趙學(xué)新

隨著我國交通建設(shè)的快速發(fā)展,公路隧道工程數(shù)量的不斷增加,隧道施工遇到的不良地質(zhì)問題越來越多?，F(xiàn)場施工監(jiān)測是在隧道施工過程中,對圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,為噴錨支護(hù)和二次襯砌的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù),把量測的數(shù)據(jù)經(jīng)整理和分析得到信息及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)和施工中,進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工方案,以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、快速施工的目的。本文結(jié)合隧道施工監(jiān)測實(shí)例,對隧道施工監(jiān)測的內(nèi)容、實(shí)施方法及監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行相應(yīng)地闡述和研究。

1 工程概述

該隧道襯砌采用三心圓曲墻復(fù)合式結(jié)構(gòu),最大開挖跨度12.86 m,高度10.482 m。本次計(jì)算時(shí)取一特征斷面為計(jì)算位置,該斷面位于Ⅳ級圍巖段,工程地質(zhì)特征為弱風(fēng)化～新鮮泥巖,砂巖,呈互層狀,泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu),成巖作用差,巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rb=0.39 MPa～1.76 MPa,屬極軟巖。巖體呈大塊壓密結(jié)構(gòu),局部為塊石碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu),縱波速 Vp＞1 800 m/s,穩(wěn)定性尚可,局部會(huì)有坍塌,該類圍巖不含地下水,受大氣降水及地表黃土層孔隙水影響,局部有滲水、滴水現(xiàn)象。隧道采用復(fù)合式襯砌支護(hù),具體參數(shù)見表1[2]。

表1 復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)表

2 現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容

2.1 現(xiàn)場量測內(nèi)容及方法[3]

1)圍巖與初期支護(hù)接觸壓力量測。圍巖與初期支護(hù)接觸壓力量測是為了了解初期支護(hù)對圍巖的支護(hù)效果和初期支護(hù)的實(shí)際受荷情況。采用鋼弦式雙膜土壓力傳感器進(jìn)行直接測試。2)鋼支撐內(nèi)力量測。鋼支撐內(nèi)力量測是為了了解鋼支撐與初期支護(hù)對圍巖的組合支護(hù)效果并判明初期支護(hù)的安全性。采用鋼弦式鋼筋測力計(jì)進(jìn)行間接測試鋼支撐上下緣應(yīng)變,最后換算鋼支撐的實(shí)際內(nèi)力。

2.2 現(xiàn)場量測測點(diǎn)布置及量測儀器

1)圍巖與初期支護(hù)接觸壓力量測[6]。測點(diǎn)布置:拱頂1個(gè)、兩側(cè)邊墻左右各1個(gè)(水平向上偏10°)、兩側(cè)拱腳各 1個(gè)(水平向下偏30°)、兩側(cè)拱腰各 1個(gè)(水平向上偏45°),共 7個(gè)測點(diǎn);采用XYJ-4型雙膜壓力盒量測接觸壓力。2)鋼支撐內(nèi)力量測。測點(diǎn)布置:拱頂1個(gè)截面、兩側(cè)邊墻各 1個(gè)截面(水平向上偏 10°)、兩側(cè)拱腳各1個(gè)截面(水平向下偏30°),共 5個(gè)測點(diǎn);采用鋼弦式鋼筋測力計(jì)量測鋼支撐內(nèi)力。

2.3 現(xiàn)場量測結(jié)果

本次檢測分別測量了特征斷面初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力及初期支護(hù)型鋼內(nèi)力,如表2,表 3所示。

表2 隧道特征斷面圍巖接觸壓力極值表

表3 隧道特征斷面拱架內(nèi)力極值表

3 計(jì)算原理

進(jìn)行理論分析時(shí),本文對拱圈強(qiáng)度驗(yàn)算采用第一強(qiáng)度理論和第二強(qiáng)度理論來分別進(jìn)行。在驗(yàn)算混凝土的抗壓強(qiáng)度時(shí),采用第一強(qiáng)度理論,該理論認(rèn)為只有當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到混凝土抗壓的強(qiáng)度極限σb時(shí)就發(fā)生斷裂,其斷裂準(zhǔn)則為:σ1=σb。按第一強(qiáng)度理論驗(yàn)算的強(qiáng)度條件是[4]:

在驗(yàn)算混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),采用第二強(qiáng)度理論,該理論認(rèn)為最大伸長線應(yīng)變是引起斷裂的主要因素,即認(rèn)為無論什么應(yīng)力狀態(tài),只有最大伸長線應(yīng)變?chǔ)?達(dá)到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值,材料即發(fā)生斷裂。其斷裂準(zhǔn)則為:ε1=σb/E。于是按第二強(qiáng)度理論驗(yàn)算的強(qiáng)度條件為[4]:

