm);前述監測的時間t為tn-tlt)隧道容許變形速率v需要根據當前隧道位移累計值U和位移控制基準U。以及由當前隧道位移累計值變化到位移控制基準的時間t來確定(即為前述監測的時間t)，如式(2):U+tv>U0(2)假定某時刻隧道位移累計值為U，隧道變形速率為v，此斷面位移控制基準值為U。(即上述極限位移U。)，當監測斷面被發現變形異常時，往往需要採取加固措施，在材料和加固方案確定的情況下，採取加固措施需要的時間一般為35天，為確保安全，取5天計算。此時，U+5v>U。根據表3和上述要求，不同的位移管理區間下，變形速率大小控制如下(1)累計位移在I級管理等級時，變形速率大小控制為此時管理位移，U>2U。/3(見表1中範圍A)當U+5v>U。時，隧道處於不穩定狀態，此時變形速率為v>(U。-U)/5(見表1中取值範圍A》當U+5v《U。時，隧道雖是穩定狀態，但可能處於險情或異常，此時變形速率為V《(U。-U)/5(見表1中取值範圍A2)(2)累計位移在II級管理等級時，變形速率大小控制為此時管理位移，U。/3《U《2U。/3(見表1中範圍B)(a)當U+5v>U。時，隧道處於不穩定狀態，此時變形速率為v>(U。-U)/5(見表1中取值範圍B》(b)當U+5v>2U。/3時，隧道可能發生險情，此時變形速率為v>2U。/15-U/5(見表1中取值範圍B2)(c)當U+5v《2U。/3時，隧道可能發生異常，此時變形速率為V《2U。/15-U/5(見表1中取值範圍B3)(3)累計位移在III級管理等級時，變形速率大小控制為此時管理位移，UU。時，隧道處於不穩定狀態，此時變形速率為v>(U。-U)/5(見表1中範圍C》(b)當U+5v>2U。/3時，隧道可能發生險情，此時變形速率為v>2U0/15-U/5(見表1中範圍C2)(c)當U+5v>U。/3時，隧道可能發生變形異常，此時變形速率為V>U。/15-U/5(見表1中範圍C3)(d)當U+5v<U。/3時，隧道變形正常，此時變形速率為v<U0/15_U/5(見表1中範圍C4)(3)圍巖變形加速度圍巖變形加速度是指隧道周壁單位時刻變形速率變化量an=Av/At=(vn-v》/(tn-t》(3)式中an為tn時刻圍巖變形加速度mm/d2);tn，ti均為量測時間(d);vn，Vi為tn，ti時刻變形速率(mm/d)。根據圍巖變形規律，變形加速度大於零，圍巖加速變形；變形加速度小於零，圍巖減速變形。本發明有益效果①採用本發明可有效和準確的預測隧道施工階段支護結構的穩定性，與現有的單一參數判定方法相比，排除由於地質條件、支護參數、施工方法、斷面尺寸及形式等多種因素對安全判定的幹擾，增加了判定方法的準確性和普遍適用性，能全面、真實、可靠的預測隧道的安全性，從而減少工程事故發生和確保生命和財產的安全，使隧道施工能夠高效、安全的進行。②選用全站儀量測快速、準確和方便。選用裂縫測寬、測探儀可進行精確監測。採用水流量監測儀可進行精確量測。(四)圖1隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法流程圖；圖2隧道初期支護裂縫示意圖；圖3CRDi部邊牆裂縫圖。(五)具體實施例方式見圖l，本發明隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法流程①測某監測面監測值包括定量指標U。、U、V、a、t及定性指標支護結構裂縫和地下水狀況。②確定U、V取值範圍ApBpQ;A2、B2、C2;、B3、C3;C4。並將aO，列入表1。③將支護結構裂縫形式、特性及發展狀態列入表l。④將地下水狀態列入表1。⑤按監測值和依據表1、表2確定某隧道監測斷面危險等級和施工措施。某大斷面隧道，採用CRD法(即十字隔牆法)施工，現場對同一位移監測斷面的CRDi和CRD3部分別進行檢測。CRDi部極限位移U。=200mm。CRD3極限位移U。=130mm。實施例1:CRDi部安全性判定，可同時參見圖1。