軟巖大變形隧道支護結構應力監測應用

楊興仁

(中鐵十二局集團第二工程有限公司， 山西 太原 030032 )

1 概述

隨著我國山區高速鐵路的不斷延伸，山嶺隧道數量也在日益增多。在隧道建設中，面臨隧道巖溶、煤層瓦斯及有毒有害氣體、危巖落石、順層偏壓、軟巖大變形，斷裂破碎帶等地質條件復雜段，本文針對隧道軟巖大變形段支護結構應力監測進行分析，希望能以理論進一步促進實踐。

2 應力監測技術

2.1 監控量測要求

監測點布設計要考慮滿足施工需要，同時還需滿足工程竣工后道床方案可能調整的情況，綜合布設監測點，其中隧底為長期監測點。

考慮初期支護是關鍵工序，其相關監測需加強，每50m設置一個應力監測斷面，監測包括(圍巖壓力、接觸壓力、鋼架應力、錨桿軸力、初支混凝土應力、二襯鋼筋應力)。

2.2 應力監測項目及監測方法

2.2.1 圍巖內部位移

為了探明支護系統上承受的荷載，進一步研究支架與圍巖相互作用之間的關系，不僅需要量測支護空間產生的相對位移(或空間斷面的變形)，而且還需要對圍巖深部巖體位移進行監測，因此，圍巖內變形量測的目的為：確定圍巖位移隨深度變化的關系；找出圍巖的移動范圍，深入研究支護與圍巖相互作用的關系；判斷開挖后圍巖的松動區、強度下降區以及彈性區的范圍。

(1)測點布置

每個斷面對靠平導側拱腰、拱腳和仰拱共3 個部位圍巖中埋設多點位移計，多點位移計長度：邊墻及仰拱為對應位置設計錨桿長度的1.5 倍，拱部范圍與設計錨桿長度一致，即拱部測點的多點位移計長12m、仰拱測點的多點位移計長18m(見圖1)。

量測采用智能型多點位移計，由兩大部分組成：一是洞內埋入部分，為機械式多點位移計，二是洞壁接收儀器——測頻儀，由測頭，測量電纜，接收系統和繞線盤等組成。

(2)件埋設方法及數據采集

首先采用地質鉆成孔，孔直徑不小于76mm，成孔后將導管緩慢地放入孔中，直到最底部觀測點位置，然后再用專用工具依次將錨頭埋入設計的位置，并進行灌漿錨固，在洞壁對傳輸電纜線進行保護。

根據設計每個斷面的元器件位置和數量進行埋設，并將元器件的傳輸纜線綁扎在鋼架上，沿環向引至墻腳、集中在每個斷面的集線箱處，每個斷面設兩個集線箱，集線箱位于墻腳線上1～2m 處，便于保護集線箱和數據的采集。采用測試儀進行數據采集。

隧道開挖完成后，盡早采集位移計的初始讀數，根據測試數據的變化調整測試頻率，直到測量讀數已經穩定，可不再監測該點或該斷面。每次量測后應繪制不同深度的位移-歷時曲線及孔深-位移關系曲線，當位移速率突然增大時應立即對各種量測信息進行綜合分析，判斷施工中出現了什么問題，并及時采取保證施工安全對策。

2.2.2 錨桿軸力

(1)斷面布置

軟巖大變形隧道應力監測按50m/組設置，為確保監測數據的可靠性，結合目前元器件的精度和可靠性水平，可進行國內和國外測試元件埋設。

(2)測點布置

每個斷面對拱頂、左右拱腳、左右邊墻、仰拱3 個點等共計8 個部位埋設錨桿軸力計，每根測試錨桿根據其長度布置4個錨桿軸力計(見圖2)，監測錨桿長度均為12m。

(3)元件埋設方法及數據采集

錨桿施作前，在量測錨桿的設計位置安裝好錨桿軸力計，然后再將安裝好錨桿軸力計的量測錨桿按圖3 所示位置進行布置。在錨桿安設好后，將錨桿軸力計導線沿鋼架引至邊墻距墻腳1.5 米高處，線頭從預埋的鐵盒里引出。埋設時將錨桿軸力計編號與測試點所對應位置做好記錄。

