复杂边坡工程稳定性监测及信息施工.pdf

第2 9 卷籀5 期 2 0 0 0 年i l 胄 中国矿业大学学摄 J o u m a lo { C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．2 9N o ，8 N O V ．2 0 0 0 文章编母1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 0 0 6 0 5 8 7 0 5 复杂边坡工程稳定性监测及信息施工 王在泉，王建渡 青岛建筑工程学院土术工程系。山东青岛2 6 6 0 3 3 摘要以莱太型复杂边玻工程系统为例，提出了基于施工套过程舞全监测茂监洲信息反馈指导 下的复杂边坡工程信息化施工方法．结合岩石力学庶办释姨与转移原骥，嵌钵稳定理论及其它 方法。介绍了信息他施工方法在馕复杂边坡工程硐宣快速癣仝施工、边坡与硐蚤合理开挖顺序及 暴稳基境边嫒风险施工申姆吴傣实施过程及盼施_ T - 妁糖争诈月 关键词复杂边坡m 程；信息施工；监测；应力释放与转移 审曩努类号T D8 2 4 。7 3 ；T v5 5 4 1 6文懿标识鹞；A 岩土工程莼王甄要选到的最终状态震爨的优 劣，与开挖卸荷的应力路径和成力历史有关，即与 麓王方法巍舞挖遘程密切相美．因l } l ，人妇褒舞挖 施工前一般要进行相关的勘察、实验及理论计算 等，敬矮褥鞫i 将遴嚣抟岩圭王翟熬糍关信患。这 些相关信息的获取主要从以下3 个方面得到“o 1 经验信患，楚工程设幸} 囊燕工经验器总结，翔工毳 经验类比；2 观察信息，由地质调查、勘探等得到 静髂意；3 理论信意，据蓊两种信息采焉试验骈 究、理论计算等方法得到的信息．由于岩土体性质 的复杂、多嶷及隧槐离散性，不可能程麓工黼将岩 土工程中的信息完全掌握，即搬工前的岩土工程信 息系统是一个“灰色”系统．而慧于灰色系统信息资 料基础上的相关设计、施工往往与实际情况褰一定 差异，因而有时出现工稷事故也就不足为怪了．因 此，人们提娃l 了遗过施王过程的信息渡测及反馈， 在施工过稷中逐步使“藏色”系统“白化”，并在“白 化”过程孛基于鼗测信爨对工程设诗、燕王避簿逐 步优化的思路““] ．显然，对经过“白化”了的“自 耱” 凌接澎于“是箨” 蠢工程，再利用瑗找岩i 力学和现代施工技术进行设计施工一般是不会出 褒较夫工程事故懿。 本文以某大测复杂边坡工程系统的现场监测 及基于褒臻益测髂意指导下的施工恍侄，探章薯了戳 上问题． 1 复杂速城工程凝施工方法 菜逑坡工程如爨1 所拳，主簧鑫3 太工裁缝 成，即永久边坡工程、赭坑I 临时边坡工程和2 0 1 泥 纯夹层舔室置换工程疑；| 拳隧漏王程 蚕1 ． 1 0 0 ～2 5 0n l 高程以上边坡为水久边坡，开挖 魏选坡的强弱麓挖窭巍然遴渡的鬣纯层、卸蘅袋藩 带及进行减载，以确保下部建筑的安全．边坡总体 上分为上、下两段，上段为垂瘫台酚式灰者边装，下 段为倾斜台阶式页岩边坡，在灰页糟交界处存在一 鼙2 ～3m 的混化夹攥．透玻采用预裂爆破开挖， 并进行锚喷、预应力锚索 灰糟段 囊护与加固． 永久边坡工程下部1 0 0 ～4 8 ．7m 高稷段为厂 房基坑临时边坡。其中集水辨边坡段总体坡角为 4 5 。，局部台阶坡角达7 0 。。远远超过了页岩的稳定 坡角，且处于上郏边坡的重羼之下，投易失稳．该迭 坡采用预裂爆破开挖，并进符锚喷囊护． 鉴予2 0 1 夹层是控制迭坡稳定性的圭要弱囊， 且1 ，2 母引水隧洞要穿过该夹层，为保证边坡及目【 承遴漏努蛊逸坡酵戆稳定性，对其避嚣鬟换。帮蓠 先通过硐挖方斌挖除夹层及影响带岩体，然后采用 溅凝土鬟换 爨2 ，冀孛5 个置换溺乎符零置．塌 室开挖采用间隔式，即先开挖14 ，3 4 ，5 4 调室并阐 壤漫凝毫，再拜挖、萋换2 4 ，4 。