淺埋大斷面黃土隧道原位測(cè)試研究

王新野 范文軍 白永勝

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051；

淺埋大斷面黃土隧道原位測(cè)試研究

王新野1范文軍2白永勝3

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051；

2.長(zhǎng)春市市政工程設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033； 3.陜西省延安市新區(qū)管理委員會(huì)，陜西 延安 716000)

結(jié)合某工程實(shí)例，介紹了淺埋大斷面土質(zhì)隧道的施工工藝，依據(jù)測(cè)試原件的工作原理與測(cè)試方法，分析了施工中原位測(cè)試內(nèi)容與現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)應(yīng)注意的事項(xiàng)，并對(duì)該類(lèi)隧道建立了一套測(cè)試方法，為今后類(lèi)似工程施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

隧道，原位測(cè)試，施工工藝

20世紀(jì)50年代后期新奧法問(wèn)世以來(lái)，地下工程現(xiàn)場(chǎng)的量測(cè)開(kāi)始成為判斷圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的重要手段之一，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)并指導(dǎo)施工。近年來(lái)由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)施的完備以及有限元軟件的開(kāi)發(fā)，逐步成為軟件模擬，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等一整套的設(shè)計(jì)原理和測(cè)試方法[1]。但是，實(shí)際工程中涉及到的地質(zhì)情況多種多樣，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試能比較直觀的反映隧道結(jié)構(gòu)的受力與變形情況，其測(cè)試方法和測(cè)試內(nèi)容根據(jù)圍巖類(lèi)別或者結(jié)構(gòu)的性質(zhì)等原因也不盡相同[2]。為此，筆者結(jié)合某工程實(shí)例，詳細(xì)介紹大斷面隧道在土質(zhì)圍巖(Ⅴ級(jí))下，全程縱向淺埋的施工過(guò)程中的原位測(cè)試內(nèi)容與方法,為進(jìn)一步的工程研究積累了資料。

1 工程概況

本工程依托山西某高速公路隧道段，隧道為分離式雙洞單向行車(chē)三車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，斷面面積170 m2。最大埋深不足22 m。具有埋深淺，斷面大，圍巖差等特點(diǎn)。

表1 隧道圍巖)粉土、卵石土工試驗(yàn)指標(biāo)

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與施工工藝

隧道支護(hù)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)主要施作噴射混凝土，錨桿，鋼拱架，鋼筋網(wǎng)等，并輔以超前小導(dǎo)管、超前(砂漿)錨桿超前大管棚等措施，使之將圍巖的自承能力充分發(fā)揮和調(diào)動(dòng)，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，在其信息的指導(dǎo)下施作初期支護(hù)和二次模筑襯砌。其中初期支護(hù)參數(shù)主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比以及理論計(jì)算綜合比較后確定，隧道洞口段進(jìn)洞采用超前大管棚、套拱結(jié)構(gòu)[3]。

1)地表注漿。本隧道地表由于耕種農(nóng)作物使得土質(zhì)較松散，為增大土體的壓縮模量，配合地表沉降的嚴(yán)格要求，施工過(guò)程采取地表注漿處理，注漿范圍橫向?yàn)閮杀端淼篱_(kāi)挖寬度，縱向全程注漿(包括大管棚段)，材料為φ108鋼管，橫向間距2.4 m，縱向間距1.2 m，呈梅花形分布，并注入水灰比為0.5∶1水泥漿。

2)大管棚施工。根據(jù)明洞暗洞分界面里程，在分界面進(jìn)行管棚施工，進(jìn)口40 m，為雙層φ108鋼管，上層每環(huán)38根，下層每環(huán)51根，出口20 m，為單層φ108鋼管，每環(huán)31根。

3)超前小導(dǎo)管施工。當(dāng)洞身開(kāi)挖至管棚結(jié)束段時(shí)，拱部施作超前小導(dǎo)管，φ50小導(dǎo)管長(zhǎng)度4.5 m，環(huán)向間距0.4 m，外插角10°，每環(huán)49根。

4)套拱施工。大管棚施工完畢后，沿大管棚弧線下方30 cm施工套拱。

5)初期支護(hù)。隧道初期支護(hù)采取φ25中空注漿錨桿，長(zhǎng)度4.5 m，間距50 cm×80 cm，雙層φ8鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm，Ⅰ22a工字鋼，間距50 cm，噴C25早強(qiáng)混凝土29 cm。支護(hù)緊跟開(kāi)挖面施作，盡量減少?lài)鷰r暴露時(shí)間，防止松散黃土脫落。