進(jìn)行計(jì)算模擬時(shí)將襯砌視為鋼筋與混凝土組成的復(fù)合材料,考慮其在荷載作用下產(chǎn)生共同的變形,故采用下面公式[5]:

其中,Ec為復(fù)合材料彈性模量;Ep,Es分別為鋼筋和混凝土的彈性模量;m為置換率。

4 數(shù)值模擬計(jì)算分析

進(jìn)行數(shù)值模擬前,本文先對現(xiàn)場測量特征斷面初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力及初期支護(hù)型鋼內(nèi)力的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)修正。由于該處同時(shí)采用了XYJ-4型雙膜壓力盒量測接觸壓力和鋼弦式鋼筋測力計(jì)量測鋼支撐內(nèi)力,本文將以鋼弦式鋼筋測力計(jì)量測鋼支撐內(nèi)力的結(jié)果為依據(jù)通過反演計(jì)算來修正圍巖的接觸壓力,然后再按載荷結(jié)構(gòu)法計(jì)算分析隧道襯砌在此圍巖的接觸壓力作用下是否滿足結(jié)構(gòu)安全的要求。

對圍巖的接觸壓力進(jìn)行修正時(shí),將襯砌內(nèi)計(jì)算所得的應(yīng)力,按照復(fù)合材料理論分別換算為混凝土與鋼拱架上的壓力,最終得到修正值。

采用載荷結(jié)構(gòu)法對隧道襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算,具體參數(shù)的選取為:一襯在拱架由Ⅰ18號工字鋼構(gòu)成,在非拱架處內(nèi)部為φ 6@20×20鋼筋網(wǎng),混凝土強(qiáng)度為C20,拱圈厚 24 cm;二襯拱架由4根 Φ 18的螺紋鋼構(gòu)成,混凝土強(qiáng)度為C25,拱圈厚45 cm。襯砌模型中為簡化模型統(tǒng)一按復(fù)合材料參數(shù)計(jì)入,襯砌的參數(shù)設(shè)彈性模量 E=2.55e10 Pa、泊松比 υ=0.20、密度 ρ=2 500 kg/m3,進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)采用平面四節(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元,其有限元計(jì)算示意圖如圖1所示。

通過建立有限元模型對襯砌進(jìn)行計(jì)算,為了分析的方便,此處在拱圈上取了五個(gè)特征位置,它們分別為:拱頂;左右拱腰(水平向上偏 45°);左右拱腳(水平向下偏 30°)。通過數(shù)值模擬得到初砌拉壓應(yīng)力特征位置處的極值的計(jì)算結(jié)果。

由計(jì)算結(jié)果可知,襯砌在拱頂、左右拱腰及左右拱腳處混凝土的拉、壓應(yīng)力均小于其容許強(qiáng)度,故襯砌滿足強(qiáng)度條件。

5 結(jié)語

利用現(xiàn)場檢測結(jié)果及有限元程序?qū)λ淼缽?qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算,得出以下結(jié)論:

1)計(jì)算模擬時(shí)將襯砌視為復(fù)合材料,在荷載作用下一襯與二襯將產(chǎn)生共同的變形,由此計(jì)算得出襯砌在拱頂、左右拱腰及左右拱腳這些特征位置處混凝土的拉、壓應(yīng)力均小于其容許強(qiáng)度,故該隧道的襯砌滿足強(qiáng)度條件。2)由計(jì)算結(jié)果可以看出在襯砌左右拱腰內(nèi)側(cè)混凝土的拉應(yīng)力值接近混凝土的容許拉應(yīng)力,為了安全起見,建議對襯砌拱腳內(nèi)側(cè)進(jìn)行抗拉加固,并進(jìn)行變形及應(yīng)力監(jiān)測。3)為類似的工程提供參考。

[1] JTG B01-2003,公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] JTG 70-2004,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] JTJ 071-98,公路工程檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] 范欽珊,殷雅俊.材料力學(xué)[M].北京:清華大學(xué),2003.

[5] 束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[6] 丁曉紅.土質(zhì)隧道施工監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析[J].黑龍江交通科技,2009,32(4):24-27.

[7] 鄒正明.隧道施工質(zhì)量檢測與監(jiān)控量測綜合管理[J].公路,2006(10):12-14.

[8] 王國梁.高速公路隧道施工監(jiān)控量測[J].山西建筑,2009,35(31):320-321.