1、隧道围岩压力的监测与分析隧道围岩压力的监测与分析1.监控量测的重要性 自从奥地利的拉布西维兹(V.Rabcewicz)于1948年提出新奥法以来，新奥法已在我国各山岭公路隧道中得到了广泛应用。众所周知，监控量测作为新奥法的三要素之一，对于隧道施工安全和施工过程控制都起着至关重要的作用。浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法，继1984年王梦恕院士在军都山隧道黄土段试验成功的基础上，又于1986年在具有开拓性，风险性，复杂性的北京复兴门地铁折返线工程中应用，在拆迁少、不扰民、不破坏环境的条件下获得成功。之后，又经过工程实践，提出了“管超前，严注浆、短进尺、强支护、
2、早封闭、勤量测”的“18字方针”，突出时空效应对防塌的重要作用，提出在软弱地层快速施工的理念，由此形成了浅埋暗挖法。监控量测工作也在这一工法中起到了很大的作用。盾构法是用盾构在软质地基或破碎岩层中掘进隧洞的施工方法。对于庞大的盾构机，其中顶推力，泥浆压力，盾尾注浆压力，衬砌沉降等均需要进行监控量测。由此可以看出，目前无论是在山岭隧道还是在城市地铁的修建中，监控量测已经是施工中一项重要，不可缺少的工作。 2.监控量测的目的 监控量测的目的主要有三种，包括优化施工顺序、施工安全和科学研究。通常在隧道施工过程中，相关四方包括建设方、设计方、施工方和监理方最关心的就是隧道施工安全，而优化施工顺序也是必
3、不可少的，如果需要为相似工程提供更多的经验和数据，以进一步指导隧道设计和施工，则需进一步进行相关的科学研究。本文主要以山岭隧道的监控量测为主来介绍监控量测的目的。 2.1 优化施工顺序 如果单从优化施工顺序来说，我们最关心的是隧道围岩变形的情况。所以从这个角度出发，监测项目中的变形监测项目是需要重点选择的。从施工经验出发，一般选用的监测项目是周边收敛和拱顶下沉，可以说这两个项目在一般隧道监测中都是必不可少的。因为根据公路隧道施工技术规范(JTJ042-94)规定2，判定围岩变形是否稳定主要靠这两项数据，通过其决定下一步采取何种施工方案。如规范规定:?当位移-时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支
4、护已呈不稳定状态，此时应密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂停开挖。?二次衬砌的施工应满足周边收敛速率小于0.10.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.070.15mm/d。 通过以上分析表明，只要有通过围岩位移的测量就可以判定下一步所采取的施工措施了，从优化施工顺序角度出发，通常选择周边收敛和拱顶下沉就可以满足要求了，如果是隧道浅埋处则还需增加地表下沉量测项目，如洞口位置。 2.2 施工安全 1 施工安全目前在所有工程项目施工中已经提高到了非常高的高度，各单位都非常关心这一问题，所以这也是为什么目前大多建设方都单独对隧道监测进行招标，可见对其重视程度。从施工安全角度出发，变形方面的监测当然是
