振弦式反力计(大跨度层状软岩公路隧道现场监测与分析)

Posted 2023-05-27

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振弦式反力计(大跨度层状软岩公路隧道现场监测与分析)

田敏哲

中铁十一局集团第二工程有限公司

摘要：为了揭示超大跨度隧道在施工过程中的围岩应力和变形演化规律，获取施工全过程支护体系内力、变形等力学性态，从而对稳定性做出评价，本文依托十堰市武十高铁十堰北站至武当山机场公路工程李家院隧道，开展超大跨度公路隧道施工监测，介绍了李家院隧道现场监测项目、手段和方法，通过监测数据分析得到了李家院隧道围岩变形、围岩压力和二衬压力随时间的变化规律。结果表明:隧道拱顶沉降稳定在6mm，洞周收敛稳定在4mm，围岩变形的稳定时间在1个月左右;依托工程存在明显的偏压现象，钢拱架左侧发生局部屈服。

关键词：公路隧道;超大跨度;现场监测;施工控制;

基金：国家重点研发计划(2017YFF0108700);

近年来，随着我国高等级公路的发展，公路隧道建设的规模越来越大。传统的单洞双车道隧道逐渐不能满足人们出行和运输需求了，三车道、四车道隧道成为大运输量公路隧道建设的首选。然而，大跨度和超大跨度公路隧道由于开挖面积大、支护难、工序复杂等原因成为困扰设计方和施工方的难点。目前国内已建成通车大跨度隧道有:京珠国道龙头山隧道全长1010m，最大开挖宽度21.4m，开挖断面积230m2;厦门万石山隧道全长2715m，最大开挖宽度达到26m;此外深圳横龙山隧道、沈大高速韩家岭隧道、贵州凯里大阁山隧道等四车道隧道也已建成通车。

现场监测是保证大跨度公路隧道施工安全有效方法，按照监测反馈信息主要可分为两类:围岩变形监测反馈分析和支护结构受力监测反馈分析。目前，国内外学者针对大跨度软岩公路隧道的现场监测开展了一系列研究。王军等人针对马宅顶不对称联拱隧道新奥法施工过程中开展了现场监测，分析了不对称联拱隧道围岩和支护系统的变形及受力特点。邵珠山等人针对大跨度软岩隧道围岩变形特点，通过现场监测分析了集呼高速公路旗下营隧道在CD法施工下变形响应。于丽对郑万高铁大型机械化隧道围岩压力开展了现场监控量测，得出了断面机械化施工隧道围岩接触压力分布规律。杨果林等通过对岳宁大道何家岭复合式曲中墙连拱隧道的现场监控量测，分析了复合式曲中墙墙身应力及墙底压力的发展与分布规律。卿伟宸等研究了特大跨度四线深埋隧道施工工法，并以乌蒙山隧道为对象，开展了现场监测研究，保证了围岩和支护的施工安全。

为明确超大跨度隧道在施工过程中的围岩应力和变形演化规律，获取施工全过程支护体系内力、变形等力学性态，本文依托武十高铁十堰北站至武当山机场公路工程李家院隧道开展了现场监测分析与研究，监测项目主要包括隧道拱顶沉降、隧道洞周收敛、围岩压力与二衬压力、钢拱架轴力，相关结论可以指导支护结构设计和施工。

1 工程概况

李家院隧道位于十堰市张湾区李家院村，为一座分离式隧道，隧道洞轴线走向方位角由159°至147°变化。左幅隧道起止里程桩号为ZK14+360～ZK14+915，长555m，最大埋深89.1m;右幅隧道起止里程桩号为YK14+360～YK14+918，长558m，最大埋深94.5m。

隧址位于张湾区李家院村，隧道出口处目前为李家院安置区即人工填土场坪区，线位标高与填土场地面标高高差小，交通条件较为便利。

1.1 气象、水文

勘察区属于北亚热带大陆性季风气候，冬季比同纬度其他地区略为温暖，夏季比较炎热。年平均日照时数1655～1958h，无霜期224～255天。平均年降水量800～824 mm以上。夏季平均气温大都高于25℃，其中七月平均为27℃左右，积温较多。受海拔高度、坡向等地形地貌因素影响，隧址区未发现地表水系，主要接受大气降水，水量受季节影响明显，对工程影响较小。隧址区地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水，第四系孔隙水主要赋存于地表残坡积层，水量较小，无统一水位，接受大气降水下渗补给;基岩赋水性差，地下水量总体较贫乏。总之，隧址区水文地质条件相对简单。

1.2 地形地貌和地质构造

拟建隧道处于剥蚀构造丘陵地貌区，穿越山岭。隧道最大埋深94.5m;进洞口位于人工填土场;出洞口位于斜坡上，左幅洞口自然坡角为24°，坡向为174°，右幅洞口自然坡角为40°，坡向为162°。勘察区主要褶皱为武当复背斜，复背斜卷入地层主要为元古界武当群，背斜核部轴向北西，北东翼宽阔，南西翼狭窄，次级褶皱较为紧密，总体呈向东倾伏，往南倒转，岩层以倾向北东为主的复背斜构造。隧址区片理产状较稳定，约为52°∠60°。

