鵝公髻隧道內(nèi)力量測技術(shù)分析與研究

程瓊

（廣東省長大公路工程有限公司第三分公司，廣東 廣州 511431）

引言

鵝公髻隧道位于廣梧高速公路河口至平臺段第十四合同段，左線長3130.66m，右線長3113.12m，為雙洞四車道，左右線分離布設(shè)，廣州端和蒼梧端洞口均有一段小凈距，其余為正常間距。隧道結(jié)構(gòu)根據(jù)新奧法原理進行設(shè)計，采用復合式襯砌結(jié)構(gòu)形式。

隧道在施工過程中采用了內(nèi)力量測技術(shù)，通過現(xiàn)場內(nèi)力量測，及時掌握隧道在開挖過程中引起的地層變形、地表沉降和支護結(jié)構(gòu)的力學狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的事故進行防范并及時準確的處理。并將獲取的第一手實際量測數(shù)據(jù)資料進行處理，及時迅速地向施工方、監(jiān)理方、設(shè)計方和業(yè)主提供資料分析結(jié)果，直接服務(wù)于隧道施工。

1 內(nèi)力量測技術(shù)分析與研究

1.1 量測設(shè)備與材料投入

本工程隧道內(nèi)力的量測設(shè)備與材料如下表所示：

表1 量測設(shè)備與材料表

1.2 錨桿內(nèi)力監(jiān)測與分析

本項目測試采用的錨桿測力計規(guī)格為φ25 mm，量程為PB=125kN，利用力與頻率關(guān)系測量得到錨桿內(nèi)力值。錨桿內(nèi)力測點布置如圖1、圖2所示，測試斷面位置里程為LK90+650和RK90+655。測點布置在隧道兩側(cè)拱腰位置，與水平線呈20°角。量測A，B,C及D，E，F(xiàn)六根錨桿內(nèi)力值。

在初期支護作業(yè)工序中，靠近掘進工作面安裝帶有內(nèi)力傳感器的錨桿。錨桿內(nèi)力傳感器在鉆孔中的埋設(shè)位置及長度為：圖1中A、B、C點位置錨桿埋入長度4m，內(nèi)力傳感器距孔口距離為0.98m；圖2中D、E、F點錨桿埋入長4.5m，內(nèi)力傳感器距孔口2.17m。測量錨桿安裝后，隨著開挖進度測量各錨桿的內(nèi)力值。每天一個掘進循環(huán)，隧道LK90+650斷面從2008年12月18～2009年1月1日，RK90+655斷面從2008年08月30～2008年9月11日每天量測一次錨桿內(nèi)力數(shù)據(jù)。由于受條件限制，量測時間較短，錨桿內(nèi)力隨時間變化的實測數(shù)據(jù)曲線如圖3及圖4所示。這一時期應(yīng)是上臺階施工中該斷面錨桿內(nèi)力最大的階段，量測時間共持續(xù)14d，數(shù)據(jù)達到基本穩(wěn)定。

圖3中的錨桿內(nèi)向拉力數(shù)據(jù)，其錨桿埋設(shè)位置如圖1中A、B、C點所示，其內(nèi)力傳感器距孔口或開挖圍巖表面最近，為0.98m，處于圍巖向隧道內(nèi)位移較大的區(qū)域。因此在此部位，錨桿處于受拉狀態(tài)，除鋼拱架和噴射混凝土抵抗圍巖向內(nèi)變形外，錨桿要承受圍巖變形產(chǎn)生的相應(yīng)拉力。如圖3所示，在向前掘進的最初1d，錨桿拉力數(shù)據(jù)上升速率快，然后速率變緩，在第3 d，錨桿內(nèi)向拉力達到最大值3.58kN，之后轉(zhuǎn)為下降，7d后穩(wěn)定在值3.35kN，并表現(xiàn)出輕微數(shù)值波動。圖4中的錨桿內(nèi)向壓力數(shù)據(jù)，其錨桿埋設(shè)位置如圖2中D、E、F點所示，其內(nèi)力傳感器距孔口較遠，為2.17m，處于圍巖向內(nèi)位移較小區(qū)域。如圖4所示的錨桿壓力數(shù)值，隨著隧道的開挖，逐漸由增加轉(zhuǎn)為減小。隨著隧道的開挖和相應(yīng)空間的增大，該錨桿測量部位圍巖位移也相應(yīng)增大，但由于受到鋼拱架的支撐和圍巖自承作用，以及內(nèi)力傳感器所處圍巖同時受到來自于圍巖深部向隧道內(nèi)部位移和鋼拱架抗力支撐的相向作用，處在受壓縮狀態(tài)，因而，該部位測量到的錨桿內(nèi)力數(shù)據(jù)為壓力。依據(jù)圖3、圖4所示錨桿內(nèi)力狀態(tài)，可知圍巖變形的拉壓性質(zhì)也隨深度變化，從而說明了圍巖變形與支承強度間的制衡關(guān)系。

圖3 LK90+650段錨桿內(nèi)力隨時間變化趨勢圖

圖4 RK90+655段內(nèi)力隨時間變化趨勢圖

1.3 接觸壓力量測

本項目接觸壓力采用埋設(shè)鋼弦式壓力盒進行量測，即，將其埋設(shè)在量測斷面拱頂及兩側(cè)，每個量測斷面共布置5個測點，其中上臺階開挖后在拱頂、左右側(cè)各埋設(shè)一個壓力盒；下臺階開挖后在左右側(cè)各埋設(shè)一個壓力盒。采用頻率計量測，并由率定公式確定接觸壓力值。