將鐵盒內線頭插入測試儀中，測試讀數并作好記錄。每次每個錨桿軸力計的測量應不少于3 次，力求測量數值可靠、穩定。

2.2.3 圍巖壓力及初支與二襯間接觸壓力

(1)測點布置

每個斷面在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻、左右墻腳、仰拱3 個點等共計12 個部位設置測點，每個部位在圍巖與初支之間埋設壓力盒測試圍巖壓力、初支與二襯之間埋設壓力盒測試接觸壓力，圍巖壓力及接觸壓力在橫斷面內測點布置如圖3 所示。

其中布設于初支與二襯之間的可根據現場情況進行優化，選取2～3 個斷面進行監測。

(2)元件埋設方法及數據采集

壓力盒埋設時，將埋設處的圍巖仔細夯實找平，然后使壓力計就位。為了大大減小或消除結構中橫向力對測量結果的影響，在埋設前，在壓力計周圍包一層厚度為1～2mm 的橡膠圈。就位的壓力計工作面與結構物底平面齊平，不要凹進或凸出，還要防止壓力盒偏斜，以避免偏載造成的誤差。

2.2.4 鋼架應力

(1)測點布置

每個斷面在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻、左右墻腳、仰拱3 個點等共計12 個部位設置測點，每個部位根據工程進度對初支內鋼架應力進行監測，初支測點分別在鋼架內外兩側各布置1 個應變計，測試出鋼架兩側應力后可計算得鋼架內力，斷面內測點布置如圖4 所示。

(2)元件埋設方法及數據采集

埋設方法：在施工過程中，將應變計直接對焊在鋼支撐的內外側翼板上，在焊接前應對應變計的初始頻率進行測試，測試結果應和標定表的零點頻率相同，方可進行焊接，在焊接時必須對應變計進行水冷卻，以免由于焊接時的高溫傳到應變計上，損壞應變計內部電器元件。當焊接完成后，再次測試應變計的初始讀數是否正確，如正確便可將其裝到工程部位。

2.2.5 初支混凝土應力

(1)測點布置

每個斷面在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻、左右墻腳、仰拱3 個點等共計12 個部位設置測點，每個部位根據工程進度分別對第一層初支、第二層初支的噴射混凝土應力進行監測，每層初支測點分別在初期支護內外兩側各布置1 個埋入式應變計，測試出噴混凝土兩側應力后可計算得初支內力，斷面內測點布置如圖5 所示。

(2)元件埋設方法及數據采集

混凝土埋入式應變傳感器安裝時埋入混凝土中，應保證其軸線與受力方向一致，在元件安裝完成后并進行初始頻率的測試。

2.2.6 二襯鋼筋應力

(1)測點布置

每個二次襯砌斷面在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻、左右墻腳、仰拱3 個點等共計12 個部位設置測點，在每個部位的內外側主筋上埋設布置1 個鋼筋計，測試出二次襯砌鋼筋內外側應力，可計算得二襯內力，斷面內測點布置如圖6 所示。

(2)元件埋設方法及數據采集

元件埋設及數據采集同鋼架應力。

2.3 監測頻率

應力監測均采用采集箱自動采集。根據《鐵路隧道監控量測技術規程》相關規定，應力監測項目根據距開挖工作面距離關系確定監測頻率，并根據速率情況適當增加頻率，見表1。

表1 施工期監測頻率

3 監測數據的分析和預測

監測工作進行一段時間或施工某一階段結束后，都要對測量結果進行總結和分析。

3.1 數據整理

把原始數據通過一定的方法，如按大小的排序，用頻率分布的形式把一組數據分布情況顯示出來，進行數據的數字特征值計算，離群數據的取舍。

3.2 數據的曲線擬合

在取得一定監測數據后，應繪制應力時態變化曲線圖，如圖7 所示。然后尋找一種能夠較好反映數據變化規律和趨勢的函數關系式，對下一階段的監測數據進行預測，防患于未然。

3.3 插值法

在實測數據的基礎上，采用函數近似的方法，求得符合測量規律而又未實測到的數據。

4)計算圍巖位移和內力變化速度、加速度曲線，進行穩定性判斷。

5)根據接觸壓力與支護內力量測，計算分析支護結構的安全度，合理性。