2 监测方案

隧道尤其是大断面隧道施工，围岩内部变形和应力状态十分复杂，理论上的设计往往和实际情况偏差较大，因此需要通过现场的监测数据来监控围岩和支护的动态及其稳定与安全，在必要时为调整设计施工方案提供依据。新奥法施工隧道的核心是“少扰动、早锚喷、快封闭、勤量测”，其中明确提到了要重视现场的监控测量，因此在隧道施工尤其是大断面隧道施工过程中现场监测是必不可少的环节。

2.1 监测对象和目的

监控测量与信息反馈是新奥法施工的三要素之一，其目的在于了解围岩的动态过程、稳定情况和支护系统的可靠程度，为支护系统的设计和施工提供服务。监控测量与信息反馈是新奥法施工的三要素之一，其目的在于了解围岩的动态过程、稳定情况和支护系统的可靠程度，为支护系统的设计和施工提供服务。本次监测以国内罕见超大断面公路隧道李家院隧道作为监测重点，科研监测具体工作目的:

(1)掌握围岩应力和变形演化规律，获取施工全过程支护体系内力、变形等力学性态，对其稳定性做出评价，利用量测结果对隧道支护设计进行优化，指导施工;

(2)量测数据经过分析处理与必要的计算和判断后，进行预测和反馈，为施工整循环全过程安全评估提供数据支撑;

(3)了解支护结构的受力状态和应力分布，评价支护结构的合理性和安全性;

(4)监控隧道围岩和支护结构的变形和应力不超过设计标准。

2.2 监测项目和原理

本次监测重点在于揭示隧道施工过程中围岩和支护应力、变形变化发展规律，为设计和施工提供参考，经过研究决定，设置以下监测项目:

(1)围岩与初支间压力;(2)初支与二衬间压力;(3)钢拱架内力;(4)拱顶沉降。

各监测项目所需的监测仪器及设备参考下表:

表1 监测仪器与型号下载原图

(1)围岩与初支压力监测

选取典型断面，在围岩与初支间布设压力盒，5个压力盒分别位于拱顶、拱腰、拱脚处，如图1所示:

图1 围岩与初支间压力盒布置示意图下载原图

围岩与初支间土压力盒的具体布置方案是在压力盒底部用钢筋搭建一个十字架，并焊接牢固，用钢丝将压力盒紧绑至十字架上，然后将其放置在钢拱架上部，与围岩保持紧密接触。

压力盒的工作原理是当围岩挤压盒体时，压力盒的感应板会将感受到应力变化而发生变形，然后将变形传递给振弦，从而导致振弦频率发生变化，通过测量前后频率可以推算出围岩挤压盒体的压力值。假设压力盒初始频率值F0，压力盒受力后频率值为Fi，则测量压力为:

式中，K为仪器标定系数，每个土压力盒的系数略有不同，数值大约在6×10-7～7×10-7;P为测量压力，单位为MPa。

(2)初支与二衬间压力监测

此项监测同样在隧道断面布置5个压力盒，分别位于拱顶、拱腰和拱脚处，见图2:

初支与二衬间土压力盒的具体布置方案是用一小块防水板将压力盒四周封裹在二衬防水板上，只留一根引线出来，待二衬施工完毕后，压力盒自然与二衬接触，这样可以保证压力盒在二衬浇筑的过程中不会脱落。

(3)钢拱架内力监测

钢拱架内力监测采用振弦式应变计实现，通过在钢拱架腹板一侧上下两端布置应变计，记录钢拱架在受轴力和弯矩下的应变，利用简单力学原理可分别测出钢拱架的轴力和弯矩。具体的方案是在隧道断面上同时布置5个测点，分别是隧道拱顶、左、右拱腰和左、右拱脚处，将应变计固定在支架两端，再将支架与钢拱架焊接在一起。

图2 初支与二衬间压力盒布置示意图下载原图

应变计测量钢拱架内力的力学原理简要叙述如下，记钢拱架腹板上端的应变读数为ε1，下端应变计读数为ε2，钢拱架弹性模量E，截面积A，惯性矩常数I,h为腹板高度，则:

其中，F为钢拱架轴力，M为钢拱架所受弯矩。

3 监测结果分析

测点布置完毕后，连续监测7天，整理分析所测数据。

(1)围岩与初支压力

图3为监测7d后，隧道断面上5个测点的围岩压力分布情况。可见，隧道左半部分的压力明显大于右半部分压力，呈明显的非对称分布。左侧拱腰处最大压力值达到93.58kPa，右侧拱腰处压力值仅为23.56kPa。可以推断，此隧道有明显的偏压现象。

