岔道1號雙連拱隧道圍巖壓力及支護應力量測

李博理

0 引言

張石高速公路岔道1號雙連拱隧道起訖樁號:K70+632～K70+820，全長188 m，進出口均采用端墻式洞門，洞內縱坡為:+3.754%，全隧道均處于巖體破碎，圍巖發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性一般，處理不當會出現(xiàn)坍塌，側壁經常小坍塌，并有溶洞存在。雨季時有滴水現(xiàn)象。地質條件差，屬Ⅳ，Ⅴ級圍巖。隧道從兩座山丘間的埡口處通過，一側山勢較高，另一側山勢較低，形成明顯的自然偏壓，隧道采用三導洞超前開挖，施工工序繁多，施工過程中各工序結構內力轉換直接影響隧道的穩(wěn)定。為此，對隧道圍巖壓力及支護應力進行全過程的現(xiàn)場監(jiān)測，并及時反饋到設計施工中去指導施工，并針對受力情況提出了相應的工程措施，確保了快速、優(yōu)質、安全施工。

1 施工監(jiān)測設計

1.1 監(jiān)控量測內容

1)必測項目:a.隧道圍巖變形量測;b.隧道地表下沉變形量測;c.采用錨桿抗拔計進行錨桿抗拔試驗。2)選測項目:a.應力、應變量測;b.中隔墻應力量測。

本文僅對圍巖壓力、噴射混凝土應力、鋼支撐應力、二襯混凝土應力進行介紹和量測數(shù)據(jù)分析。

1.2 監(jiān)控量測目的

1)圍巖壓力量測的目的:了解隧道開挖后圍巖壓力沿洞室周邊分布規(guī)律，圍巖應力重分布的時間效應與空間效應，判斷圍巖的穩(wěn)定性，以及圍巖壓力與支護的相互作用關系。2)噴射混凝土應力量測目的:了解噴層的變形特性以及噴層的應力狀態(tài)，掌握噴層所受應力的大小，判斷噴射混凝土層的穩(wěn)定狀況。3)鋼支撐應力量測目的:根據(jù)鋼支撐的受力狀態(tài)，為判斷隧道洞室的穩(wěn)定性提供可靠的信息;了解鋼支撐的工作狀態(tài)，評價鋼支撐與噴層對圍巖的組合支護效果，判明初期支護的安全性和可靠性;了解鋼支撐受力的大小，為鋼支撐選型設計提供依據(jù)。4)對二襯進行內力量測的目的在于:了解二襯的受力;判斷支護結構長期使用的可靠性以及安全程度;檢驗二襯設計的合理性，積累資料為檢驗類比提供依據(jù)。

1.3 監(jiān)控量測儀器及布置

1.3.1 監(jiān)控量測儀器

1)岔道1號隧道圍巖壓力量測所采用的儀器為丹東市三達測試儀器廠生產的GYH-1型雙膜土壓力計，其為活塞式雙膜結構，工作面受力變形特征是平面位移，對不同性質和粒徑的介質有良好的適應性。適用于邊界土壓力的測定，也可用于凍土凍脹力和剛性單體壓力的測定，可以確保量測數(shù)據(jù)的精度。

2)岔道1號隧道支護應力量測所采用的儀器為丹東市三達測試儀器廠生產的GHB-3型應變計和GJL-3型鋼筋應力計。根據(jù)量測的頻率應用相應的公式將其轉化成應力，以判斷襯砌受力的大小。

1.3.2 監(jiān)測儀器的布置

量測儀器的布置，以壓力計布置為例，如圖1所示為DK70+676斷面的壓力計布置圖(A～H分別為布置于隧道各關鍵部位的壓力計)。

壓力計的安裝:由于圍巖與壓力計之間沒有固定點，在施工現(xiàn)場采用在每個壓力計周邊位置利用電錘打設3個膨脹螺栓，其中1個在壓力計頂部，2個在壓力計下部，并利用細鐵絲將壓力計綁扎在膨脹螺栓上。此方法能保證壓力計與圍巖的密切結合，并保證在噴射混凝土時，不會對壓力計產生不利影響。