本實施例隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法，包括下列步驟i)現場對某大斷面隧道鑽爆法施工後，用全站儀對隧道位移監測斷面cm^部進行變形監測，獲得CRDi部監測斷面的周邊位移值U為106.3mm、監測變形速率v為11.2mm/d、監測變形加速度a為3.2mm/d2和監測的時間tn，ti(圖1中t為tn-t》，依據CRD工部極限位移U。=200mm。其中監測變形速率v用前述公式(1)確定；監測變形加速度a用前述公式(3)確定。2)在變形監測同時，用裂縫測寬、測探儀進行監測，觀察該監測斷面支護結構裂縫及發展狀態如下該處斷面及附近支護結構存在縱向裂縫和斜向裂縫，其寬度約為14mm，環向裂縫寬度約為220mm，且裂縫處於發展狀態。3)在變形監測同時，用水流量監測儀進行精確量測，確定該處支護結構裂縫處出現滴水狀。4)確定隧道監測位移值U=106.3mm在表1中所屬範圍U，並依據極限位移U。=200mm，確定方法見表1中所屬範圍U公式A或B，獲得監測位移U=106.3mm在B範圍即1/3U。《U《2/3U。。5)確定隧道監測變形速率V=11.2mm/d在表1中所處的取值範圍V(mm/d):確定方法見表1中位移值為B範圍1/3U。《U《2/3U。情況下，變形速率V的範圍為BpB2、B3，即(U0-U)/5=18.7mm(B》，2U0/15_U/5=5.4mm(B3)，由v=11.2mm/d，獲得v在B2範圍，艮卩(U。_U)/5>v>2U。/15_U/56)已知變形加速度a=3.2mm/d2，即得變形加速度a>0;7)依據本發明表i，確定cm^部危險等級為險情，屬表1中判斷危險等級狀況類別中第7類狀況。按表2，當危險等級為險情時，應立即對施工單位、監理單位、業主等相關單位發送險情報告，現場進行專家會診，提出了有效的處理措施，避免了工程塌方事故。實施例2:CRD3部安全性判定，可同時參見圖1。本實施例隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法，包括下列步驟1)現場對某大斷面隧道鑽爆法施工後，用全站儀對隧道位移監測斷面CRD3部進行變形監測，獲得CRD3部監測斷面的周邊位移值U為46.3mm、監測變形速率v為2.7mm/d、監測變形加速度a為-4.5mm/d2和監測的時間tn，並依據CRD3部極限位移U。=130mm。其中監測變形速率v和監測變形加速度a確定方法分別按前述公式(1)和(3)確定。2)在變形監測同時，用精度大於1mm的尺子確定該監測斷面支護結構裂縫及發展狀態如下該處斷面及附近支護結構無裂縫產生。3)在變形監測同時，觀察和按經驗確定該處支護結構裂縫處無出水現象。4)確定隧道監測位移值U=46.3mm在表1中所屬範圍U，並依據極限位移U。=130mm，確定方法見表1中所屬範圍U公式A或B，獲得監測位移U=46.3mm在B範圍即1/3U。《U《2/3U0。5)確定隧道監測變形速率V=2.7mm/d在表1中所處的取值範圍V(mm/d)，確定方法見表1中位移值為B範圍1/3U。《U《2/3U。情況下，變形速率V的範圍為BpB2、B3，即2U。/15-U/5=8.7mm(B2)，(U。_U)/5=16.74mm(B》由v=2.7mm/d，獲得v在B3範圍，即得v《2U。/15_U/56)已知變形加速度a=-4.5mm/d2，即得變形加速度a<0;7)依據本發明表1，確定CRD3部安全性判定危險等級為正常，屬表1中判斷危險等級狀況類別中第IO類狀況。按表2，當危險等級為正常時，可正常施工、正常監測。