5、必不可少的，也是判断围岩是否安全稳定的重要依据。除此之外，出于安全考虑还应对关键部位进行相应的应力量测，综合判断围岩的稳定性。以上分析表明了从施工安全考虑，初次衬砌内的混凝土内应力量测也是非常必要的，所以在选择周边收敛和拱顶下沉量测项目上，根据需要通常还要增加初衬混凝土内应力量测项目。 2.3 科学研究 如果从科学研究需要，则需要根据研究的要求，尽可能多选择关于变形和应力方面的相关测试，除周边收敛、拱顶下沉、地表下沉和初衬混凝土内应力量测外，通常还需要增加以下一些监测项目:围岩内部位移、锚杆内力、二次衬砌内应力、围岩压力及层间支护压力、型钢支撑应力量测等项目。通过以上这些监测项目的实施，然后结
6、合数值模拟分析等手段，可以在类似工程条件下对隧道设计和施工方案进行优化，包括开挖方式的选择、支护结构及强度的选择等，有利于进一步优化设计和施工组织方案，从而保证隧道建设投资的经济性、设计的可靠性及施工的安全性。 3. 振弦式压力盒 对于重要的工程实践,往往开展了大量的原型监测工作。监测的物理量可以是原因量(如荷载等),也可以是响应量(如应力、应变等)。但无论是应力、应变,还是渗透压力或温度等,它们都是非电量型物理量,其测值无法直接通过电缆传输。为了减小开挖对岩土体边值问题的影响,测试期间被测部位是无法被人直接接触的,要求将非电量被测物理量转换为可通过电缆长距离传输的电信号,如电压等。为此,在岩
7、土体和结构内部监测中,需采用传感器(如电阻应变片、振弦式压力盒等)测试技术。传感器的作用是将非电量的应力、应变等转换为电信号。同一类传感器,可根据被测介质和被测物理量的特点而制成不同的结构形式,如振弦式压力盒、钢筋计、渗压计等。在大坝、桥梁、深基坑等大型工程项目中,为了查清应力及其分布,常采用振弦式压力盒测试技术。 3.1 振弦式压力盒的测试原理 如前所述, 传感器的作用在于实现非电量与电量之间的转换。为了使这种转换关系简单、明确、真实。传感器多被设置于边界条件简单的结构内。为此，压力盒采用了扁平圆形盒状金属结构。为了避免恶劣工作环境对压力盒转换关系的影响。要求压力盒具有一定的强度和刚度。为此
8、，压力盒的外壳通常采用钢质,并制作成封闭结构。压力盒的传感元件(承载板或称弹性膜)为支承(固定)于钢筒上的圆形钢板,它具有明确而简单的受力条件,其截面如图1。当承载板承受法向推力p时,即产生弯曲变形,固定于承压板上的立柱(如图1中的A、B)随之产生转动。显然,绷紧于两根立柱之间的钢弦所受的张力T也相应产生变化(理论分析表明,对于同一个压力盒,在弹性变形阶段,T与p的关系是唯一的)。该钢弦即为振弦式压力盒的敏感元件。为了测定钢弦张力T的变化,需在钢弦的下方设置激振线圈,如果给线圈施加一个脉冲电压信号,线圈产生的磁场将使钢弦作正弦振动,从而使自振钢弦与线圈之间的间隙发生周期性的变化,线圈回路的磁阻
9、抗也相应产生周期性变化,线圈感应出的磁阻的变化频率即为钢弦的自振频率。 理论分析表明,钢弦的自振频率取决于钢弦所承受的张力。据此,可通过钢弦张力的变化建立被测介质压力p与钢弦自振频率之间的关系。 图 1 压力盒结构及测试原理示意图 由理论推导可得，压力p与振频f之间的关系为 22p,K(f,f) 公式 1 02,256l,DK,22 公式 2 Eb(L,l)式中:p为作用于承载板上的均布荷载(MPa),f为压力盒在外力p作用下钢弦的频率,f为钢0弦初始频率，l为钢弦长度(mm),L为承载板直径(mm),b为立柱的高度(mm)，为弦的线密度,D32为承载板的弯曲刚度,D=E*t/12(l-),E
