應變膜在盾構隧道施工監測中的應用

何濤

0 引言

地鐵隧道是現代城市中一項重要的基礎設施，因此對其進行施工期的安全性監測也變得必不可少。近年來，人們對隧道結構的安全性監測也進行了較為深入的研究，應用較多的是應變片、光纖、鋼懸絲式傳感器。上述監測手段特別是后兩種傳感器具有精度高、信息豐富、受外界干擾小、耐久性較好等特點。但是，它們共同的不足在于：1)只能實現點監測，不能實現面區域監測;2)價格較昂貴，限制了大規模布點監測。因此，需要一種能夠實現面區域監測、價格相對較低的監測手段和前述監測手段互為補充，提高監測的全面性和可靠性。利用應變膜進行構件變形/開裂就是基于這種要求提出的。

1 應變膜原理

應變膜是柔性導電涂料固化干燥形成的彈性導電膜(涂層)，由于其導電是靠膜內導電顆粒相互接觸形成通路導電。應變膜一旦受到拉伸，導電顆粒間接觸面減小，某些導電顆粒間距一旦大于一定的“閾值”，會形成斷路——電阻突然變為無窮大。所以從整體上看，導電膜電阻隨膜變形而變化敏感(遠高于應變片)，而且其電阻變化率基本和應變保持線性關系。同時，涂膜基體樹脂具有良好的彈性、高的斷裂延伸率(70%～80%)和很好的耐久性，使工程應用成為可能。應變膜導電原理如圖1，圖2所示。

從微觀看導電顆粒在涂膜內分布可以分為A，B，C三種類型導電通路，在初始狀態，A類型：導電顆粒相互接觸面大，導電良好;B類型：導電顆粒剛好相互接觸，形成通路;C類型：導電顆粒不接觸，但是間距小于一定“閾值”，電子可以克服“勢壘”躍遷，形成通路，電阻大。當構件受力，應變膜隨同產生應變，涂膜導電情況發生變化，A類型：導電顆粒相互接觸面適當減小，導電性變化不大;B類型：導電顆粒不接觸，但是間距小于一定“閾值”，電子可以克服“勢壘”躍遷，形成通路，電阻變大;C類型：導電顆粒間距大于接觸“閾值”，不導電，電阻變為無窮大。

因此，從宏觀來看，涂膜整體電阻變化明顯，并且有規律可循。利用這一特性，可將導電涂料直接涂敷在構件表面，由于涂料和混凝土表面附著力強，能夠很好地和構件變形保持一致，準確地反映構件受力變形等情況。在應用中，由于膜電阻會隨著環境溫度、濕度等情況不同，電阻可能會不斷發生變化(可通過設置環境補償片來抵消)，判斷依據不僅靠涂層電阻長期變化情況，而且主要依靠測試某一時段內其電阻變化率進行判斷。

2 工程實例

2.1 工程背景

上海某地鐵工程采用盾構法施工，由于在掘進施工階段，混凝土管片從盾構推進機內脫出的短時間內，所承受的臨時荷載會遠遠超過在正常工作階段的荷載，而且該時間所受的荷載在沿管片周邊分布具有很大不確定性。因此，僅對構件進行點或局部區域進行監測是不夠的，必須對該過程管片整體結構進行監測和預警。同時，管片在螺栓連接過程中，連接部位有可能形成較大的應力集中，使得局部區域出現裂紋，影響整體安全性和防水結構的完整性。因此，也應對該工作過程和部位進行專門的變形開裂情況監測和預警。

為確保襯砌管片在盾構施工過程中的安全性，采用應變膜對襯砌管片在動態階段進行受力和變形監測。通過該監測方案的實施，能夠在工程施工過程中，得到整體結構更加全面、可靠的信息，確保工程的安全性。

2.2 應變膜布置

混凝土襯砌管片在掘進階段在盾構推進機內受力及變形狀況的監控。以混凝土微應變為控制量，采用應變膜在線監測預警系統，對管片脫離盾構復雜受力工況下，管片開裂和整環接縫部局部壓裂給予早期預警及微裂縫部位確定。本次應變膜監測系統共計監測10環斷面，沿管片周邊環狀按每片片材分段布設6片測試片(分別以每片片材為監測對象)，單設1片～2片溫度補償片共用，系統利用1臺16通道應變膜測試儀對施工斷面的環形測試片進行監測。由于應變膜的布設是通過將柔性導電涂料直接涂覆在需要的部位來進行的，涂膜固化干燥需要一定時間。因此，需要提前5 d左右時間對管片進行預先處理。圖3為應變膜測試片沿管片內表面布置示意圖。

2.3 監測數據分析

取管片測試片5的應變膜監測數據如圖4所示。圖4中瞬間減補償變化率表示混凝土管片瞬時的受力狀態變化，累計減補償變化率表示混凝土管片累計的受力狀態變化?？梢钥闯?，管片基本上都是處于受壓狀態，在個別時刻數據出現跳躍性，且每個測試片都是出現在同一時刻，分析可能是由于盾構機工作時所形成的沖擊力造成。由于混凝土管片截面處于受壓狀態，且變化不大，故管片在盾構推進過程中處于安全狀態。

3 結語

應變膜是一種能夠實現面區域監測、價格相對較低的監測手段。和其他監測手段互為補充，能提高監測的全面性和可靠性，可以很好的用于判斷地鐵隧道管片在盾構推進過程中的受力狀態。相比于傳統監測手段，應變膜具有顯著優點。通過本工程實例，對類似的工程具有一定的參考價值。

［1］ 何 濤.地下結構隨機荷載反演與可靠性分析研究［D］.上海：同濟大學博士學位論文，2007.

［2］ 何 濤，趙 鳴，謝 強，等.光纖光柵傳感器用于盾構隧道施工的監測［J］.地下空間與工程學報，2008，4(1)：157-161.