晏 莉， 張 震， 陽(yáng)軍生

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.湖南省高速公路管理局，湖南 長(zhǎng)沙 410003； 3.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

下穿高壓輸電塔大跨度隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中傳感器的應(yīng)用*

晏 莉1， 張 震2， 陽(yáng)軍生3

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.湖南省高速公路管理局，湖南 長(zhǎng)沙 410003； 3.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

為了保證上覆高壓輸電塔的安全正常運(yùn)行，必須要掌握下穿隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。結(jié)合李家沖隧道下穿500kV高壓輸電塔實(shí)體工程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，介紹了相關(guān)監(jiān)測(cè)方案及其監(jiān)測(cè)結(jié)果。結(jié)果顯示：隧道施工過(guò)程中，圍巖變形趨于穩(wěn)定，鋼拱架和二襯內(nèi)力的安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，說(shuō)明隧道施工方案合理，工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，所用傳感器有效完成相關(guān)監(jiān)測(cè)任務(wù)。

傳感器； 大跨度隧道； 高壓輸電塔； 監(jiān)測(cè)

0 引 言

高壓輸電塔在電力傳輸過(guò)程中占有至關(guān)重要的地位，其安全可靠性直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。目前，隨著我國(guó)高速鐵路和高速公路的大量建設(shè)，許多隧道工程建設(shè)遇到了高壓輸電塔位于隧道上方的情況[1～3]。在這種情況下，如何減少隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)，從而保證隧道上方高壓輸電塔的正常安全運(yùn)行，顯得尤為重要。

京珠復(fù)線長(zhǎng)湘高速公路李家沖隧道為大跨度雙向六車道分離式隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，隧道開挖最大跨度為18.03 m，高度為12.31 m。隧道全線均為淺埋，最大埋深39 m。左右測(cè)線最小間距為28.9 m，屬于小間距隧道。隧道圍巖為Ⅴ級(jí)。隧道所處地貌屬于剝蝕性丘陵地貌，山體形態(tài)不規(guī)則，其山脈走向北西向，洞身橫穿山體鞍部，溝谷發(fā)育，地形切割強(qiáng)烈，起伏變化較大。

隧道經(jīng)過(guò)區(qū)域有一座500 kV高壓輸電線鐵塔，總塔高57 m，處于李家沖隧道右洞K147+103～K147+118里程段、左洞ZK147+102～ZK147+117里程段附近。塔基底部距離隧道左線和右線的最小水平距離分別為1.33 m和7.19 m，隧道拱頂距離塔基底部的凈距為15.5 m。該高壓線路擔(dān)任了長(zhǎng)沙至湘潭的輸電任務(wù)，其作用十分重要。隧道施工過(guò)程中，不能影響該輸電塔的正常使用，必須保證電力線路的正常運(yùn)營(yíng)。而大跨度隧道，由于開挖面積大、跨度大、扁平率低，施工工序復(fù)雜，對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)多[4～6]，更難以保證施工中圍巖的穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài)合理。

綜上，本文提出了在李家沖隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)和鐵塔上均布置測(cè)試元件，從而有效地觀測(cè)到隧道在施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和鐵塔基礎(chǔ)位移變化情況，保障了施工的順利進(jìn)行。

1 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：隧道洞內(nèi)周邊收斂和拱頂下沉量測(cè)、鋼拱架及二襯內(nèi)力量測(cè)等。同時(shí)，為了保障隧道施工過(guò)程中鐵塔的安全穩(wěn)定，對(duì)鐵塔的內(nèi)力和位移均進(jìn)行了專項(xiàng)監(jiān)測(cè)。由于篇幅有限，在此僅重點(diǎn)介紹隧道內(nèi)洞周位移和鋼拱架及二次襯砌的內(nèi)力量測(cè)情況。

1)洞周位移量測(cè)

根據(jù)李家沖隧道三臺(tái)階法開挖實(shí)際情況，洞口附近和埋深小于2B(B表示隧道開挖寬度)地段，每10 m布置一個(gè)斷面，施工進(jìn)展200 m前，每20 m布置一個(gè)斷面，施工進(jìn)展200 m后，每30 m布置一個(gè)斷面。隧道拱頂下沉和圍巖周邊收斂斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖1。隧道左洞和右洞內(nèi)周邊收斂和拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置樁號(hào)和量測(cè)頻度均相同。