硐塞 嚣卷往软辨， 硐室断耐大及处于边坡工程系统的应力集中部位- 磺室稳患性援蓑，是影晌逸坡工程系统稳定性静霪 毂穰墨瓣t2 0 0 0 0 3 2 3 基盘项目I 国家自然科学羲盒资助项目 4 9 8 0 2 0 2 6 俸者蕾赍。王在 1 9 6 4 ． 。羼．山东省日照市人，青斑建筑工程学院教授，工学博士．从事者土工程研究． 万方数据 串垂矿韭丈擘学撮第2 9 卷 a 平面圈 b 割面舔 醋1 选坡工程系统示意黼 F 峪1 S k e t c hm a po ft h es l o p ee “g i n e e r h l gs y s t e m 簧因素．引水隧洞是4 条洞径t 2 m ，问距2 4 m 的 平行洞璧，其出洞段与置换硐室的关系见图2 ；夹 层置换完成后进行隧洞的穿出边坡开挖 ，”、 砂” ，’、 』 ／’、 5 “ 3 4 2 。旷 1 4 6 m 1 6 m l 1 2 m6 m 1 6 m I1 2 m6 m 辫2 暨按鞲室精意罄 F i g ．2 S k e t c hm a po fr e p l a c e dt u n n e l s 整个边坡工程系统，即有地耐边坡工程，又有 地下硐嶷工程；即有永久工程，又有临时工程，且在 时简、空间上互为交_ 叉、蔓为影响．鍪于工期要求， 透城工程系统箍工栗用了“土下分段淘错淹王，各 段囊上薅下作业，坡嶷与涸内羁畦劳举，边坡与基 坑一起菇挖”的多层次、立体化施工方式．其是否合 理，如何控制开挖强度，锫个工作面的关系如何协 调，只有通过开挖施工期的动态j l 鑫测与信息反馈才 能把握．即必须采用信怠化施工方法才毹印乖j 予 工蘸稔定，叉能翻茯工程进度． 2 施工过程立体篮测方法 复杂边坡工程的各种地质条件与开挖因岽互 相影响、互为制约，故在对其进行安全监测时，必须 把糖好边坡工程系统整体稳定与局部稳定的关系 及转亿条静，并遘避及鞋静菰测与信息鬣馕，健不 零】予边坡稳定豹矛爨肉剩于边坡稳定鲍方囱转化， 最终体现超躯预测、实时监测，动态信息反馈及设 计不断优化的边坡工程动态设计思想． 坡 该复杂边坡工程采用了“三线一面、立体交叉” 的动态立体监控方法．首先根据岩体质量差异及开 挖影响程度，确定厂房上方磁面坡为蓝控重点．谈 段工程多 边皱、2 0 1 置换、S | 承满等舞挖 ，设鬟 t ，l 蕊条救测线爨1 ；测覆边坡毽其坡毫最大， 又有最下部的集水井基坑工程开挖影响，亦设置一 条监测线Ⅱ 图1 ．3 条监测线基本能把握边坡工 程的整体稳定状况．但考虑到边城地质及汗挖条件 的笈杂多变侄，为保证对局部地段稳定性的事先预 测，在整个瑗瑶上 特别是在一蛰开挖变纯凝繁及 出现可馥块俸鳇邦搜 掇据3 线的监测趋势及施工 条件的变化是滔布置测点，以做到整体与局部的结 合．另外，考虑到开挖过程的爆破动荷影响，不但对 边坡应力、变形进行了监测，还对爆破震动对边坡 稳定性的影响黻及| 起的岩俸桧动嘲的变{ { 等蠢} 行了动态懿测，其次，在变形釜测上采用了遗坡表 嚣位移与坡内不同深度处位移相结合的监测方法。 采用位移、成力、爆破振速、松动嘲大小等指标对边 坡工程茉统开挖全过程实施了有效J l 茳测与反馈控 制，取得了理想效果 也验证了监测方法的正确性． 3 基午_ l l 盏控倍息的边城工程系统动态信意 旒工 3 ．1 基于髓测信息的皮力释放疑转移藤瑾的应用 3 ．1 ，1 稍畿合疆施工 虫子硐室秀挖蛉卸稼作熙，B | 起硐室周边岩体 向歼挖临空面转移，从而周边岩体在切向互相挤 长，并产生成力集中，导致硐室局部薄弱部位首先 发生屈服破坏，同时引起围岩内应力重分布。使成 力集中向菌岩内部转移，并德内部岩俸箍于三维磁 力状态 稍燕破碎嚣及塑性嬲岩体绘瘫邦岩落提供 万方数据 第6 期 王在泉等复杂边坡工程稳定性监测及信息施工 径向力 ，形成承载环．但硐室岩体应力集中的转移 是以破坏为代价的，基于此，人们提出了在硐室周 边岩体内有计划地安排一些薄弱部位，使其优先破 坏，达到以局部破坏来提高硐室整体稳定性的目 的E “． 