某隧道支護應力監測及二襯裂縫處理分析

【摘 要】以砼表面應變計監測噴射砼表面應變為手段，對某隧道開展初支應力、二襯應力監測，獲得各監測點的應力時間曲線圖。通過對砼表面裂縫采用高強度粘結劑加固，其圍巖拱頂壓應力值降為原二襯應力值的40%，表面再鋪以碳纖維加固，拱頂壓應力再降25%，監測分析可得支護承載能力有較大提高，應力場最終趨于穩定。

【關鍵詞】應力監測；裂縫；支護施工；壓應力

0.引言

監測初期支護噴射混凝土表面應變，掌握隧道開挖過程中，時空效應對監測點噴射混凝土受力的影響。對施工力學的研究有著重要的作用，并能為施工過程中初期支護的安全性可靠性提供判斷依據。結合某隧道支護施工應力監測，分析監測斷面初期支護應力時間曲線和二襯應力時間曲線圖，確定圍巖變化情況、支護結構的受力狀況以及它們之間的相互作用情況，建立對圍巖支護全過程的穩定性分析，判斷隧道支護施工方法的合理性，指導安全施工。

1.工程概況

該隧道洞身橫穿舌狀丘陵的鞍部，舌狀丘陵兩側地形起伏較大。隧道左洞最大埋深73.7m，位于ZK106+160處；隧道右洞最大埋深77.3m，位于YK106+160處。山體自然坡度30°～40°，地形起伏較大，地面高程變化在503.7～547.3m之間。設計為雙洞單向交通隧道，左線隧道起訖樁號為ZK106+940～ZK107+410，全長470m；右線隧道起訖樁號為YK106+885～YK107+395，全長510m。隧道左洞采用2.8%單向下坡，右洞采用3%單向下坡。隧道主要由卵石土、碎石土等堆積體組成，為Ⅴ級圍巖隧道，地下水及其豐富，洞頂靜水壓力達36m高，隧道土體在遇水后呈軟塑狀，自穩能力差，施工中多次出現初期支護沉降、變形現象，造成初期支護開裂和拱架侵限等情況，且左洞存在嚴重偏壓。

2.應力監測及結果分析

2.1 監測工作布置

為準確監測預期支護效果，應力監測主要分析初支應力、二襯應力監測成果。初支噴射混凝土應力監測，是初期支護的主要組成部分，在隧道施工作有著極為廣泛的應用。在每個噴射混凝土量測斷面布置3～5個測點，每個測點布設1個噴射混凝土表面應變計，二次襯砌應力監測，每個代表性的地段布置一個量測斷面，每個量測斷面布設3～5個測點。采用混凝土表面應變計，每個測點內外側各布置1個應變計。

2.2初支監控成果分析

ZK107+295監測斷面，拱頂壓應力較大，左、右拱腰和拱肩監測點壓應力相差不大，曲線之間近似平行，受力較為均衡。在監測時間16d后，曲線明顯出現拐點，斜率降低，趨于水平，應力值保持在0.7MPa～0.8MPa之間。分析認為：隨著隧道開挖初期，各監測點壓應力增長明顯加快，16d以后圍巖受力趨于穩定，表明圍巖與混凝土初襯間粘接緊密，初期支護達到了較好的穩定效果。

YK160+950監測斷面，右拱肩處的壓應力最大，左拱腰處在監測初期出現較大的拉應力，最大值達-6MPa，分析認為：該截面右邊圍巖明顯偏壓，應力場發生明顯變化，由于初期支護的進行，拉應力有所降低，但左、右拱腰處均保持均受拉，而左右拱肩、拱頂均保持受壓之勢，該截面最不穩定，變形大，且出現6mm左右的裂縫，小于安全系數，應及時跟進二襯支護，以穩定應力量值，控制初支變形。