權利要求隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法，有步驟1)現場對鑽爆法施工後隧道位移監測斷面確定極限位移U0；在該處用變形監測儀器進行變形監測，獲得監測斷面的監測周邊位移值U；確定監測變形速率V、確定監測變形加速度a和監測的時間t；其特徵是該方法還包括下述步驟1)上述步驟1)中變形監測儀器採用全站儀、水準儀或收斂計；2)在隧道位移變形監測同時，用裂縫測寬、測探儀進行監測或用精度大於1mm的尺子量測，確定圍巖支護結構裂縫和發展狀態，記錄並列入表1；3)在隧道位移變形監測同時，採用水流量監測儀量測或觀察和按經驗確定監測斷面處地下水狀態，記錄並列入表1；4)確定隧道位移值所屬範圍U，確定方法見表1提供的A、B、C三個範圍；5)按表1提供的隧道變形速率V的取值範圍A1、A2；B1、B2、B3和C1、C2、C3、C4，確定隧道監測變形速率V所處的取值範圍；6)將隧道監測變形加速度a正負值列入表1；7)依據上述1)監測的U0、U、V、a和t的數值，按表1提供的隧道位移值範圍A、B、C，隧道變形速率取值範圍A1、A2；B1、B2、B3和C1、C2、C3、C4；隧道變形加速度a正負值、支護結構裂縫及發展狀態、地下水狀態；確定本監測斷面隧道危險等級、對應管理等級，危險等級的狀況類別共18種一併列入表1；並將對應四種危險等級的施工措施列入表2。表1表2管理等級危險等級施工措施I不穩定發送失穩報告，立即停止施工，快速採取工程對策阻止圍巖變形，加強監控量測，分析圍巖運動狀態，加強支護。I險情發送險情報告，立即停止施工，採取工程對策，加強監測，分析原因，加強支護。II異常發送異常報告，停止施工，加強監測，分析原因，確定工程措施。III正常正常施工，正常監測。2.按權利要求l所述判定方法，其特徵是所述支護結構裂縫及發展狀態有(a)裂縫形式環向裂縫(1)、縱向裂縫(2)和斜向裂縫(3)，其中環向和縱向裂縫對隧道結構的承載能力和穩定性影響較大；(b)裂縫特性裂縫長度、寬度和數量；(C)裂縫發展狀態裂縫停止或繼續發展；當表1中，裂縫狀態指標與其他判定指標對應組合形式不存在而無法對應判定危險等級時，應按照以下條件判定危險等級當有裂縫產生且繼續發展，危險等級應提高一個等級，當無裂縫或裂縫停止發展，危險等級應降低一個等級。3.按權利要求l所述判定方法，其特徵是所述地下水狀態分為三個級別(a)潮溼或點滴狀出水；(b)線狀出水；(C)股狀出水；當表1中，地下水狀態指標與其他判定指標對應組合形式不存在而無法對應判定危險等級時，應按照以下條件判定危險等級當有地下水存在時，判定危險等級可提高一級，當無地下水存在時，判定危險等級可降低一級。4.按權利要求1所述判定方法，其特徵是所述圍巖變形加速度a屬正常加速，一般處於如下兩種狀況①確保圍巖不失穩情況，開挖工作面通過量測斷面前後的極短時間內圍巖的變形加速；②當斷面用臺階法、CRD法、CD法和雙側壁法分部開挖，其它分部由於圍巖再次受施工擾動，通過量測斷面時所出現的短時間的加速；除此之外的其它情況均屬異常加速，這是圍巖失穩的徵兆，如果異常加速連續發展，表明圍巖與支護體系處於失穩的徵兆明顯，這時需採用緊急處理措施。5.按權利要求1所述判定方法，其特徵是變形監測儀器採用全站儀；且所述全站儀、水準儀或收斂計的測量精度《lmm。全文摘要隧道鑽爆法施工安全5參數判定方法。本發明提供了判定指標由位移值所屬範圍、變形速率範圍、變形加速度、支護裂縫狀態和地下水狀態組成，將判定的危險等級和18種狀況類別等一併列入表1，對應的施工措施列入表2，同時提出按現場對鑽爆法施工後用全站儀等對監測斷面進行的監測變形位移值、變形速率值、變形加速度值、變形時間、用裂縫測寬、測探儀等確定的裂縫狀態、用觀察或測量的地下水狀態，依據表1，確定出某監測斷面當前所處的危險等級及5參數法判定步驟。本方法與現有單一參數方法相比，考慮了地質條件、支護參數、施工方法、斷面尺寸及形式等多因素影響，增加了準確性和普遍適用性，能全面、真實、可靠的預測隧道的安全性。文檔編號E21D11/00GK101718201SQ200910216140公開日2010年6月2日申請日期2009年11月4日優先權日2009年11月4日發明者劉大剛,崔光耀,張建國,王明年,王玉鎖,童建軍,賈媛媛,路軍富,郭春,魏龍海申請人:西南交通大學