基于以上原理，在2 0 1 夹层置换工程14 ，34 ， 5 4 硐室开挖过程中，在确保硐室整体稳定性的前 提下 由监测信息判定 ，对监测确定的局部不稳部 位，没有采用人为被动加固的方法，而是在连续跟 踪监测及预报的基础上，允许其变形发展，直至最 终塌落．在预报塌方前撤离人员、设备，这样既争取 了施工时间，工人在预报监测下施工，工作效率高， 又节省了对不稳部位的加固费用及时间，最终抢在 硐室大塌方前完成了混凝土回填． 同样，利用应力转移原理，认为在开挖及置换 完14 ，3 4 ，5 4 硐室后，24 ，4 4 硐室施工是在前期开 挖形成的免压拱保护下进行，故开挖稳定性将大大 改善，而开挖2 4 ，4 4 硐室引起的应力集中将转移到 14 。3 4 ，5 4 置换体上，故也不会引起大规模的硐室 塌方．基于以上认识，在开挖2 4 ，4 4 硐室时合理调 时间，月 整了施工力量，简化了施工程序，最终提前完成施 工任务．而实际开挖也验证了上述预测“] ． 另外，从图2 知，在1 ，2 号引水隧洞开挖出洞 时，其开挖部位恰为2 0 1 夹层置换硐室开挖所形成 的免压拱部位，且引水隧洞的洞柱为置换过的混凝 土，故在1 ，2 号隧洞出洞时稳定性很好．与此相反， 3 ，4 号隧洞出洞时，尽管此部位受2 0 1 夹层影响 小。但其稳定性却很差，不得不先采用导洞开挖、超 前管棚支护． 3 ．1 ．2 硐室与边坡合理开挖顺序与部位 鉴于硐室稳定性差，其开挖过程对边坡的影响 以及如何协调坡面与硐室的开挖，是当时关注的焦 点．为此，在硐室上方边坡上同时设置水平、垂直 钻孔多点位移计及锚杆受力测点．图3 分别为 1 8 0m 高程垂直钻孔多点位移计 距3 4 硐室顶板 1 0 ，1 4m 测点，下沉为负 及1 9 5m 高程水平钻孔 多点位移计 坡内3 ，1 5m 测点，向坡内为负 位移 随时间的变化曲线，图4 为置换体上方典型水平锚 杆受力变化曲线． 时间阴 蛭。窿s J o1 5 2 0 | | 薹一 由图3 a 并结合置换硐室塌方情况，可以认为 2 0 1 夹层硐室开挖引起的垂直变形影响范围为硐 室上方1 1 ～2 21 2 1 ，且只有当硐室产生较大塌方或 冒顶时，边坡垂直变形才有较大变化．这说明硐室 塌方对上部边坡影响有限，硐室的局部塌方不会引 起上方边坡的失稳．另外，从图3 b 和图4 知，硐室 的开挖对边坡水平变形有减缓趋势，锚杆受力也由 受拉逐步变为受压，这说明硐室的开挖起到了卸压 效果，即释放了灰页岩交接部位的应力集中，总体 上利于边坡工程系统的稳定．硐室的开挖引起的 边坡变形、受力趋势与边坡自身开挖引起的变形、 受力趋势起到了互为抵消的作用．从图4 也可看 出，未进行硐室开挖置换的边坡锚杆受力基本处于 受拉状态．基于此信息，在开挖硐室的同时，也协调 进行了上部边坡的开挖，从而既加快了施工进度， 又改善了边坡的稳定性． 莹 杀 倒 靼必 时间调 图4 边坡锚杆受力曲线 F i g ．4 S t r e s s t i m ec l z t v eo far o c kb o l ti ns l o p e 3 ．2 基于监测信息的临时基坑边坡风险施工 基坑临时边坡中的集水井段 图1 中Ⅲ线 开 挖到5 1m 高程时在7 8m 台阶上出现了呈明显不 稳标志的后缘拉裂缝，并随时间推移及其后的继续 下挖，裂缝宽度逐步增大，数量逐步增多．若不及时 处理而发生失稳，将不但影响基础工程的正常施 工，也将危及上部已基本成型的永久边坡的稳定， 甚至迫使边坡后退． 图5 为7 8m 平台垂直多点位移计测点位移 万方数据 中国矿业大学学报 第2 9 卷 髓时间的变化曲线。可以看出，边坡变形对应于不 同的施工阶段可分为3 段．开挖到5 4 ．7 m 高程 前，边坡处于稳定线性变形阶段，此时对应的稳定 性安全系数R ；。一1 。2 7 ；当开挖裂4 8 ．