楊興仁

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司， 山西 太原 030032 )

1 概述

隨著我國(guó)山區(qū)高速鐵路的不斷延伸，山嶺隧道數(shù)量也在日益增多。在隧道建設(shè)中，面臨隧道巖溶、煤層瓦斯及有毒有害氣體、危巖落石、順層偏壓、軟巖大變形，斷裂破碎帶等地質(zhì)條件復(fù)雜段，本文針對(duì)隧道軟巖大變形段支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，希望能以理論進(jìn)一步促進(jìn)實(shí)踐。

2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 監(jiān)控量測(cè)要求

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)計(jì)要考慮滿足施工需要，同時(shí)還需滿足工程竣工后道床方案可能調(diào)整的情況，綜合布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中隧底為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

考慮初期支護(hù)是關(guān)鍵工序，其相關(guān)監(jiān)測(cè)需加強(qiáng)，每50m設(shè)置一個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)包括(圍巖壓力、接觸壓力、鋼架應(yīng)力、錨桿軸力、初支混凝土應(yīng)力、二襯鋼筋應(yīng)力)。

2.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)方法

2.2.1 圍巖內(nèi)部位移

為了探明支護(hù)系統(tǒng)上承受的荷載，進(jìn)一步研究支架與圍巖相互作用之間的關(guān)系，不僅需要量測(cè)支護(hù)空間產(chǎn)生的相對(duì)位移(或空間斷面的變形)，而且還需要對(duì)圍巖深部巖體位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，圍巖內(nèi)變形量測(cè)的目的為：確定圍巖位移隨深度變化的關(guān)系；找出圍巖的移動(dòng)范圍，深入研究支護(hù)與圍巖相互作用的關(guān)系；判斷開挖后圍巖的松動(dòng)區(qū)、強(qiáng)度下降區(qū)以及彈性區(qū)的范圍。

(1)測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)斷面對(duì)靠平導(dǎo)側(cè)拱腰、拱腳和仰拱共3 個(gè)部位圍巖中埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)，多點(diǎn)位移計(jì)長(zhǎng)度：邊墻及仰拱為對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度的1.5 倍，拱部范圍與設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度一致，即拱部測(cè)點(diǎn)的多點(diǎn)位移計(jì)長(zhǎng)12m、仰拱測(cè)點(diǎn)的多點(diǎn)位移計(jì)長(zhǎng)18m(見圖1)。

量測(cè)采用智能型多點(diǎn)位移計(jì)，由兩大部分組成：一是洞內(nèi)埋入部分，為機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)，二是洞壁接收儀器——測(cè)頻儀，由測(cè)頭，測(cè)量電纜，接收系統(tǒng)和繞線盤等組成。

(2)件埋設(shè)方法及數(shù)據(jù)采集

首先采用地質(zhì)鉆成孔，孔直徑不小于76mm，成孔后將導(dǎo)管緩慢地放入孔中，直到最底部觀測(cè)點(diǎn)位置，然后再用專用工具依次將錨頭埋入設(shè)計(jì)的位置，并進(jìn)行灌漿錨固，在洞壁對(duì)傳輸電纜線進(jìn)行保護(hù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)每個(gè)斷面的元器件位置和數(shù)量進(jìn)行埋設(shè)，并將元器件的傳輸纜線綁扎在鋼架上，沿環(huán)向引至墻腳、集中在每個(gè)斷面的集線箱處，每個(gè)斷面設(shè)兩個(gè)集線箱，集線箱位于墻腳線上1～2m 處，便于保護(hù)集線箱和數(shù)據(jù)的采集。采用測(cè)試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

