第三系砂泥巖隧道應力監(jiān)控量測分析

劉 盼，王生光

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

第三系砂泥巖隧道應力監(jiān)控量測分析

劉 盼，王生光

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

監(jiān)控量測是新奧法施工的重要組成部分，其可以簡單直接的掌握隧道圍巖變形和支護結構受力情況。通過依托牡綏線雙豐隧道應力監(jiān)測斷面，詳細的介紹了應力量測的原理、內容和監(jiān)測數據的處理方法，以及得出第三系砂泥巖隧道最大跨處為圍巖薄弱環(huán)節(jié)，在初期支護中要嚴格控制變形并采取加固措施等結論。通過監(jiān)控量測能更好的調整施工方法和支護參數，確保施工安全，并為同類工程施工提供較大的參考價值。

新奧法；監(jiān)控量測；第三系砂泥巖

新奧法設計與施工越來越多的被應用于現代高速鐵路隧道建設。新奧法作為一種新的施工方法，摒棄了傳統(tǒng)礦山法施工思想(隧道圍巖荷載完全由支護結構承擔)，而是將隧道圍巖和襯砌結構看作成一個完整的支護體系，允許圍巖有少量變形。監(jiān)控量測作為新奧法施工的三要素(控制爆破，噴錨支護和監(jiān)控量測)之一，在隧道建設中俞現俞重要，其不但可以直觀的提供圍巖和支護結構的安全穩(wěn)定信息，還能進一步優(yōu)化施工方法和支護參數，為隧道的安全修建提供技術保障。

1 工程概況

雙豐隧道位于黑龍江省東寧縣，起訖里程為DK461+752～DK468+978，全長7 236 m，為牡綏線最長雙線隧道，隧道采用三臺階七步開挖法施工，共設有2座斜井，最大埋深約140 m。隧道圍巖所處的工程地質較為復雜，表層覆蓋玄武巖和砂泥巖，下基層圍巖分布起伏較大，主要有花崗巖、花崗閃長巖、安山玢巖，中部是沉積松軟的第三系砂泥巖。

2 監(jiān)控量測的目的和意義

第三系砂泥巖易被水軟化、沖蝕，形成涌泥、流砂和塌方，這種圍巖成巖性差，受地下水作用，開挖擾動后基本呈糊狀，基底有涌水現象發(fā)生，工程性質迅速惡化，多次出現涌水涌泥、變形過大、施工進度緩慢等問題。第三系砂泥巖地層施工，國內尚且無成功的施工案例可以借鑒，國外可以借鑒的類似工程又不多，因此，進行隧道圍巖應力監(jiān)控量測可以準確了解第三系砂泥巖的圍巖特性、強度、圍巖變形、膨脹性等，并對隧道支護參數、預支護參數、變形控制、施工方法及基底加固處理技術等進行系統(tǒng)優(yōu)化，其具有重要的現實意義。

3 監(jiān)測原理

3.1 圍巖壓力量測

圍巖壓力量測以壓力盒作為壓力量測傳感器，每個測點安裝一個壓力盒，通過傳感器的頻率變化計算圍巖壓力大小和變化情況。壓力盒取丹陽市巖泰工程廠振弦式傳感器，工作溫度為-25～+60 ℃，線性誤差為0.730%F.S，計算公式為：

P=K×(Fi-F0)

(1)

式中：P為壓力值，負值為拉力，正值為壓力；F為頻率讀數；K為標定系數。

3.2 鋼拱架應力量測

鋼拱架應力量測以表面應變計作為應力量測傳感器，每個測點安裝一個表面應變計，通過傳感器的頻率變化計算拱架應力大小。表面應變計取丹陽市巖泰工程廠振弦式傳感器，工作溫度為-25～+60 ℃，線性誤差為0.539%F.S，計算公式為

P=K×(Fi-F0)

(2)

式中：P為應力值，負值為壓應力，正值為拉應力；F為頻率讀數；K為標定系數。

4 監(jiān)控量測內容

4.1 監(jiān)測斷面選擇

結合現場地質情況，為更好的觀察總結圍巖工程特性和優(yōu)化施工方法，監(jiān)控量測斷面選取在工程地質比較典型地段—第三系砂泥巖互層段即DK462+950斷面。