10、为承载板弹性模量(MPa),为承载板泊松比,t为承载板厚度(mm)。 3.2 影响压力盒测值的因素分析 影响压力盒应力测值的主要因素有以下几个方面。 3.2.1 被测介质刚度的影响 由于压力盒率定时,建立的是油压与钢弦频率之间的关系,当被测介质刚度较小时,介质不制约承载板的变形响应,这时承载板的受力条件与油压率定时的受力条件比较一致,实际应力能全部被压力盒感应,故实测应力与实际应力的差值较小,其精度一般能满足工程要求。但当被测介质刚度较大时,由于介质具有较大的自承载能力,变形量小,制约了承载板的变形响应,故其应力无法被压力盒的敏感元件全部感应。从静力平衡角度分析,相当一部分压应力将由压力盒侧壁
11、承担,从而使承载板的变形偏小,故实测应力小于实际应力。随着被测介质刚度的增大, 实测应力偏小的现象将加剧。 3.2.2 被测介质厚度的影响 被测介质刚度对实测应力的影响与被测介质厚度有关,当厚度较小时,被测介质刚度的影,可不予考虑;随着厚度的增大,被测介质刚度的影响突显,实测应力与实际应力的差值响很小迅速增大。但当厚度大于某一数值后,被测介质厚度的影响趋于稳定,实测应力与实际应力的差值不再随厚度的变化而改变,本文称该厚度为迟钝厚度h0。 3.2.3 压力盒结构尺寸的影响 为适应恶劣的工作环境, 压力盒采用钢结构。为保证压力盒性能稳定,其整体强度和刚度需满足一定要求,故其侧壁均较厚,且压力盒量程
12、越大,厚度越大,显然实测应力偏小越多。由于被测介质的应力需通过承载板传递给钢弦,因此压力盒承载板的直径也对实测值产生影响。直径越大,钢弦对承载板的变形越敏感,所得出的实测值越接近于实际应力。然而受埋设条件的限制,压力盒的直径一般仅为10 20 cm。 3.2.4 压力盒埋设状态的影响 压力盒埋设是监测工作中最重要的一个环节,其对测值的影响主要表现在埋设状态的正确、准确与否以及泌水层形成的空隙,它所造成的实测值偏差属人为误差,可通过严格执行埋设规程而加以消除。 3.3 压力盒的埋设方法 根据工程实际情况，可以采用不同的方法布设压力盒。下面以几个工程实例介绍不同的布设方法.贵广铁路棋盘山隧道和牛王
13、盖隧道在布设时，先采用电动打磨机对测点处初支表面进行打磨，然后在打磨处垫一层无纺布，最后采用射钉枪将压力盒固定在初支表面,如图2所示。 兰渝铁路胡麻岭隧道在布设时，先用锤子将测点处初期支护表面锤击平整，再用水泥砂浆抹平，待水泥砂浆达到一定强度后(约4 h)，用钻机在所需位置钻孔并将14 mm 钢筋固定在钻孔中，最后用铁丝将压力盒绑扎在钻孔钢筋上,如图3所示。京沪高铁金牛山隧道布设时，直接将压力盒绑扎在二衬钢筋上，由于此时压力盒紧贴防水板，可以认为压力盒测量数值能够近似反应初支、二衬间的接触压力。 上述3种布设压力盒的方法都可以很好地实现对初支、二衬间接触压力的量测，相对而言第一种方法安装时间最
14、短，能够保证压力盒与隧道初支密贴，防止局部应力集中，确保测得初支、二衬间接触压力的准确性。因此在有条件的情况下，推荐采用第一种压力盒布设方法。 图 2 贵广铁路隧道工点布置图 图 3兰渝铁路胡麻岭隧道工点布置图 4. 监测结构分析 4.1 初支与二衬间应力监测结果及分析 刘学增等基于大量公路隧道围岩压力监测数据，分析了垂直围岩压力与隧道开挖跨度、埋深、围岩级别的关系，并和深浅埋隧道法、普氏系数法计算得到的围岩压力进行了对比分析，得到了实测垂直围岩压力值与规范计算值之间的关系，得出下面一些围岩压力的分布规律。 (1)随着埋深的增大，实测围岩压力普遍增加;在相同围岩级别条件下，荷载等效高度随着隧道