圖1 周邊收斂與拱頂下沉量測(cè)斷面布置圖

2)鋼拱架內(nèi)力量測(cè)

根據(jù)隧道穿越鐵塔斷面實(shí)際施工情況，右洞選取K147+110斷面，左洞選取ZK147+107和ZK147+115斷面進(jìn)行鋼支撐內(nèi)力量測(cè)。

圖2所示為在K147+110斷面埋設(shè)的應(yīng)變計(jì)編號(hào)及其位置。隧道開挖并支立拱架后，分別于鋼支撐上臺(tái)階拱頂、拱腰、拱腳、中臺(tái)階拱腳、下臺(tái)階拱腳部位焊接應(yīng)變計(jì)。

圖2 鋼拱架應(yīng)變計(jì)布置示意圖

在斷面每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)部位對(duì)稱布置2只應(yīng)變計(jì)，分別焊接在工字鋼上下翼緣內(nèi)側(cè)，并布置好測(cè)線，待噴射混凝土施工后讀取初值，然后按照一定的監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行量測(cè)讀數(shù)。

3)二襯內(nèi)力量測(cè)

選取左洞ZK147+107斷面埋設(shè)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行二次襯砌應(yīng)力量測(cè)，應(yīng)變計(jì)編號(hào)和對(duì)應(yīng)位置如圖3所示，選取布置JMZX—215型智能弦式應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變計(jì)的埋設(shè)方法和鋼拱架中的表貼式應(yīng)變計(jì)類似，其分別捆綁在二襯的上下側(cè)鋼筋上。待二次襯砌澆筑并達(dá)到初凝強(qiáng)度后測(cè)讀初值，然后按一定頻率進(jìn)行量測(cè)讀數(shù)。

圖3 二襯應(yīng)變計(jì)布置示意圖

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 洞周位移

由于洞周位移量測(cè)斷面布置較多，在此僅介紹正好位于鐵塔下方的右洞K147+110和左洞ZK147+110里程的量測(cè)結(jié)果。

表1和表2所示分別為K147+110和ZK147+110 斷面處的洞內(nèi)拱頂沉降和洞周收斂的量測(cè)結(jié)果。從表中可以看出：隨著隧道不同開挖工序的進(jìn)行，隧道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)反映出不同的位移變形量，尤其以上臺(tái)階開挖對(duì)洞周的位移影響最大，其次為中下臺(tái)階開挖，最小的為封閉仰拱施工。與其他量測(cè)斷面的量測(cè)結(jié)果相比較可知，此斷面的拱頂沉降和周邊收斂值均偏大。這說(shuō)明上方鐵塔的存在在一定程度上增加了隧道開挖后的圍巖壓力，產(chǎn)生了較大的圍巖位移。但是，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，只要隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施做及時(shí)，保證各工序的合理銜接，在仰拱封閉后，結(jié)構(gòu)成環(huán)受力，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。

表1 各測(cè)點(diǎn)洞內(nèi)拱頂沉降值

表2 各測(cè)點(diǎn)周邊收斂值

2.2 鋼拱架內(nèi)力

圖4所示為K147+110斷面鋼拱架各截面內(nèi)力分布圖。由圖4(a)可知，總體上各截面軸力基本上以受壓為主，且隨開挖的逐步進(jìn)行不斷增大。在隧道各臺(tái)階施工期，鋼拱架各截面的軸力值變化明顯增大；在下臺(tái)階開挖支護(hù)后，各截面軸力值變化速率減?。凰淼姥龉胺忾]成環(huán)后，各截面軸力值基本趨于穩(wěn)定。拱頂處軸力的增大速率明顯大于其它位置受力變化。從最終鋼拱架受力穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)看，上臺(tái)階拱頂及兩側(cè)拱腰受力較大，最大軸力出現(xiàn)在拱頂位置，其值為-300.04 kN，而軸力最小的位置出現(xiàn)在下臺(tái)階位置。從圖4(b)鋼拱架彎矩分布圖上可看出：在監(jiān)測(cè)期間上臺(tái)階各截面彎矩值基本上為正，而其它截面則為負(fù)。在隧道施工期間，拱頂A截面與上臺(tái)階左側(cè)拱腰F截面的彎矩值變化最明顯。彎矩受拉最大值出現(xiàn)在上臺(tái)階左側(cè)拱腰位置，其值為9.56 kN·m，彎矩受壓最大值出現(xiàn)在左側(cè)中臺(tái)階位置，其值為-2.07 kN·m。