6)二襯施工。隧道底部開(kāi)挖支護(hù)完成后，由圖1，圖2可知隧道底部按左、右、中的順序進(jìn)行仰拱二襯施工，二襯模筑C30鋼筋混凝土60 cm，仰拱回填C15片石混凝土。由于隧道埋深淺圍巖差，同時(shí)要求減小地表沉降等，二襯施作應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)避免初支結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試

1)測(cè)試元件原理。

本隧道上所采用的測(cè)試壓力元件是鋼弦式壓力盒。一般根據(jù)鋼弦張拉所受應(yīng)力不同而它的自振頻率所對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系的原理，得知鋼弦式壓力盒等測(cè)試元件所表現(xiàn)出來(lái)的頻率的變化與引起元件應(yīng)力變化的線性關(guān)系可用下式：

其中，f為壓力盒受壓后所測(cè)的頻率；f0為壓力盒未受壓時(shí)的初始頻率；P為壓力盒底部薄膜所受的壓力；K為標(biāo)定系數(shù)，與壓力盒構(gòu)造等有關(guān)，一般各不相同。

鋼弦內(nèi)所受應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為鋼弦振動(dòng)頻率的變化。由此可推導(dǎo)出鋼弦應(yīng)力與振動(dòng)頻率的關(guān)系：

其中，f為鋼弦振動(dòng)頻率；L為鋼弦長(zhǎng)度；ρ為鋼弦的密度；σ為鋼弦所受的應(yīng)力。

2)測(cè)試內(nèi)容與方法。

a.鋼支撐應(yīng)力應(yīng)變量測(cè):將表面應(yīng)變計(jì)固定在工字鋼的腹板上，通過(guò)讀數(shù)可讀出相對(duì)應(yīng)頻率，經(jīng)過(guò)換算可得出鋼拱架應(yīng)力和應(yīng)變的大小，由此可了解圍巖作用在鋼拱架上的壓力變化，從而評(píng)價(jià)鋼拱架的間距，鋼拱架型號(hào)的合理性以及分析初支混凝土層的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷隧道是否受偏壓影響。通過(guò)測(cè)量鋼支撐所受壓力判斷鋼支撐的工作狀態(tài)。確定在此壓力下鋼支撐的安全系數(shù)[4]，根據(jù)實(shí)際情況確定是否需要采取額外加固措施。

b.錨桿軸力量測(cè)：當(dāng)隧道開(kāi)挖到埋設(shè)元件斷面時(shí)，用鋼筋計(jì)模擬錨桿，在施作初期支護(hù)時(shí)用比鋼筋計(jì)直徑較大的鉆頭在邊墻以及拱頂所要測(cè)的各點(diǎn)鉆孔，然后將鋼筋計(jì)放入鉆孔內(nèi)(如不塌孔可在鋼筋計(jì)前端放一定量錨固劑以穩(wěn)定鋼筋計(jì))用以測(cè)量鋼筋計(jì)所受軸力的變化規(guī)律。

c.初支與圍巖之間接觸壓力量測(cè)：將壓力盒埋置在初期支護(hù)與圍巖之間,測(cè)量圍巖在穩(wěn)定過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)力釋放中施加給初期支護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)上的壓力。

d.初期支護(hù)與二次襯砌之間的接觸壓力量測(cè):初期支護(hù)與二次襯砌之間埋置壓力盒，研究初支和二襯在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定過(guò)程中分擔(dān)荷載比例。

e.混凝土應(yīng)力應(yīng)變量測(cè)：在現(xiàn)場(chǎng)澆筑二襯和仰拱前，將混凝土應(yīng)變計(jì)埋設(shè)到設(shè)計(jì)的測(cè)量點(diǎn)，量測(cè)儀器數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算混凝土襯砌的應(yīng)變值進(jìn)而分析二襯和仰拱混凝土內(nèi)力大小[5]。

3)測(cè)試元件現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)注意事項(xiàng)。

在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行元件埋設(shè)布置前，應(yīng)對(duì)所有元件進(jìn)行檢驗(yàn)，包括引線質(zhì)量，以及引線標(biāo)號(hào)是否清晰。應(yīng)進(jìn)行初讀數(shù)數(shù)次，看是否具有穩(wěn)定性，對(duì)于初讀數(shù)數(shù)次變化較大的測(cè)試元件應(yīng)分析原因，若是其本身材料加工等質(zhì)量問(wèn)題則不應(yīng)采用。