4.2 監(jiān)測內容和測點布設

實施全面分析圍巖穩(wěn)定信息和支護結構受力情況，又能使各測點數據間可以相互比較，相互聯系，故量測項目布設在同一斷面上，共布設5個測點，分別在拱頂，拱腰和最大跨位置，進行圍巖壓力、鋼拱架應力、初支與二襯間接觸壓力等應力量測。測點布設和量測項目布置如圖1、圖2所示。

圖1 斷面測點布設圖(m)

4.3 量測頻率

測量頻率根據現場圍巖支護結構受力情況確定。在二襯施做前，圍巖壓力活躍，支護結構受力發(fā)生規(guī)律性變化，量測頻率1次/天；在二襯施做后，圍巖壓力基本穩(wěn)定，各支護結構受力也基本穩(wěn)定，量測頻率1次/周，或者根據數據變化情況適當拉長數據測量時間間隔。

圖2 量測項目布置示意圖

編號量測項目儀器A圍巖壓力壓力盒B鋼拱架應力應變計C接觸壓力壓力盒

5 量測數據分析

5.1 圍巖壓力

圍巖壓力監(jiān)測可間接的采集到圍巖因變形受阻而作用在支護結構上的力。壓力盒安裝完成后，用頻率讀數儀測量壓力盒讀數，并對每個測點讀數三次，取其平均值作為數據分析的初始讀數。圍巖壓力曲線圖如圖3～圖5所示。

圖3 拱頂圍巖壓力曲線圖

圖4 拱腰圍巖壓力曲線圖

拱頂處圍巖壓力最大值為362 kPa，支護結構呈受壓狀態(tài)。壓力盒安裝前5 d，圍巖壓力增值迅速，達到220 kPa，表明拱頂初噴混凝土比較密實，很好的填充了圍巖與鋼拱架之間的空隙。隨著掌子面的進尺和中臺階的開挖，第8 d時，圍巖壓力發(fā)生異常呈下降趨勢，分析原因是隧道的開挖影響了圍巖的穩(wěn)定性。第10 d后，圍巖壓力呈增大狀態(tài)，并在第22 d達到穩(wěn)定狀態(tài)。施做二襯時，模板的拆卸引起了圍巖壓力的重新分配，圍巖壓力有輕微的變化，但隨后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，支護效果表達良好。

左拱腰和右拱腰在初期階段，圍巖壓力增值速率一致，第3 d，右拱腰的圍巖壓力值為120 kPa，左拱腰圍巖壓力值為82 kPa，表明拱腰初噴混凝土較密實，與圍巖接觸較好。隨著隧道的開挖，第5 d后，左右拱腰圍巖壓力值呈不同的走勢，右拱腰壓力值呈增大趨勢，左拱腰壓力值無明顯變化，基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。第30 d后，圍巖壓力穩(wěn)定，左右拱腰壓力值分別穩(wěn)定于120 kPa和260 kPa。

圖5 最大跨圍巖壓力曲線圖

左右最大跨圍巖壓力在前4 d增值較大，左右最大跨處圍巖壓力值分別為76 kPa和62 kPa，表明初期支護效果表達較好。第5 d后，砂泥巖地層發(fā)生涌水現象，使圍巖處于破損狀態(tài)而進行的排水，注漿措施，致使左最大跨處圍巖壓力變化較復雜，無規(guī)律性可循。第40 d后，圍巖壓力基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，左右最大跨圍巖壓力最大值為80 kPa和78 kPa。監(jiān)控量測時間段內，圍巖基本呈收斂形式，此斷面與2013年10月中旬進行二襯施工，二襯施工后圍巖壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 鋼拱架應力

