應(yīng)變膜在盾構(gòu)隧道施工監(jiān)測中的應(yīng)用

何濤

0 引言

地鐵隧道是現(xiàn)代城市中一項重要的基礎(chǔ)設(shè)施，因此對其進行施工期的安全性監(jiān)測也變得必不可少。近年來，人們對隧道結(jié)構(gòu)的安全性監(jiān)測也進行了較為深入的研究，應(yīng)用較多的是應(yīng)變片、光纖、鋼懸絲式傳感器。上述監(jiān)測手段特別是后兩種傳感器具有精度高、信息豐富、受外界干擾小、耐久性較好等特點。但是，它們共同的不足在于：1)只能實現(xiàn)點監(jiān)測，不能實現(xiàn)面區(qū)域監(jiān)測;2)價格較昂貴，限制了大規(guī)模布點監(jiān)測。因此，需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)面區(qū)域監(jiān)測、價格相對較低的監(jiān)測手段和前述監(jiān)測手段互為補充，提高監(jiān)測的全面性和可靠性。利用應(yīng)變膜進行構(gòu)件變形/開裂就是基于這種要求提出的。

1 應(yīng)變膜原理

應(yīng)變膜是柔性導(dǎo)電涂料固化干燥形成的彈性導(dǎo)電膜(涂層)，由于其導(dǎo)電是靠膜內(nèi)導(dǎo)電顆粒相互接觸形成通路導(dǎo)電。應(yīng)變膜一旦受到拉伸，導(dǎo)電顆粒間接觸面減小，某些導(dǎo)電顆粒間距一旦大于一定的“閾值”，會形成斷路——電阻突然變?yōu)闊o窮大。所以從整體上看，導(dǎo)電膜電阻隨膜變形而變化敏感(遠高于應(yīng)變片)，而且其電阻變化率基本和應(yīng)變保持線性關(guān)系。同時，涂膜基體樹脂具有良好的彈性、高的斷裂延伸率(70%～80%)和很好的耐久性，使工程應(yīng)用成為可能。應(yīng)變膜導(dǎo)電原理如圖1，圖2所示。

從微觀看導(dǎo)電顆粒在涂膜內(nèi)分布可以分為A，B，C三種類型導(dǎo)電通路，在初始狀態(tài)，A類型：導(dǎo)電顆粒相互接觸面大，導(dǎo)電良好;B類型：導(dǎo)電顆粒剛好相互接觸，形成通路;C類型：導(dǎo)電顆粒不接觸，但是間距小于一定“閾值”，電子可以克服“勢壘”躍遷，形成通路，電阻大。當構(gòu)件受力，應(yīng)變膜隨同產(chǎn)生應(yīng)變，涂膜導(dǎo)電情況發(fā)生變化，A類型：導(dǎo)電顆粒相互接觸面適當減小，導(dǎo)電性變化不大;B類型：導(dǎo)電顆粒不接觸，但是間距小于一定“閾值”，電子可以克服“勢壘”躍遷，形成通路，電阻變大;C類型：導(dǎo)電顆粒間距大于接觸“閾值”，不導(dǎo)電，電阻變?yōu)闊o窮大。

因此，從宏觀來看，涂膜整體電阻變化明顯，并且有規(guī)律可循。利用這一特性，可將導(dǎo)電涂料直接涂敷在構(gòu)件表面，由于涂料和混凝土表面附著力強，能夠很好地和構(gòu)件變形保持一致，準確地反映構(gòu)件受力變形等情況。在應(yīng)用中，由于膜電阻會隨著環(huán)境溫度、濕度等情況不同，電阻可能會不斷發(fā)生變化(可通過設(shè)置環(huán)境補償片來抵消)，判斷依據(jù)不僅靠涂層電阻長期變化情況，而且主要依靠測試某一時段內(nèi)其電阻變化率進行判斷。