15、开挖跨度的增加而增加;经过宽度均一化的围岩压力值随围岩级别的增加而逐渐增大。 (2)通过对实测值与计算值的比值的统计分析，实测值与深浅埋法计算值的均值为0.38，实测值与普氏法计算值的均值为0.7，采用深浅埋隧道法计算荷载进行隧道衬砌结构设计时的安全系数提高了2.63倍;采用普氏法计算荷载进行结构设计时安全系数提高了1.43倍。 (3)实测侧压力随着围岩级别及埋深的增加缓慢增长;侧压力系数隧道围岩级别线性增加，?,?级围岩条件下，实测侧压力系数均值分别为0.19，0.32，0.45，0.58，相对规范值偏大。 (4)初期支护与围岩之间接触压力一般分布不均匀，两侧不对称，较造成初支中应力的集中，
16、需要在设计中予以考虑。 4.2 初支与二衬间接触压力监测结果与分析 房倩等依托贵广、兰渝、京沪铁路多个典型高速铁路隧道工程，对不同级别围岩条件下初支、二衬间的接触压力进行现场监测，分析监测结果得出以下一些结论。 (1)初支、二衬之间的接触压力随时间的变化表现为:先增大后减小再缓慢增加并逐渐趋于稳定。拆模时，初支、二衬间接触压力最大，在该时刻二衬结构受力最不安全。为了保证二衬安全，一方面要尽量缓拆模，保证二衬所受模板台车的“支反力”是逐渐降低的，另一方面必须保证拆模时二衬混凝土的强度，还有拆模后必须对二衬混凝土进行及时、有效地养护。隧道拱底的应力变化较复杂，整体上呈现逐渐减小的趋势。 (2) 虽
17、然4 座隧道围岩级别不同，但是由于二次衬砌均在初期支护变形稳定后施作，初支、二衬间接触压力大致在相同的水平上;而且不同级别围岩条件下，二衬结构的平均安全系数大致相仿，这也反映了围岩级别的差异对二衬结构的整体应力水平并无太大的影响。 (3) 规范中采用松散体高度计算得到的二衬荷载与实测荷载是不同的，二次衬砌所受的荷载实际上是初期支护传递过来的围岩形变压力，而不是传统意义上围岩塌方产生的松动压力。初支、二衬间接触压力离散性较大，二次衬砌所受外力与铁路隧道设计时常采用矩形荷载、梯形荷载以及马鞍形荷载等都有较大区别。 (4) 通过分析不同级别围岩条件下实测荷载作用下二次衬砌的安全性可知，二次衬砌在初期
18、支护变形稳定后施作，二衬安全性均满足要求。通过支护时机、支护措施以及必要时辅助工法的施作可以实现初期支护和围岩承受全部荷载，二次衬砌作为安全储备。 (5) 棋盘山隧道、牛王盖隧道、胡麻岭隧道所测拱顶处接触压力均较小(由于压力盒布设方式的不同，金牛山隧道所测拱顶压力普遍较大)，这是因为拱顶处模筑的二衬混凝土通常不密实、灌注不满、不易振捣、易收缩，从而在初支和二衬之间形成月牙型收缩缝，造成二衬混凝土与压力盒无法紧密接触。这也使得二衬拱顶位置处于不利的两向应力状态，因此应该在拱顶预留注浆孔，在后期对月牙型收缩缝进行注浆填充，从而保证初支、二衬的密贴，使得结构受力均匀，提高二衬结构的安全性。 对于初支与二衬之间的接触压力，刘学增等的监测数据显示出不同的规律。他们得到的数据显示，?,?级围岩二衬围岩压力荷载分担比分别为4.5%，13.5%，51.2%，78.5%。 其实二者并不矛盾，其监测的规律的区别来源于二衬施作的时机的不同。按照新奥法的原理，需等初支变形稳定后在施作二衬，此时二衬仅为安全储备，这就需要初支具有足够的强度。若在软岩大变形的地层中，或是在对地表沉降极度敏感的城市中修筑地铁时就需要及时施作二衬以阻止地层的变形。
