CN113389598B - 高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法及快速测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法及快速测量装置，所述方法包括：1)偏压条件分析，对于受到偏压土体的滑移侧隧道洞口处堆积反压挡土坡；2)埋设快速测量装置用于测量反压挡土坡的变形数据；3)设计预期钢管桩支挡线路；4)对反压挡土坡及钢管桩进行位移观测；5)根据观测结果计算边坡下土的固结度，确定预压时间，形成稳定支护。本发明解决了急倾斜土质边坡隧道偏压问题，在浅埋侧设置反压边坡对于隧道偏压作用有分散作用，且对浅埋侧土体有反向压力作用，操作简单，便于后期维护且支护效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及高陡边坡的变形监测技术领域，具体地指一种高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法及快速测量装置。
技术背景
由于与地形地貌、地质关系等客观原因会导致隧道开挖过程中围岩压力出现明显的不均匀性，在偏压荷载作用下对隧道支护和施工产生不利影响。当隧道边坡设计与实际施工情况存在出入时，均应按照“动态设计、动态施工”的原则，做出合理调整。为解决此类问题，目前场常使用的支护手段有地表注浆法、削坡排水法、采取减压或反压措施，支挡措施可采用抗滑挡墙、抗滑桩、预应力锚索、钢管桩、锚索桩、格构锚固等支挡构造物。
当边坡高度大于20m时，需进行位移观测，一般每间距200m设一处观测标，每一段内不得少于1处，边桩可采用打入埋设或开挖埋设，桩周上部0.3m用混凝土灌注固定，边桩埋置深度在地表以下不小于1.0m，桩顶露出地面不应大于10cm。并在桩顶预埋Φ20mm钢筋，顶部磨圆并刻画十字线。完成埋设后采用全站仪测量边桩标高及距基桩的距离作为初始读数。边坡位移监测是依靠精密的监测仪器和适宜的技术手段对路堤填筑过程中的水平位移进行周密监测，判断填筑土体的压缩固结规律、边坡的变形滑动范围及发展趋势，评价边坡工后沉降及边坡稳定趋势、实现边坡的动态设计与施工的重要手段。在应用与实际工程中时，对于急倾斜高陡土质边坡，以上支护方法仍未能有效解决隧道偏压问题，且由于施工现场混乱，常有位移观测桩被破坏或被晃动的情况，给测量带来很大误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提出一种高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法及快速测量装置，能够有效的提高高陡边坡的变形监测准确性，预防滑坡及偏压引起的隧道塌方，且具有高效性、降低成本。
为实现上述目的，本发明所设计的高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法及快速测量装置，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：
1)根据隧道开挖过程中洞顶地形横向坡度与隧道埋深进行产生偏压条件分析，对于受到偏压土体的滑移侧隧道洞口处堆积反压挡土坡；
2)在主体边坡的间隔阶边坡上钻孔，埋设快速测量装置用于测量反压挡土坡的变形数据；
3)根据隧道线路以左洞进口为起点，右洞出口为终点，设计预期钢管桩支挡线路；
4)对反压挡土坡的间隔阶设置位移观测测点，对所述钢管桩桩顶安装快速测量装置，对反压挡土坡及钢管桩进行位移观测；
5)根据观测结果计算边坡下土的固结度，确定预压时间，形成稳定支护。
优选地，所述步骤3)中预期钢管桩支挡线路的设置方法为：在左右洞中间以上部分的土坡沿预期线路间隔均匀水平布置、倾斜打入钢管桩，钢管桩桩身带有均匀注浆孔，对钢管桩周围及底部土体进行注浆。
优选地，所述钢管桩打入深度不超过围岩锚杆最大深度，与隧洞围岩锚杆支护相错开，路径沿隧道轴线方向，管口高出坡面0.5～2米。