量測所選取的典型監(jiān)測斷面位于下行線，主要的圍巖類型為變質(zhì)砂巖，屬于Ⅴ級圍巖。上臺階開挖后，在掌子面與斷面間距離小于40m時，圍巖與初襯間的接觸壓力基本在減小，且變化較大；距離超過40m后，接觸壓力的變化趨緩。在下臺階掌子面位于斷面后面50m時，接觸壓力值又開始迅速增大；一直到下臺階掌子面在斷面前面50m時，接觸壓力才重新趨于穩(wěn)定，此時的接觸壓力比上臺階開挖過后的數(shù)值有較大增長。下臺階開挖過后，左側(cè)接觸壓力穩(wěn)定后約為0.05MPa，而右側(cè)的接觸壓力穩(wěn)定后約為0.005MPa，即左側(cè)的接觸壓力值遠大于右側(cè)的值。其原因主要是隧道左側(cè)圍巖較為破碎，成拱效應(yīng)差，產(chǎn)生的圍巖壓力大于右側(cè)圍巖壓力。下臺階開挖后，圍巖與初期支護間的接觸壓力基本在0.1MPa以內(nèi)，結(jié)構(gòu)較安全。通過現(xiàn)場量測發(fā)現(xiàn)，拱頂處圍巖與初期支護間實測的接觸壓力值均比按規(guī)范公式計算的值小，實測的壓力值只是規(guī)范值的50%左右。規(guī)范公式是按照荷載結(jié)構(gòu)法根據(jù)圍巖類別結(jié)合經(jīng)驗確定的，而實測值是圍巖實際作用在襯砌支護上的壓力值，其計算方法為地層結(jié)構(gòu)法。實測值比按規(guī)范公式計算的值小，表明圍巖具有足夠的支撐作用，分擔了部分圍巖壓力。

1.4、鋼支撐內(nèi)力量測

此類測點基本和壓力盒布設(shè)在同一量測斷面上。每榀鋼支撐布設(shè)5組鋼筋應(yīng)力計，分別沿鋼支撐的內(nèi)外邊緣成對布設(shè)，其中，上臺階開挖后在拱頂、左右側(cè)各布設(shè)一組鋼筋計；下臺階開挖后在左右側(cè)也各布設(shè)一組鋼筋計。采用頻率計量測，再根據(jù)率定公式確定內(nèi)力。所選取的典型斷面位于下行線，主要圍巖類型為變質(zhì)砂巖，屬于Ⅴ級圍巖。量測目的是獲取初期支護中鋼支撐內(nèi)、外側(cè)的內(nèi)力變化數(shù)據(jù)。

內(nèi)力變化過程分別為鋼支撐外、內(nèi)側(cè)內(nèi)力變化情況。內(nèi)力變化曲線時間上可分為4個階段：其中上臺階開挖后數(shù)據(jù)曲線形成了急劇增大→緩慢增大→趨于平緩這Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三個階段，下臺階開挖后形成了第Ⅳ階段。當下臺階開挖掌子面距斷面50m，在斷面距下臺階掌子面前后40～50m時內(nèi)力變化較大，鋼支撐內(nèi)力數(shù)值變化最大，從2kN增至3.1kN，增幅為50%多。其中，隧道拱頂處鋼支撐的內(nèi)力未有明顯變化，而隧道左側(cè)鋼支撐的內(nèi)力增大，隧道右側(cè)鋼支撐的內(nèi)力減小，距離超過50m后，數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)。下臺階開挖后，鋼支撐左右兩側(cè)的內(nèi)力變化并不一致，說明鋼支撐所受的左、右兩側(cè)的壓力并不相等，這與此前分析的下行線處圍巖與初期支護間接觸壓力中，下臺階開挖后，左、右兩側(cè)壓力相差懸殊是吻合的。

2 結(jié)論

通過鵝公髻隧道圍巖與噴層接觸壓力和錨桿內(nèi)力 LK90+650和RK90+655的量測，并對量測數(shù)據(jù)進行分析，得出以下結(jié)果：

(1)鵝公髻隧道量測到的圍巖與噴層接觸壓力、錨桿內(nèi)力小，最大噴層接觸壓力為0.09MPa，最大錨桿內(nèi)力3.58kN，表明在初期支護結(jié)構(gòu)中，噴射混凝土和錨桿對圍巖變形只起到協(xié)同與輔助的支撐作用，鋼拱架和圍巖自承起到了主要支撐作用。

(2)噴層接觸壓力和錨桿內(nèi)力在達峰值并趨于穩(wěn)定后，數(shù)據(jù)值仍存在一定的波動性，盡管不會對隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，但隨開挖的進行，圍巖對初期支護的作用仍處于變化狀態(tài)。

(3)同一測試斷面，在圍巖較完整穩(wěn)固的一側(cè)，噴層接觸壓力出現(xiàn)拉應(yīng)力值，而圍巖穩(wěn)固性差的一側(cè)，噴層接觸壓力出現(xiàn)壓應(yīng)力值，表明該斷面圍巖水平位移主要來自圍巖穩(wěn)固性差的一側(cè)。

(4)短掘短支，釋放地壓與控制圍巖變形，公路隧道采用臺階法開挖施工方式是可行的。

(5)由以上監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，上臺階開挖對圍巖的擾動遠遠大于下臺階開挖對圍巖的擾動。

[1]重慶交通科研設(shè)計院.JTG D70-2004公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]交通部重慶公路科學研究所.JTJ 042-94公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1995.

[3]廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院.鵝公髻隧道兩階段施工圖設(shè)計.廣州：廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院，2006.