图3 围岩与初支间压力分布下载原图

如图4所示，为隧道断面不同位置处围岩与初支间压力变化时程曲线。从图中可发现，拱顶、右拱腰、右拱脚处的围压压力略有波动，但总体保持平稳。左拱腰处围岩压力随着时间增长而变大，从最初的81.71kPa增长至93.58kPa，这主要是由于偏压荷载引起的。随着时间进行，围岩与仰拱处的压力出现了明显的下降，分析原因是随着初期支护的闭合，仰拱的变形得到了有效控制，导致两者的接触压力减小。

图4 不同位置处围岩压力变化时程曲线下载原图

(2)初支与二衬间压力

图5为隧道初支与二衬间接触压力的分布。可知，除了拱顶和左拱腰位置的接触压力随时间略有增加，其余位置的接触压力随时间几乎下降至0。左拱腰处压力增加是因为在隧道左侧有明显的偏压荷载，围岩对隧道的挤压效应随时间增长。其它位置处接触压力下降可以从施工角度分析，二衬施工后，混凝土会有一定的收缩，二者的接触挤压效果减小，因此随着时间的增加，初支与二衬间的接触压力可能会减小甚至为0。

图5 不同位置处初支与二衬间压力分布下载原图

图6为监测7d后隧道5个测点处的初支与二衬间的接触压力分布，其与围岩压力分布曲线相近，都是在隧道左侧出现明显的偏压现象，而隧道右半部分接触压力几乎为零。

图6 不同位置处初支与二衬间压力变化时程曲线下载原图

(3)钢拱架内力

图7、图8为钢拱架监测7d后的轴力分布与弯矩分布，从图中可以看到，隧道左半部分的轴力和弯矩值要明显大于隧道右半部分，其中隧道左拱腰处轴力和弯矩值分别为738.67kN和60.72kN·m。

图7 钢拱架轴力分布下载原图

图8 钢拱架弯矩分布下载原图

以左拱腰处验算钢拱架强度，按照材料力学压弯构件计算公式:

式中:F为钢拱架轴力，N;M为钢拱架弯矩，N·m;h为工字钢高度，m;σ为钢拱架所受最大应力，MPa;I为截面惯性矩，m4。

以F=738.67k N、M=60.72k N·m代入上式，得σ=303.38MPa，明显大于Q235钢的屈服强度，但小于其极限抗压强度，钢拱架出现部分屈曲，但不会影响其正常承载。

(4)拱顶沉降与周边收敛监测

对李家院隧道左洞ZK15+884断面开展持续监测，有关监测结果整理如图9、图10所示。

图9 李家院隧道ZK15+884断面拱顶沉降下载原图

图9为隧道拱顶沉降随时间的发展规律，从开始监测之日起至第5日，拱顶的沉降变形持续增长至3.61mm，之后存在一定的波动起伏，但从第10日开始，拱顶沉降增长速度加快，大约在第16日达到峰值8.15mm。从第16日到第30日，隧道拱顶沉降是在波动中减小的，大约从第32日以后，沉降值基本稳定在6mm左右。

图1 0 李家院隧道ZK15+884断面周边收敛下载原图

图10为ZK15+884断面的周边收敛随时间变化曲线，从图中可发现，监测起始日至第4日，隧道周边收敛值几乎为零，从第4日至第8日，隧道周边收敛值快速增长至5.1mm，此后有下降趋势，到第15日跌至2.41mm。从第15日开始，隧道周边收敛值又开始增长，此后一直在4mm附近波动，从监测第60日开始，收敛值稳定在4.04mm，此后基本不变。

分析导致图9、图10变化规律的原因，可能是由于隧道开挖爆破振动、初期支护中台阶、下台阶、仰拱多次落底导致变形有较大波动，随着支护结构仰拱的闭合成环和掌子面向前推进，前方断面的开挖和支护对监测断面的影响逐渐降低，因此后期无论是拱顶沉降还是周边收敛均趋于稳定。

4 结语

(1)现场监测结果显示隧道拱顶沉降值稳定在6mm，收敛值稳定在4mm，一个月后变形速率基本为0，依据大断面隧道稳定性控制标准，远远小于拱顶下降极限值54mm和极限洞周收敛量15mm，因此可以判定李家院隧道施工过程围岩在变形上是稳定的。

(2)现场监测结果表明该隧道存在偏压现象，隧道左侧所受荷载大于右侧所受荷载，钢拱架左侧可能发生局部屈服，但小于其极限强度，建议增加隧道左侧锚杆数量，更换强度更高的工字钢。

参考文献

[1] 张顶立，王梦恕，高军，等．复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究．岩石力学与工程学报，2003(02):290-296.

[2] 侯福金．超大跨度水平层状围岩隧道变形机理与稳定性控制．山东大学，2019.

[3] 郭军．大跨扁平公路隧道稳定性位移控制基准研究．公路交通技术，2015(6):73-78.

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