隧道開挖完成后，盡早采集位移計(jì)的初始讀數(shù)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的變化調(diào)整測(cè)試頻率，直到測(cè)量讀數(shù)已經(jīng)穩(wěn)定，可不再監(jiān)測(cè)該點(diǎn)或該斷面。每次量測(cè)后應(yīng)繪制不同深度的位移-歷時(shí)曲線及孔深-位移關(guān)系曲線，當(dāng)位移速率突然增大時(shí)應(yīng)立即對(duì)各種量測(cè)信息進(jìn)行綜合分析，判斷施工中出現(xiàn)了什么問題，并及時(shí)采取保證施工安全對(duì)策。

2.2.2 錨桿軸力

(1)斷面布置

軟巖大變形隧道應(yīng)力監(jiān)測(cè)按50m/組設(shè)置，為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，結(jié)合目前元器件的精度和可靠性水平，可進(jìn)行國(guó)內(nèi)和國(guó)外測(cè)試元件埋設(shè)。

(2)測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)斷面對(duì)拱頂、左右拱腳、左右邊墻、仰拱3 個(gè)點(diǎn)等共計(jì)8 個(gè)部位埋設(shè)錨桿軸力計(jì)，每根測(cè)試錨桿根據(jù)其長(zhǎng)度布置4個(gè)錨桿軸力計(jì)(見圖2)，監(jiān)測(cè)錨桿長(zhǎng)度均為12m。

(3)元件埋設(shè)方法及數(shù)據(jù)采集

錨桿施作前，在量測(cè)錨桿的設(shè)計(jì)位置安裝好錨桿軸力計(jì)，然后再將安裝好錨桿軸力計(jì)的量測(cè)錨桿按圖3 所示位置進(jìn)行布置。在錨桿安設(shè)好后，將錨桿軸力計(jì)導(dǎo)線沿鋼架引至邊墻距墻腳1.5 米高處，線頭從預(yù)埋的鐵盒里引出。埋設(shè)時(shí)將錨桿軸力計(jì)編號(hào)與測(cè)試點(diǎn)所對(duì)應(yīng)位置做好記錄。

將鐵盒內(nèi)線頭插入測(cè)試儀中，測(cè)試讀數(shù)并作好記錄。每次每個(gè)錨桿軸力計(jì)的測(cè)量應(yīng)不少于3 次，力求測(cè)量數(shù)值可靠、穩(wěn)定。

2.2.3 圍巖壓力及初支與二襯間接觸壓力

(1)測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)斷面在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻、左右墻腳、仰拱3 個(gè)點(diǎn)等共計(jì)12 個(gè)部位設(shè)置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)部位在圍巖與初支之間埋設(shè)壓力盒測(cè)試圍巖壓力、初支與二襯之間埋設(shè)壓力盒測(cè)試接觸壓力，圍巖壓力及接觸壓力在橫斷面內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示。

其中布設(shè)于初支與二襯之間的可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行優(yōu)化，選取2～3 個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)元件埋設(shè)方法及數(shù)據(jù)采集

壓力盒埋設(shè)時(shí)，將埋設(shè)處的圍巖仔細(xì)夯實(shí)找平，然后使壓力計(jì)就位。為了大大減小或消除結(jié)構(gòu)中橫向力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在埋設(shè)前，在壓力計(jì)周圍包一層厚度為1～2mm 的橡膠圈。就位的壓力計(jì)工作面與結(jié)構(gòu)物底平面齊平，不要凹進(jìn)或凸出，還要防止壓力盒偏斜，以避免偏載造成的誤差。

2.2.4 鋼架應(yīng)力

(1)測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)斷面在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻、左右墻腳、仰拱3 個(gè)點(diǎn)等共計(jì)12 個(gè)部位設(shè)置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)部位根據(jù)工程進(jìn)度對(duì)初支內(nèi)鋼架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，初支測(cè)點(diǎn)分別在鋼架內(nèi)外兩側(cè)各布置1 個(gè)應(yīng)變計(jì)，測(cè)試出鋼架兩側(cè)應(yīng)力后可計(jì)算得鋼架內(nèi)力，斷面內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。