應力計或應變計的安裝方法主要采用現(xiàn)場焊接鋼筋段于鋼架或鋼筋網上，然后將其綁扎在焊接處的鋼筋段部。

2 量測數(shù)據(jù)處理與分析

圖2，圖3分別為DK70+676斷面左右洞初期支護與圍巖之間的接觸應力、初噴混凝土內應力狀態(tài)圖。

1)從圖2圍巖壓力狀態(tài)來看，左洞拱頂最大壓力達到57.54 kPa，是右拱頂壓力的3.4倍多，其次右洞右邊墻壓力較大，這是由于偏壓作用下襯砌結構有向右運動趨勢所致。

2)從圖3初噴混凝土內應力狀態(tài)來看，與圍巖壓力的分布狀態(tài)基本一致，左洞拱頂和右洞的左拱腰部位分別達到了5.96 MPa和2.41 MPa，遠小于噴射混凝土的極限抗壓強度，其他部位相對更小，偏壓特征比較明顯。

圖4，圖5分別為DK70+676斷面左右洞初期支護與二次襯砌之間的接觸應力、二次襯砌混凝土內應力狀態(tài)圖。

3)從層間接觸應力來看，表現(xiàn)出了與圍巖對初期支護壓力相同的分布形態(tài)，整個左洞二次襯砌受到的壓力均比較大，拱頂最大達到83.41 kPa，左拱腰及邊墻亦比較大，分別達到76.83 kPa，72.38 kPa，一般來說，二次襯砌作為支護儲備，是在初期支護下圍巖變形基本收斂條件下施作，因此其受到的圍巖壓力應該比較小，但在岔道1號隧道的進口，由于圍巖極差，且又是連拱隧道，又存在偏壓，為了穩(wěn)定整個隧道洞口，二次襯砌是在初期支護下圍巖尚沒有收斂情況下施作的，故此尚沒有穩(wěn)定的圍巖變形通過初期支護傳遞到了二次襯砌上導致二次襯砌受力較大。從該接觸應力隨時間的變化趨勢來看，基本上穩(wěn)定，通過驗算，該接觸壓力不會導致二次襯砌的屈服破壞。而雙連拱隧道右洞相對左洞接觸壓力較小，只是在右洞邊墻處接觸壓力較右洞其他部位的值大，達到了65.43 kPa。

4)從二次襯砌混凝土內應力分布來看，左洞混凝土內應力相對較大，與二次襯砌受到的圍巖壓力相對應，但絕對值較二次襯砌混凝土設計的軸心抗壓和抗彎強度均小，也說明二次襯砌混凝土不會受壓屈服破壞。

3 結語

通過隧道監(jiān)控量測，搞清了岔道1號雙連拱隧道圍巖壓力、初支和二襯應力以及襯砌間接觸應力的分布規(guī)律，探討了在地形偏壓情況下隧道施工對隧道應力的影響。為評價和修改初期支護參數(shù)、力學分析及二次襯砌施作時間提供了信息依據(jù)。通過信息反饋及預測預報優(yōu)化了施工組織設計，指導現(xiàn)場施工，確保隧道施工的安全，并為其他類似工程項目提供了第一手信息，提高了淺埋偏壓雙連拱隧道的修建水平，為今后的設計提供了類比依據(jù)。

[1] 李德宏.連拱隧道施工監(jiān)測與分析[J].現(xiàn)代隧道技術，2003，40(1):54-59.

[2] 王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社，1987.

[3] 王建宇.隧道工程監(jiān)測和信息化設計原理[M].北京:鐵道出版社，1990.

[4] 夏才初，李永盛.地下工程測試理論與監(jiān)測技術[M].上海:同濟大學出版社，1999.

[5] 周玉宏，趙燕明，程崇國.偏壓連拱隧道施工過程的優(yōu)化研究[J].巖石力學與工程學報，2002，21(5):679-683.

[6] 劉鶴冰.廣惠高速公路小金口雙連拱隧道監(jiān)測及有限元數(shù)值分析[D].成都:西南交通大學土木工程學院，2004.