在固定鋼筋表面計(jì)時(shí)一般用電焊焊接的方式固定支座，這就需要在安裝表面計(jì)時(shí)應(yīng)及時(shí)給支座降溫，保證核心部件不受損壞。在鋼筋計(jì)放入已經(jīng)鉆好的鉆孔時(shí)應(yīng)及時(shí)迅速縮短時(shí)間防止塌孔，尤其黃土隧道在水鉆鉆孔時(shí)極易塌孔。對(duì)于已經(jīng)塌孔的情況應(yīng)再次鉆孔切不可強(qiáng)硬將鋼筋計(jì)推入孔內(nèi)，致使引線斷裂。在埋設(shè)壓力盒時(shí)小心謹(jǐn)慎正確安裝兩邊受力面所對(duì)應(yīng)的體系?；炷翍?yīng)變計(jì)埋設(shè)時(shí)應(yīng)將其綁在鋼筋上，保證在混凝土澆筑過(guò)程中不偏離原位置過(guò)大，同時(shí)固定混凝土應(yīng)變計(jì)的扎絲等不能用力過(guò)大，防止非混凝土作用下出現(xiàn)較大誤差。斷面布置如圖3,圖4所示。

4)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)整理。

采集數(shù)據(jù)依據(jù)測(cè)試頻率及時(shí)，測(cè)試時(shí)間有針對(duì)性、對(duì)比性。將測(cè)試原始數(shù)據(jù)記錄，隨后將記錄數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)根據(jù)相關(guān)軟件對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算處理，分析施工工序，以及測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)所對(duì)應(yīng)的施工階段對(duì)結(jié)果的影響，并歸納分析圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形規(guī)律[6，7]。分析過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)測(cè)量值超出警戒值應(yīng)及時(shí)通知施工單位，監(jiān)理和業(yè)主單位進(jìn)行及時(shí)處理。整個(gè)測(cè)試階段完成后，總結(jié)歸納數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，為研究隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形情況提出參考與依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

由于本隧道斷面大，圍巖條件差，淺埋等特點(diǎn)，且隧道所處地理位置重要，建設(shè)方對(duì)隧道沉降要求嚴(yán)格，故本隧道設(shè)計(jì)了一套嚴(yán)格的原位測(cè)試系統(tǒng)，施工過(guò)程中很好的監(jiān)視了結(jié)構(gòu)的受力及變形情況，及時(shí)反饋并優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)，很好的控制了地面沉降。最終給以后的相類(lèi)似的工程提供資料與積累經(jīng)驗(yàn)。為淺埋黃土大斷面隧道的設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)和實(shí)例。同時(shí)也可為城市地鐵隧道的設(shè)計(jì)施工帶來(lái)借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1] 李玉文，王 聯(lián).三車(chē)道公路隧道的設(shè)計(jì)與施工[J].世界隧道,1995(5)：57-59.

[2] 吳夢(mèng)軍，劉新榮.特大斷面隧道施工方法試驗(yàn)研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(15)：98-100.

[3] 王 兵.雙車(chē)道公路隧道復(fù)合襯砌應(yīng)用研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1997，10(4)：77-79.

[4] 夏才初,李永勝.地下工程測(cè)試?yán)碚撆c監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998.

[5] 王新野.淺埋大斷面黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性狀研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[6] 趙占廠，謝永利，楊曉華,等.黃土公路隧道襯砌受力特性測(cè)試研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004，17(1):66-70.

[7] 陳建勛，楊 忠，袁雪戡.秦嶺終南山特長(zhǎng)公路隧道大埋深段施工監(jiān)測(cè)及分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，23(3):71-75.

The in-situ test research on shallow buried large section loess tunnel

WANG Xin-ye1FAN Wen-jun2BAI Yong-sheng3

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China; 2.ChangchunMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Changchun130033,China; 3.ShaanxiYan’anNewDistrictManagementCommittee,Yan’an716000,China)

Combining with an engineering example, this paper introduced the construction technology of shallow buried large section loess tunnel, based on the working principle and test method of test originals, analyzed the in-situ test contents in construction and the matter needing attention in site bury, and established a set of test method to the tunnel, accumulated experience for future similar construction.

tunnel, in-situ test, construction technology

1009-6825(2014)28-0191-02

2014-08-01

王新野(1987- )，男，碩士，助理工程師； 范文軍(1987- )，男，助理工程師； 白永勝(1985- )，男，助理工程師

U451.5

A