交叉隧道施工應(yīng)力監(jiān)測與分析
2015-06-23
1 引 言
現(xiàn)場監(jiān)控量測是以現(xiàn)場施工監(jiān)測所獲得的圍巖和支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)的變化為依據(jù), 對(duì)現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行及時(shí)的處理, 以作為初期支護(hù)和二次襯砌的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù), 在整個(gè)隧道施工過程中起到了極其重要的作用[2]。使隧道施工更安全、更經(jīng)濟(jì), 而其經(jīng)濟(jì)性與安全性就是通過現(xiàn)場監(jiān)控量測所獲得的圍巖、支護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)變和應(yīng)力信息及時(shí)反饋應(yīng)用于隧道設(shè)計(jì)和施工中來實(shí)現(xiàn)的。因此, 快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測和信息反饋在隧道施工全程中是至關(guān)重要的。
2 工程概況
新城子隧道地貌上位于西秦嶺高中山區(qū)，山高溝深，山坡、谷坡較陡，隧道洞身通過的地層主要為下第三系礫巖夾砂巖夾泥巖及三疊系中統(tǒng)板巖夾砂巖夾灰?guī)r及斷層角礫和碎裂巖。斜坡及坡頂覆蓋有第四系全新統(tǒng)坡積細(xì)角礫土和上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土。工點(diǎn)處的大地構(gòu)造屬于青藏歹字形構(gòu)造體系，受構(gòu)造作用影響，褶皺斷裂發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜。工點(diǎn)范圍內(nèi)受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用影響，發(fā)育有斷層、褶皺、巖層角度不整合接觸帶及節(jié)理密集帶，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。
隧道出口段受車站站線進(jìn)洞的影響,設(shè)計(jì)為喇叭口隧道，其中7775米為雙線斷面， 30米為雙連拱斷面， 902米為單線斷面， 457米為雙線車站隧道斷面。
3 現(xiàn)場監(jiān)測
新城子采用三臺(tái)階七步開挖法施工，超前支護(hù)φ42小導(dǎo)管預(yù)注漿，長3.5m，環(huán)向間距0.4m；初期支護(hù)C25混凝土，噴射厚度30cm；φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20cm×20cm；全環(huán)設(shè)工22b型鋼鋼架，間距0.6m；襯砌鋼筋環(huán)向采用Φ22@20cm，縱向采用Φ14@20cm。
3.1監(jiān)測的目的和意義
新城子隧道出口段受宕昌車站站線進(jìn)洞的影響,設(shè)計(jì)為喇叭口隧道，受高地應(yīng)力、地下水及構(gòu)造的影響，現(xiàn)場施工中大變形、噴混凝土開裂，鋼架扭曲錯(cuò)斷、侵限破壞等問題十分嚴(yán)重。為了及時(shí)分析掌握結(jié)構(gòu)的安全性，本著試驗(yàn)先行的原則，對(duì)該隧道喇叭口段均設(shè)置了試驗(yàn)段，通過試驗(yàn)分析研究對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性狀況做出評(píng)估，指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，為隧道的運(yùn)營維護(hù)及同類隧道設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)。
3.2監(jiān)測項(xiàng)目
根據(jù)蘭渝公司要求，結(jié)合新城子隧道喇叭口平面布置情況以及現(xiàn)場施工情況，并根據(jù)新城子隧道的施工設(shè)計(jì)方案及特殊地質(zhì)狀況，對(duì)新城子隧道單線段（DyK276+343～DyK276+283）進(jìn)行施工試驗(yàn)。試驗(yàn)段共三個(gè)斷面，每斷面相距20米，主要進(jìn)行應(yīng)力項(xiàng)目的監(jiān)測，在應(yīng)力監(jiān)測方面開展的項(xiàng)目有：圍巖壓力、襯砌接觸壓力、襯砌鋼筋應(yīng)力及錨桿軸力共4個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目，要求監(jiān)測元件能滿足自動(dòng)化監(jiān)控。這里選取一個(gè)斷面（DK276+335）進(jìn)行整理分析。
3.3測點(diǎn)布置
此監(jiān)測項(xiàng)目所用元件計(jì)主要有壓力盒、鋼筋計(jì)等。
其中，針對(duì)A、B、C三項(xiàng)測試，測試部位按每斷面8點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置：8點(diǎn)測分別為拱頂、左右拱腰、左右墻中（最大跨處）、左右墻腳和仰拱處。隧道測點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。
3.4測量頻率
根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程TB10121－2007/J721－2007》和類似工程經(jīng)驗(yàn)以及落實(shí)蘭渝公司要求，結(jié)合蘭渝鐵路新城子隧道的特點(diǎn)，其監(jiān)測頻率按如下進(jìn)行。
埋設(shè)初期1～2次/天，1周后1次/天，1個(gè)月后2～3次/周，3個(gè)月后1次/周。監(jiān)測頻率及時(shí)間根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場工程進(jìn)展及時(shí)調(diào)整。
4監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
現(xiàn)場監(jiān)控量測人員按規(guī)范和監(jiān)控量測大綱規(guī)定的頻率堅(jiān)持每天到洞內(nèi)采集數(shù)據(jù)并整理分析，如發(fā)現(xiàn)量測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化或圍巖地質(zhì)情況變差，則及時(shí)分析引起變化的原因并通知有關(guān)各方，使問題得到及時(shí)處理，并適時(shí)在規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上調(diào)整量測頻率[1] 。