优选地，所述步骤1)中反压挡土坡坡顶高度高于隧道拱顶且坡面为阶梯型。
优选地，所述步骤4)中在隧道外无扰动处浇筑混凝土桩，桩顶预埋钢筋，所述钢筋顶部磨圆刻十字丝作为测量后视点，测量人员在后视点处使用GPS放样，记录后视点绝对坐标。
优选地，所述步骤5)在位移观测完成后，根据位移观测数据绘制地面位移曲线图：荷载—时间—水平位移过程线，用沉降时间的变化曲线计算最终沉降量以及边坡下土的固结度，确定预压时间，待单位时间内的沉降降到允许范围内时继续开挖，形成稳定支护。
优选地，所述钢管桩倾斜角度为65°～75°。
本发明还提出一种快速测量装置，用于实现上述高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法，其特征在于：所述装置包括支撑钢管，所述支撑钢管的顶部设置有支座铁球，所述支座铁球通过底部焊接的连接链条与定位铁球固定连接，所述支座铁球的顶部焊接支座，所述支座上设置有棱镜，所述定位铁球位于支撑钢管的内腔中，所述支座铁球搁置于支撑钢管顶部，所述支撑钢管随边坡变形发生位移时，所述定位铁球受重力影响保持垂直于地面，所述支座铁球在连接链条的带动下沿支撑钢管内腔边缘滑动，从而带动支座和棱镜产生角度变化。
进一步地，所述定位铁球的质量不小于500g。
更进一步地，所述棱镜中心位置设置有用于全站仪采集坐标的标记。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)本发明解决了急倾斜土质边坡隧道偏压问题，在浅埋侧设置反压边坡对于隧道偏压作用有分散作用，且对浅埋侧土体有反向压力作用，操作简单，便于后期维护且支护效果显著。
2)本发明进一步解决了小净距隧道偏压问题，在左右线中间上部土体内打入钢管桩，且通过钢管桩桩身注浆孔向土体内部注浆，使土体与浆液形成注浆结合体，在左右洞中间形成混凝土挡土墙，减小上部土体的偏压作用，边坡内部稳定性提高。
3)本发明针对于土质边坡结构疏松，凝聚力低，透水性大的问题，测点设置于斜坡，采用长钢管打入土层，测点位置变化主要受土体内部变形滑移的影响，地面扰动作用、施工活动影响小，可确保测点的稳定性，避免简易观测墩受表层土涨缩变形的影响。避免在使用以往的观测方法时，地表观测墩十字丝与棱镜对中产生的误差，一定程度上加快对中及观测速度，提高工作效率。该快速测量装置通过上部球体实现对中和测量，设备加工简单，费用低廉，减少了以往测量方法中测点破坏重装造成的不必要的浪费，该装置材料为不锈钢，可保证上部球体及钢管不被锈蚀，接触面光滑，可持续回收利用。
4)本发明将钢管位置固定，有效解决了雨雪天气及高陡边坡对测量人员爬坡造成的困难，测量人员无需携带支架爬坡，对于仪器和人员的安全都得到一定程度的改善。
附图说明
图1为本发明的隧道偏压情况及钢管桩正面示意图；
图2为本发明钢管桩压入坡内路线示意图；
图3为本发明观测装置示意图；
图4为本发明注浆钢管桩示意图；
图5为反压挡土坡示意图。
图中：1-棱镜、2-支座、3-支座铁球、4-连接链条、5-定位铁球、6-钢管、7-观测装置、8-注浆孔、9-钢管桩、10-钢管桩桩顶、11-原山体边坡、12-反压挡土坡、13-观测点1、14-观测点2、15-钢管桩桩底、16-钢管桩桩顶路径、17-钢管桩桩底路径。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明所提出的高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法，包括如下步骤：
1)根据隧道开挖过程中洞顶地形横向坡度与隧道埋深进行产生偏压条件分析，对于受到偏压土体的滑移侧隧道洞口处堆积反压挡土坡；
2)在主体边坡的间隔阶边坡上钻孔，埋设快速测量装置用于测量反压挡土坡的变形数据；
3)根据隧道线路以左洞进口为起点，右洞出口为终点，设计预期钢管桩支挡线路；
4)对反压挡土坡的间隔阶设置位移观测测点，对钢管桩桩顶10安装快速测量装置，对反压挡土坡及钢管桩9进行位移观测；