(2)元件埋設(shè)方法及數(shù)據(jù)采集

埋設(shè)方法：在施工過程中，將應(yīng)變計(jì)直接對(duì)焊在鋼支撐的內(nèi)外側(cè)翼板上，在焊接前應(yīng)對(duì)應(yīng)變計(jì)的初始頻率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果應(yīng)和標(biāo)定表的零點(diǎn)頻率相同，方可進(jìn)行焊接，在焊接時(shí)必須對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行水冷卻，以免由于焊接時(shí)的高溫傳到應(yīng)變計(jì)上，損壞應(yīng)變計(jì)內(nèi)部電器元件。當(dāng)焊接完成后，再次測(cè)試應(yīng)變計(jì)的初始讀數(shù)是否正確，如正確便可將其裝到工程部位。

2.2.5 初支混凝土應(yīng)力

(1)測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)斷面在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻、左右墻腳、仰拱3 個(gè)點(diǎn)等共計(jì)12 個(gè)部位設(shè)置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)部位根據(jù)工程進(jìn)度分別對(duì)第一層初支、第二層初支的噴射混凝土應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每層初支測(cè)點(diǎn)分別在初期支護(hù)內(nèi)外兩側(cè)各布置1 個(gè)埋入式應(yīng)變計(jì)，測(cè)試出噴混凝土兩側(cè)應(yīng)力后可計(jì)算得初支內(nèi)力，斷面內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖5 所示。

(2)元件埋設(shè)方法及數(shù)據(jù)采集

混凝土埋入式應(yīng)變傳感器安裝時(shí)埋入混凝土中，應(yīng)保證其軸線與受力方向一致，在元件安裝完成后并進(jìn)行初始頻率的測(cè)試。

2.2.6 二襯鋼筋應(yīng)力

(1)測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)二次襯砌斷面在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻、左右墻腳、仰拱3 個(gè)點(diǎn)等共計(jì)12 個(gè)部位設(shè)置測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)部位的內(nèi)外側(cè)主筋上埋設(shè)布置1 個(gè)鋼筋計(jì)，測(cè)試出二次襯砌鋼筋內(nèi)外側(cè)應(yīng)力，可計(jì)算得二襯內(nèi)力，斷面內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。

(2)元件埋設(shè)方法及數(shù)據(jù)采集

元件埋設(shè)及數(shù)據(jù)采集同鋼架應(yīng)力。

2.3 監(jiān)測(cè)頻率

應(yīng)力監(jiān)測(cè)均采用采集箱自動(dòng)采集。根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，應(yīng)力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目根據(jù)距開挖工作面距離關(guān)系確定監(jiān)測(cè)頻率，并根據(jù)速率情況適當(dāng)增加頻率，見表1。

表1 施工期監(jiān)測(cè)頻率

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)

監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行一段時(shí)間或施工某一階段結(jié)束后，都要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和分析。

3.1 數(shù)據(jù)整理

把原始數(shù)據(jù)通過一定的方法，如按大小的排序，用頻率分布的形式把一組數(shù)據(jù)分布情況顯示出來，進(jìn)行數(shù)據(jù)的數(shù)字特征值計(jì)算，離群數(shù)據(jù)的取舍。

3.2 數(shù)據(jù)的曲線擬合

在取得一定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，應(yīng)繪制應(yīng)力時(shí)態(tài)變化曲線圖，如圖7 所示。然后尋找一種能夠較好反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律和趨勢(shì)的函數(shù)關(guān)系式，對(duì)下一階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，防患于未然。

3.3 插值法

在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用函數(shù)近似的方法，求得符合測(cè)量規(guī)律而又未實(shí)測(cè)到的數(shù)據(jù)。

4)計(jì)算圍巖位移和內(nèi)力變化速度、加速度曲線，進(jìn)行穩(wěn)定性判斷。

5)根據(jù)接觸壓力與支護(hù)內(nèi)力量測(cè)，計(jì)算分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度，合理性。