圖4 K147+110斷面鋼拱架內(nèi)力分布圖

根據(jù)內(nèi)力量測(cè)結(jié)果，計(jì)算可得K147+110斷面鋼拱架各節(jié)點(diǎn)的安全系數(shù)如表3所示。由表可知，各節(jié)點(diǎn)中最小的安全系數(shù)為2.46，出現(xiàn)在右側(cè)中臺(tái)階D截面，該值大于JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的限值2.0[7]，結(jié)果表明:鋼拱架處于安全狀態(tài)。

2.3 二次襯砌內(nèi)力

圖5所示為ZK147+107斷面二襯內(nèi)力的量測(cè)結(jié)果圖。由圖5(a)軸力分布圖可知，斷面除了仰拱拱腳周圍處于受拉狀態(tài)以外，其他部位均處于受壓狀態(tài)。該斷面二襯的最大受壓軸力為-1 155 kN，位于下臺(tái)階拱腳位置；最大受拉軸力為77 kN，位于仰拱拱腳位置。由圖5(b)彎矩分布圖可知，二襯最大正彎矩為22.17 kN·m，位于上臺(tái)階拱腳位置；而最大負(fù)彎矩為-41.42 kN·m，位于下臺(tái)階拱腳位置。

表3 K147+110斷面鋼拱架各節(jié)點(diǎn)內(nèi)力與安全系數(shù)

圖5 ZK147+107斷面二襯內(nèi)力分布圖

根據(jù)內(nèi)力量測(cè)結(jié)果，計(jì)算得到ZK147+107斷面二襯各節(jié)點(diǎn)的安全系數(shù)如表4所示。由表可知，各節(jié)點(diǎn)中最小的安全系數(shù)為10.58，出現(xiàn)在下臺(tái)階拱腳F截面，該值大于JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的限值2.0[7]，結(jié)果表明:二襯混凝土處于安全狀態(tài)。

表4 ZK147+107斷面二襯各節(jié)點(diǎn)內(nèi)力值與安全系數(shù)

3 結(jié) 論

為了保證大跨度隧道下穿高壓輸電塔施工安全，對(duì)李家沖隧道實(shí)體工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，掌握了在施工過(guò)程中圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。最終的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：圍巖變形趨于穩(wěn)定，各斷面鋼拱架和二襯內(nèi)力的安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方法合理，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和傳感器工作穩(wěn)定可靠。

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Application of sensor in structure monitoring of large-span

tunnel underpass high-voltage power transmission tower*YAN Li1， ZHANG Zhen2， YANG Jun-sheng3

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114,China; 2.Hunan Expressway Administration,Changsha 410003,China; 3.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

In order to ensure safe operation of overlying high-voltage power transmission tower,it must master ground disturbance conditions and forces of supporting structures caused by construction of underpass tunnel.According to field measurements of Lijiachong tunnel which is located beneath a 500 kV high-voltage power transmission tower,relevant monitoring plan and monitoring results are introduced.Monitoring results show that the deformation of surrounding rock tend to be stable during tunnel construction,and safety factors of steel arch support and concrete secondary lining are satisfied with requirement of standard,which proves that construction scheme of tunnel is reasonable,structure is stable and reliable,and sensors can complete relevant monitoring task effectively.

sensor； large-span tunnel; high-voltage power transmission tower; monitoring

2014—08—11

交通運(yùn)輸部京珠復(fù)線長(zhǎng)沙至湘潭高速公路“兩型”科技示范工程項(xiàng)目(CXKJSF0106—1)；長(zhǎng)沙理工大學(xué)橋梁與隧道工程重點(diǎn)學(xué)科基金資助項(xiàng)目

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0151—04

TP 212.9; U 456.3

A

1000—9787(2015)04—0151—04

晏 莉(1979-)，女，湖南株洲人，博士研究生，講師，主要從事巖土與隧道工程方面研究。