5)根据观测结果计算边坡下土的固结度，确定预压时间，形成稳定支护。
如图3所示，上述步骤2)和步骤4)中使用的快速测量装置包括支撑钢管6，支撑钢管6的顶部设置有支座铁球3，支座铁球3通过底部焊接的连接链条4与定位铁球5固定连接，支座铁球3的顶部焊接支座2，支座上设置有棱镜1，定位铁球5位于支撑钢管6的内腔中，支座铁球3搁置于支撑钢管6顶部，支撑钢管6随边坡变形发生位移时，定位铁球5受重力影响保持垂直于地面，质量为500～600g，根据不倒翁原理，在受到外力作用时就要失去平衡，而当物体稳定后能够自行恢复到平衡状态的能力。支座铁球3在连接链条4的带动下沿支撑钢管6内腔边缘滑动，从而带动支座2和棱镜1产生角度变化。
实施例1：
某隧道工程为山体开挖后形成的分离式越岭短隧道，隧道总体走向约310米，进出口均为端墙式，多覆盖第四系残坡积层，右洞为深埋测，左洞为浅埋侧。隧道穿越的山脊南高北低(如图1所示)，根据洞顶地形横向坡度与隧道埋深判断产生偏压条件分析，隧道存在偏压现象；右洞开挖进尺8米后进行左洞开挖时塌方，洞内回填稳定后重新开挖，开挖后洞内监测数据变幅较大，洞口边坡偏压作用较明显。为此，根据隧道设计图纸，将钢管桩倾斜压入坡内(如图1所示)，预先设计钢管桩9预期线路，线路起点为左洞进口，终点为右洞出口，钢管桩桩顶10及桩底路径如图2所示。桩顶以隧道左右洞中线左侧两米为起点，在上部土体沿线路每间隔5米均匀打入注浆钢管桩9，全长共62根，桩身与地面夹角为75°，桩身带有注浆口8，压桩7天后进行注浆，使周围土体、钢管桩连接为整体，钢管桩施工随洞口开挖同步进行。
在左洞洞口一侧做反压挡土坡12作缓冲，挡土坡为四阶边坡，采用锚杆(锚索)格梁护体、挂网喷播护面，为减小隧道偏压变形，在第二阶及第四阶边坡坡面埋设钢管6，管口伸出地面约1米处设置快速测量装置，将此装置作为一个边坡位移观测桩。在边坡主体上第四阶设置观测点1及第二阶设置观测点2，设计监测方案，对挡土坡进行边坡位移观测。当右洞上部土体发生滑移时，挡土坡对隧道上部土体的反压作用推力使得上部土体滑移量减小，当坡面测点变幅稳定时，说明偏压情况得到改善。同时，在钢管桩管口处放置本发明中提到的快速测量装置，在监测反压挡土坡12的同时对钢管桩变形情况进行观测。
在埋设的沉降点处每个断面埋设2个监测点，分别在每阶边坡中心。反压边坡堆砌完成后，水平位移观测频率与测定时间和沉降监测同步。水平位移的观测采用单三角前方交会法观测。观测精度小于1mm，所有位移观测完成后，根据位移资料绘制成果曲线图：地面位移：荷载—时间—水平位移过程线。根据监测成果数据，用沉降时间的变化曲线可以估算最终沉降量，从而推求边坡下土的固结度，确定预压时间，待单位时间内的沉降降到允许范围内时才可以继续开挖，这样可使隧道稳定、边坡工后沉降满足设计要求。监测与支护手段并行，从而加强了边坡的整体稳定性。
实施例2：
某急倾斜边坡下穿并行小净距隧道施工时发生偏压现象，现在偏压一侧洞口处堆四阶反压挡土坡作为支挡，在坡面第二阶、第四阶处设置快速测量装置，如图4所示，作为位移观测测点。当右洞上部土体发生向左侧土体滑移，反压挡土坡受沿坡面向下的力，坡面上钢管6随土体发生偏移，引起上部支座铁球3随钢管6的位置变动，而下部定位铁球5由于重力作用带动上部支座铁球始终保持于竖直状态，从而上部棱镜中心点坐标只因坡面滑动引起，避免了棱镜相对于钢管口的转动而引起的测量误差。在隧道外受扰动较小处浇筑混凝土桩，桩顶预埋Φ20钢筋，顶部磨圆刻十字丝作为测量后视点，测量人员需在后视点处使用GPS放样并记录放样后得到的后视点绝对坐标(x0,y0,z0)。为了观测反压挡土坡对隧道偏压情况的治理情况，在挡土坡的第二、第四阶处埋设钢管，如图5所示，将本发明所述的位移观测装置置于钢管口处，以棱镜中心作为后续观测中心。以7次/周的频率对挡土坡进行位移观测，每次观测时，观测人员需在坡角处架站，使用TC1800全站仪对准位移观测桩棱镜中心测得位移观测桩的绝对坐标(x1,y1,z1)并记录。