4.1圍巖壓力與接觸壓力
壓力監(jiān)測通常是指圍巖與初期支護(hù)或初期支護(hù)與二襯之間的接觸壓力測試。其目的是：了解圍巖壓力的量值及分布狀態(tài)；判斷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，分析二次襯砌的穩(wěn)定性和安全度[3]。
當(dāng)監(jiān)測圍巖施加給噴砼層的徑向壓力時(shí)，先用水泥砂漿、釘子、鐵絲把壓力盒固定在巖面上，再謹(jǐn)慎施作噴砼層，不要使噴砼與壓力盒之間有間隙，保證圍巖與壓力盒受壓面貼緊，安裝完畢之后按規(guī)范或大綱要求頻率進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測初期支護(hù)與二次襯砌之間的接觸壓力時(shí)，先用水泥砂漿將固定點(diǎn)找平，然后將壓力盒用水泥釘和鐵絲固定在噴砼表面，不要使噴砼與壓力盒之間有間隙，保證噴砼與壓力盒受壓面貼緊。
對(duì)監(jiān)測斷面的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，所測圍巖壓力數(shù)據(jù)繪制成的壓力分布圖如圖4所示。通過對(duì)圍巖壓力現(xiàn)場觀測值進(jìn)行分析， 可以得出以下結(jié)論：
壓力盒安裝初期各測點(diǎn)普遍有波動(dòng)，主要是由于開挖斷面距離監(jiān)控?cái)嗝婢嚯x較近，對(duì)圍巖的擾動(dòng)大所致；隨著掌子面距離觀測斷面距離變大，對(duì)觀測斷面的影響變小，之后圍巖應(yīng)力緩慢增加；二襯施工完成，出現(xiàn)少許增加，原因分析為二襯起到了支護(hù)作用所致。右拱腰處圍巖壓力在安裝后50天左右出現(xiàn)大的增加，分析原因?yàn)樽缶€隧道開挖所致。二襯施工完成后，壓力基本趨穩(wěn)。
對(duì)監(jiān)測斷面的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，所測接觸壓力數(shù)據(jù)繪制成的應(yīng)力分布圖分別如圖5所示。通過對(duì)現(xiàn)場觀測值進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：
壓力盒安裝初期各測點(diǎn)普遍有小的波動(dòng)，并且壓力值增加較快：隨著掌子面距離觀測斷面距離變大，對(duì)觀測斷面的影響變小，之后圍巖應(yīng)力緩慢增加：二襯施工完成一個(gè)月后，壓力基本趨于穩(wěn)定。
綜合圍巖壓力和接觸壓力分析，可知右側(cè)的圍巖壓力和初支-二襯間壓力普遍大于左側(cè)，呈現(xiàn)明顯不對(duì)稱的情況，主要是受偏壓作用的影響；最大圍壓出現(xiàn)在右最大跨度處，且右側(cè)最大跨度以上圍壓增大迅速，圍壓值也非常大，反映出側(cè)向壓力很大，應(yīng)予以高度重視。
4.2二襯鋼筋應(yīng)力
隧道二次襯砌鋼筋應(yīng)力的量測是將二襯鋼筋截取相應(yīng)長度后，直接把鋼筋應(yīng)力計(jì)與其焊接[4]。在二襯混凝土澆注后按規(guī)范或大綱要求頻率進(jìn)行監(jiān)測。
對(duì)監(jiān)測斷面的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，所測二襯鋼筋軸力數(shù)據(jù)繪制成的應(yīng)力分布圖。
通過對(duì)現(xiàn)場觀測值進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：
外層鋼筋均受壓，內(nèi)層鋼筋除拱頂和右墻中之外，均受壓。
拱頂和右墻中內(nèi)層鋼筋拉力較大。尤其是拱頂內(nèi)層鋼筋，第25天內(nèi)就已經(jīng)達(dá)到了50kN，但外層鋼筋表現(xiàn)為受壓只達(dá)到7KN，從第25天開始基本維持穩(wěn)定，鋼筋軸力波動(dòng)不大，分析可能是個(gè)施工環(huán)節(jié)完畢和混凝土剛度完全形成造成的。
該斷面二襯鋼筋受力均比較小，除了拱頂和右墻中之外，最大值不超過20KN。所有監(jiān)測部位在30多天之后變化比較平穩(wěn)，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，受后續(xù)施工影響較小
總體來說二襯鋼筋軸力都不是很大，說明初期支護(hù)結(jié)構(gòu)很好的承擔(dān)了圍巖的壓力，支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。
5 結(jié)論
通過對(duì)新城子隧道施工監(jiān)測可以得出以下結(jié)論：
（1）接觸壓力除受二襯混凝土收縮徐變及自重等因素的影響之外，更重要的與圍巖穩(wěn)定程度、支護(hù)剛度、施工工藝、施工工序、距掌子面的距離等因素有關(guān)。由兩層支護(hù)之間的接觸壓力監(jiān)測結(jié)果可以看出，接觸壓力值較小，初期支護(hù)各項(xiàng)參數(shù)基本合理。完全發(fā)揮了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)較線，考慮到右側(cè)壓力比大壓力，二襯作為安全儲(chǔ)備的作用。
?。?）通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析，得到該監(jiān)測斷面存在偏壓，右側(cè)壓力比左側(cè)大。監(jiān)獄該監(jiān)測斷面為線路右線，考慮到右側(cè)壓力比左側(cè)大，建議線路左線掌子面可以適當(dāng)拖后開挖，這在一定程度上可釋放掉一部分偏壓力，對(duì)左線隧道襯砌受力有利，對(duì)該隧道的設(shè)計(jì)和施工給出了建議、做出了指導(dǎo)，給出了建設(shè)性意見。
?。?）通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析，大概掌握了此類圍巖變形的初步發(fā)展規(guī)律和分布特征。而且通過現(xiàn)場監(jiān)測可以準(zhǔn)確及時(shí)地判斷施工中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并及時(shí)反饋施工設(shè)計(jì)，避免塌方事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了安全快速施工、降低風(fēng)險(xiǎn)的目的。