2 工程實例

2.1 工程背景

上海某地鐵工程采用盾構(gòu)法施工，由于在掘進施工階段，混凝土管片從盾構(gòu)推進機內(nèi)脫出的短時間內(nèi)，所承受的臨時荷載會遠遠超過在正常工作階段的荷載，而且該時間所受的荷載在沿管片周邊分布具有很大不確定性。因此，僅對構(gòu)件進行點或局部區(qū)域進行監(jiān)測是不夠的，必須對該過程管片整體結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測和預(yù)警。同時，管片在螺栓連接過程中，連接部位有可能形成較大的應(yīng)力集中，使得局部區(qū)域出現(xiàn)裂紋，影響整體安全性和防水結(jié)構(gòu)的完整性。因此，也應(yīng)對該工作過程和部位進行專門的變形開裂情況監(jiān)測和預(yù)警。

為確保襯砌管片在盾構(gòu)施工過程中的安全性，采用應(yīng)變膜對襯砌管片在動態(tài)階段進行受力和變形監(jiān)測。通過該監(jiān)測方案的實施，能夠在工程施工過程中，得到整體結(jié)構(gòu)更加全面、可靠的信息，確保工程的安全性。

2.2 應(yīng)變膜布置

混凝土襯砌管片在掘進階段在盾構(gòu)推進機內(nèi)受力及變形狀況的監(jiān)控。以混凝土微應(yīng)變?yōu)榭刂屏浚捎脩?yīng)變膜在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對管片脫離盾構(gòu)復(fù)雜受力工況下，管片開裂和整環(huán)接縫部局部壓裂給予早期預(yù)警及微裂縫部位確定。本次應(yīng)變膜監(jiān)測系統(tǒng)共計監(jiān)測10環(huán)斷面，沿管片周邊環(huán)狀按每片片材分段布設(shè)6片測試片(分別以每片片材為監(jiān)測對象)，單設(shè)1片～2片溫度補償片共用，系統(tǒng)利用1臺16通道應(yīng)變膜測試儀對施工斷面的環(huán)形測試片進行監(jiān)測。由于應(yīng)變膜的布設(shè)是通過將柔性導(dǎo)電涂料直接涂覆在需要的部位來進行的，涂膜固化干燥需要一定時間。因此，需要提前5 d左右時間對管片進行預(yù)先處理。圖3為應(yīng)變膜測試片沿管片內(nèi)表面布置示意圖。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

取管片測試片5的應(yīng)變膜監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。圖4中瞬間減補償變化率表示混凝土管片瞬時的受力狀態(tài)變化，累計減補償變化率表示混凝土管片累計的受力狀態(tài)變化?？梢钥闯?，管片基本上都是處于受壓狀態(tài)，在個別時刻數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳躍性，且每個測試片都是出現(xiàn)在同一時刻，分析可能是由于盾構(gòu)機工作時所形成的沖擊力造成。由于混凝土管片截面處于受壓狀態(tài)，且變化不大，故管片在盾構(gòu)推進過程中處于安全狀態(tài)。

3 結(jié)語

應(yīng)變膜是一種能夠?qū)崿F(xiàn)面區(qū)域監(jiān)測、價格相對較低的監(jiān)測手段。和其他監(jiān)測手段互為補充，能提高監(jiān)測的全面性和可靠性，可以很好的用于判斷地鐵隧道管片在盾構(gòu)推進過程中的受力狀態(tài)。相比于傳統(tǒng)監(jiān)測手段，應(yīng)變膜具有顯著優(yōu)點。通過本工程實例，對類似的工程具有一定的參考價值。

［1］ 何 濤.地下結(jié)構(gòu)隨機荷載反演與可靠性分析研究［D］.上海：同濟大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

［2］ 何 濤，趙 鳴，謝 強，等.光纖光柵傳感器用于盾構(gòu)隧道施工的監(jiān)測［J］.地下空間與工程學(xué)報，2008，4(1)：157-161.