7m 蹇翟惹， 边坡变形增大，开始处于非线性非稳定加速阶段， 7 8m 高程平台出现拉裂缝，其扩展速度为 lm i l l ／d ，此时对应的稳定性安全系数R 。一0 ．9 3 ， 裘鹱逸缓逐步离失稳方淘发篪． 为此，基于边坡变形与稳定性演化趋势的监 测，对图5 加速段的时间序列采用滑坡预报模测0 1 预报了在不处理条件下的可能失稳时间为1 9 9 0 年 l 蕉1 5 器。校据琰测瓣失稳葬孛蠲舍理安排麓工， 强化施工强度，捡在边坡产生剧辫前巍成了基坑底 部混凝土的浇注，其后边坡变形逐渐稳定下来． 时间埘 0嚣49 ∞瓣 陌 渡瞧封边坡懿裁袭攘露也绘我们舞豹定示，器 边坡的稳定是相对的，时间性的．对一些临时边坡， 呵适当提高设计坡角，但应以安全监控指导为前 提． 3 ．3 块体盗测爱在据嚣含理支护中熊壅嬲 边坡上邦灰卷段节理、裂媛发育，其相互缀合 构成边坡内大小不等的块体 块体的存在不但威胁 施工安全，也对边域工程的长期使用不利．为此，采 用块体理论对逑城块体系统遣符了分析疆测，并据 她指导了边坡的会理舞挖加固埠监控．出块体理 论”1 知，边坡局部部位岩体的失稳与谮主要取决于 关键块体的稳定状态．为此，首先由边坡灰岩段的 岩谇结构组合状态，确定密逾玻中的荚键块体投可 移块俸分每，然后辩袭搭进褥了位移及邦分锚转应 力监测，并据监测结果及时对块体进行针对性锚 固．豳6 为某块体的锚杆受力变化曲线，其中边坡 锚固常规镭秆长6n l ，赢径2 2m i l l ，全长注浆镭雷； 观测镭耔长1 2m ． 从图8 可以看出，常规锚固艨，块体出现丁明 显的移动迹象．拉应力以每月5M P a 的速率增加， 说明常规锚匿对存在的块体无加固效果．而据分析 结果，对浃体蜜旋长1 2m ，誊径3 2m m 静锚释魏 嘲后，拉应力明显降低，变为0 ．5 ～1 ．0 M P a ／月， 后来逐步稳定下来．其它块体亦根据块体理论计算 确定所需锚固长度及锚潜力，进行了舒对径加辩． 慧之，器块捧理论营先确定遗坡孛戆关键块体 分布及规模，然后对这势块体进行监测，并采取针 对性的加圈措施，可保诞边坡工程的施工安全，避 免加函工作的盲目性． 芒羹 善∞ ii 51 01 5 2 0 2 S 时问胴 图6 块体拉应力变化曲线 F i g 。S T e n s i l es t r e s s - d m e H r v eo fb l o c kb o d y 4 缩论 1 复杂边坡工程系统最一个“灰色系统”，通 避施王过程的动态蕴测冒整其逐步“癌耗”，甏在 “白化”过程中基于监测信息对工程设计和施工进 行优化、修改可体现动态设计的“新奥法”思想． 2 采用信息他旋工，和角岩石力学相关原理 等益测覆报技术，爵实麓卷主工糕静安全、快逮、经 济施工，达到事半功培的效果． 参考文藏 【1 ] 籀德培．软者高进坡王翟懿信患施工疆] 。喾石力学 与工稷学报，1 9 9 9 ，1 8 4 3 7 3 3 7 7 。 [ 2 ] 绦卫驻，王思敬．关于三峡船闸高边城快速施工地质 越蔷臻报的几个葡题甜] ．工程蟾质学报，1 9 9 4 ，2 3 2 7 3 3 ． [ 3 ] 杨志法，王恩敬．工程地质学一个新的研究方向[ J ] ． 姥质灾害岛环境保护．1 9 9 6 ．7 1 1 - 6 ． [ 4 ] 羞在泉．遗坡动态稳定性预测骥撮及工程应用瓣究 [ J ] ．岩石力学与工程学报，1 9 9 7 ，1 7 2 1 1 7 ．1 2 2 ． C s ] 孙广忠，黄运飞，陈德玖．褚孔维护地下满整的研究 [ A 3 。岩咎置程蟪震力学勰艇 十 [ M ] 。j ￡哀；辩学出 版社，1 9 9 1 ．1 1 6 1 2 6 ． [ 6 3 王在采，池霹文，陆文妊．软岩洞整开挖稳定性监测预 壤与控捌硌] ．串蕃岩石力学与王程学会蟾下工程专 业委员会编．嗣压稳定及控制方法新进展[ c ] ．武 汉湖北科学技术出j 髓杜，1 9 9 4 ．