表面應變計安裝完成后，用頻率讀數儀測量應變計讀數，并對每個測點讀數三次，取其平均值作為數據分析的初始讀數。鋼拱架應力曲線圖如圖6～圖7所示。

各測點鋼拱架應力在安裝初期階段，均有明顯的增大趨勢，其中拱頂、拱腰的增值速率較小，左右最大跨的增值速率較大，主要原因是掌子面的推進擾動了圍巖的穩(wěn)定性，從而產生了應力。隨著下臺階和仰拱的開挖，拱頂拱腰處應力值進一步提升，而最大跨處應力值無明顯變化，說明拱頂拱腰處圍巖還在收斂狀態(tài)，最大跨處初期支護效果表達良好，圍巖穩(wěn)定。第28 d時，右最大跨處鋼架應變計讀數異常，分析原因是該測點的儀器損壞。拱頂的最大應力為-368 MPa，左右拱腰的最大應力為-240 MPa和-395 MPa，左右最大跨的最大應力為-453 MPa和-396 MPa，其中拱頂、右拱腰、左右最大跨最大應力均已超過鋼拱架應力屈服強度。二襯施工后，各測點鋼架應力基本穩(wěn)定，無明顯的起伏變化。

圖6 拱頂、拱腰鋼拱架應力曲線圖

圖7 最大跨鋼拱架應力曲線圖

5.3 二襯接觸壓力

接觸壓力曲線圖如圖8～圖9所示。

圖8 拱頂拱腰接觸壓力曲線圖

圖9 最大跨接觸壓力曲線圖

拱頂接觸壓力最大值為98.5 kPa，在儀器安裝的前10 d時間里，混凝土強度表達較弱，壓力值無明顯變化。第13 d時，圍巖壓力開始增大，呈階段性的性變化。30 d過后，二襯強度表達明顯，支護結構呈增長趨勢。左右拱腰接觸壓力差距較大，儀器安裝的10 d時間里，拱腰壓力較弱，在0 kPa左右徘徊。第13 d時左拱腰壓力逐漸增大，并隨著時間的推移趨于穩(wěn)定,最大值為35 kPa，而右拱腰壓力無變化。從左右最大跨接觸壓力曲線圖分析得知，隧道受較大的偏壓作用，在施工過程中應當引起重視。儀器安裝前10 d時間里，壓力增值速率較小，第13 d后，壓力值有明顯的增值現象，左最大跨處接觸壓力值急劇上升，二襯支護結構承受較大的圍巖壓力。第30 d時，左右最大跨圍巖壓力趨于穩(wěn)定，最大壓力值分別為325 kPa和86 kPa.

6 結 論

通過對雙豐隧道DK462+950斷面應力監(jiān)測數據分析可以得出如下結論。

(1)初期支護很大程度上承受了圍巖壓力，拱頂處的圍巖壓力最大。隧道圍巖壓力處于平穩(wěn)階段后，仍存在一定的波動，盡管對隧道穩(wěn)定性沒有影響，但隨著掌子面的進尺，圍巖對初期支護的作用處在變化之中，需要進一步的監(jiān)測研究。拱頂、右拱腰、左右最大跨處鋼架應力均已超過其抗壓屈服強度極限，在施工環(huán)節(jié)中要采取加固措施嚴格控制圍巖變形。

(2)通過監(jiān)控量測不但能準確判斷初期支護結構受力情況，還能為二襯施做預測最佳施工時間。在進行初期支護后30 d，圍巖壓力、鋼拱架應力都處于穩(wěn)定狀態(tài)，隧道穩(wěn)定性性良好，可以進行二襯施工。

(3)監(jiān)控量測數據分析顯示，雙豐隧道所采用現行的施工組織設計和支護參數是可行的，雖然第三系砂泥巖施工工序較為復雜，但在很大程度上保證了隧道的安全穩(wěn)定性。

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Tertiary sand shale tunnel monitoring analysis of stress

LIU Pan

(Institute of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070,China)

Monitoring is an important part of the construction of new Austrian method, it can be simple and direct master the deformation of tunnel rock and supporting structure. Based on MUSUI line ShuangFeng tunnel stress monitoring cross section, it principle of force measurement are introduced simply, the content and the analysis of monitoring data deal processing. And it is concluded that the largest place of tertiary sand shale tunnel is the weak link of rock. To strictly control the deformation and primary support reinforcement measures. By monitoring can better adjust the construction method and support parameters, ensure the construction safety, and provide greater reference value for similar project construction.

NATM；monitoring；tertiary sand shale

2015-07-08

劉盼(1990-)，男，甘肅慶陽鎮(zhèn)原人，研究方向：地下工程與隧道。

U455.2

C

1008-3383(2016)02-0098-04