2.3二襯應力監控成果分析

ZK107+295二襯應力監測斷面中大部分監測點應力值較小，且分布均勻。右拱腳、右拱腰內側的壓力值明顯大于其它各點的壓力值。分析認為：右側內側的壓力凸顯，是由于隧道整個右側收到巖層的偏壓，在二襯支護內側表面出現局部應力集中，并根據現場巡查，發現確實在該段右側截面出現了少許細微裂縫，但該應力集中并不影響圍巖的穩定性。

ZK106+950二襯應力監測斷面中未出現初期支護中的拉應力，左拱腰和右拱腰處已處于壓應力狀態，在二襯支護監測初期，壓力值趨于穩定值的75%以上，基本未出現初期支護受偏壓情況的發生。表明圍巖受力變形較穩定時間為一個月左右，隨著二襯支護的完工和開挖面的延伸，其應力變化值較小，圍巖從欠穩定狀態逐漸轉為穩定，由此可得二襯支護為圍巖穩定儲備了一定的安全性。但拱頂與左拱腰處監測數值與其它監測點差值較大，圍巖受力并未完全平衡，由于二襯支護中裂縫的出現，其圍巖二襯承載力有所削弱，但處于可控狀態。

3.二襯裂縫處理分析

根據在ZK106+950處二襯應力監測中，得到圍巖因二襯支護裂縫的出現，其應力平衡得到了較大削弱，拱頂壓應力為6.5MPa，與平均壓應力之間相差4MPa，支護承載力降低。左洞襯砌混凝土中出現了5道不同寬度的縱向裂縫，在后續施工中，裂縫不斷向前發展，直至ZK107+030位置，根據現場施工情況，在該處設置了施工縫，并進行了注漿加固處理，裂縫最終在該處停止向前發育，裂縫總長達至80m。由于左洞受到外部堆積體的嚴重偏壓，裂縫寬度一直在不斷加大，通過對洞內設置壓力注漿錨桿、偏壓位置設置樹根樁、地表采取深孔壓漿等措施，裂縫寬度得到了有效的抑制，最終裂縫寬度為6.0mm左右。

根據裂縫寬度發育情況，決定引用注膠加固方法對裂縫進行處理，在二襯表面裂縫中注入高強度粘結劑和二襯混凝土進行充分的粘接，然后養護混凝土到一定強度后，表面粘結劑上再輔以碳纖維布進行加固。在整個加固實施過程中，對該效果進行了一年多的應力監測，其監測斷面為ZK106+950處，監測時間曲線圖見圖1：

圖1 ZK106+950斷面二襯應力—時間曲線

從圖中可以看出，所有監測點處數值相差較小，曲線變化平緩，應力值在0～2.5MPa之間，壓應力降低，受力均衡穩定，拱頂處在注膠加固時段，應力值保持在2.0MPa～2.4MPa之間，粘貼碳纖維布后，應力值降至0.5MPa左右。計算得出混凝土表面裂縫進行注膠加固后，其圍巖拱頂壓應力值降為原二襯應力值的40%，表面鋪以碳纖維加固后，拱頂壓應力再降25%，且該處結構層中應力趨于穩定狀態。因此可以得出，二襯承載能力在通過粘貼碳纖維布處理后得到了較大的提升，取得了理想的加固效果。

4.結論

（1）在隧道支護應力監測過程中，發現應力值變化很大時，及時采取輔助措施進行加固處理，圍巖壓力變化基本穩定，得知該隧道的開挖方式及結構支護參數設計比較合理。

（2）注膠加固砼裂縫是一種新技術，將砼強度恢復一定值后，表面再輔以碳纖維加固，可將強度再次提高，通過應力監測發現，完全能滿足圍巖正常穩定。

（3）應力監測保證了隧道開挖的安全順利進行，避免了圍巖安全事故的發生，取得了理想的經濟效益。

【參考文獻】

[1]初厚永.大斷面黃土隧道圍巖變形監控量測技術[J].現代交通技術.

[2]趙旭峰，王春苗等.深部軟巖隧道施工性態時空效應分析[J].巖石力學與工程學報，2007，26（2）：404-409.