1 6 9 1 6 9 ． [ 7 ] 精锦华．基褪衡。获体趣论在工程岩搏稳定分辑孛静 应用[ M ] ．北京水利水电出版社 1 9 8 8 ．1 - 1 0 ． 万方数据 第6 期王在泉等复杂边城工程稳定性监测及信息施工5 9 1 S t a b i l i t yM o n i t o r i n go fC o m p l e xS l o p eE n g i n e e r i n gS y s t e ma n d I t sC o n s t r u c t i o nB a s e do nM o n i t o r e dI n f o r m a t i o n W A N GZ a i - q u a n ，W A N GJ i a nb o D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g ，Q i n g d a OI n s t i t u t eo fA r c h i t e c t u r ea n dE n g i n e e r i n g ，Q i n g d a o ，S h a n d o n g2 6 6 0 3 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do fc o m p l e xs l o p ee n g i n e e r i n gs y S t e m ，b a s e do nt h es a f e r Ym o n i t o r i n ga n d i n f o r m a t i o nf e e d b a c ki nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ，w a sp u tf o r w a r db yt a k m go n el a r g ec o m p l e xs l o p ep r o j e c tf o rah y d r a u l i cp o w e rs t a t i o na Sa ne x a m p l e ．B yc o m b i n i n gw i t ht h es t r e s sr e l e a s ea n dt r a n s f e rp r i n c i p l e ， t h ek e yb l o c ks t a b i l i t yt h e o r ya n do t h e rm e t h o d s ，t h ei m p l e m e n t l n gp r o c e s ．sa n dg u i d a n c ea c t i o nw a si n t r o - d u c e df o rt h ec o m p l e xs l o p ee n g i n e e r i n gi nt h ep r o e e ∞o fi t st u n n e le x c a v a t i o na n dr e i n f o r c e m e n t , r e a s o n a b l e e x c a v a t i o ns e q u e n c eo fi t ss l o p ea n dt u n n e la n dr i s kc o n s t r u c t i o no fi t su n s t a b l es l o p e ． K e yw o r d s c o m p l e xs l o p ee n g i n e e r i n g ；i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n g ；s t r e s sr e l e a s ea n dt r a n s f e r 万方数据