记前一天坐标为(x1,y1,z1)，后一天坐标为(x2,y2,z2)，通过z坐标位移变化Δz＝z2-z1，可以得到观测点每次测量的沉降变化值。每次测量后，根据坐标计算累计变形量(观测坐标-初始坐标)及单日变化幅值(后一天观测坐标-前一天观测坐标)。在进行反压挡土坡支护后，隧道偏压情况得到明显改善，位移及沉降变化幅值均在安全范围内变动。
最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)根据隧道开挖过程中洞顶地形横向坡度与隧道埋深进行产生偏压条件分析，对于受到偏压土体的滑移侧隧道洞口处堆积反压挡土坡；
2)在主体边坡的间隔阶边坡上钻孔，埋设快速测量装置用于测量反压挡土坡的变形数据；
3)根据隧道线路以左洞进口为起点，右洞出口为终点，设计预期钢管桩支挡线路；
4)对反压挡土坡的间隔阶设置位移观测点，对所述钢管桩桩顶安装快速测量装置，对反压挡土坡及钢管桩进行位移观测；
5)根据观测结果计算边坡下土的固结度，确定预压时间，形成稳定支护；
所述快速测量装置包括支撑钢管(6)，所述支撑钢管(6)的顶部设置有支座铁球(3)，所述支座铁球(3)通过底部焊接的连接链条(4)与定位铁球(5)固定连接，所述支座铁球(3)的顶部焊接支座(2)，所述支座上设置有棱镜(1)，所述定位铁球(5)位于支撑钢管(6)的内腔中，所述支座铁球(3)搁置于支撑钢管(6)顶部，所述支撑钢管(6)随边坡变形发生位移时，所述定位铁球(5)受重力影响保持垂直于地面，所述支座铁球(3)在连接链条(4)的带动下沿支撑钢管(6)内腔边缘滑动，从而带动支座(2)和棱镜(1)产生角度变化。
2.根据权利要求1所述的高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法，其特征在于：所述步骤3)中预期钢管桩支挡线路的设置方法为：在左右洞中间以上部分的土坡沿预期线路间隔均匀水平布置、倾斜打入钢管桩，钢管桩桩身带有均匀注浆孔，对钢管桩周围及底部土体进行注浆。
3.根据权利要求2所述的高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法，其特征在于：所述钢管桩打入深度不超过围岩锚杆最大深度，与隧洞围岩锚杆支护相错开，路径沿隧道轴线方向，管口高出坡面0.5～2米。
4.根据权利要求1所述的高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法，其特征在于：所述步骤1)中反压挡土坡坡顶高度高于隧道拱顶且坡面为阶梯型。
5.根据权利要求1所述的高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法，其特征在于：所述步骤4)中在隧道外无扰动处浇筑混凝土桩，桩顶预埋钢筋，所述钢筋顶部磨圆刻十字丝作为测量后视点，测量人员在后视点处使用GPS放样，记录后视点绝对坐标。
6.根据权利要求1所述的高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法，其特征在于：所述步骤5)在位移观测完成后，根据位移观测数据绘制地面位移曲线图：荷载—时间—水平位移过程线，用沉降时间的变化曲线计算最终沉降量以及边坡下土的固结度，确定预压时间，待单位时间内的沉降降到允许范围内时继续开挖，形成稳定支护。
7.根据权利要求2所述的高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法，其特征在于：所述钢管桩倾斜角度为65°～75°。
8.一种快速测量装置，其特征在于：所述装置用于实现根据权利要求1～7中任一项所述的高陡土质边坡下穿并行隧道偏压治理方法。
9.根据权利要求8所述的快速测量装置，其特征在于：所述定位铁球(5)的质量不小于500g。
10.根据权利要求8所述的快速测量装置，其特征在于：所述棱镜(1)中心位置设置有用于全站仪采集坐标的标记。
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