隧道圍巖壓力的監(jiān)測(cè)與分析

1、隧道圍巖壓力的監(jiān)測(cè)與分析1.監(jiān)控量測(cè)的重要性自從奧地利的拉布西維茲（V.Rabcewicz）于1948年提出新奧法以來(lái)，新奧法已在我國(guó)各山嶺公路隧道中得到了廣泛應(yīng)用。眾所周知，監(jiān)控量測(cè)作為新奧法的三要素之一，對(duì)于隧道施工安全和施工過(guò)程控制都起著至關(guān)重要的作用。淺埋暗挖法是在距離地表較近的地下進(jìn)行各種類型地下洞室暗挖施工的一種方法，繼1984年王夢(mèng)恕院士在軍都山隧道黃土段試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，又于1986年在具有開(kāi)拓性，風(fēng)險(xiǎn)性，復(fù)雜性的北京復(fù)興門(mén)地鐵折返線工程中應(yīng)用，在拆遷少、不擾民、不破壞環(huán)境的條件下獲得成功。之后，又經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，提出了“管超前，嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的“18字

2、方針”，突出時(shí)空效應(yīng)對(duì)防塌的重要作用，提出在軟弱地層快速施工的理念，由此形成了淺埋暗挖法。監(jiān)控量測(cè)工作也在這一工法中起到了很大的作用。盾構(gòu)法是用盾構(gòu)在軟質(zhì)地基或破碎巖層中掘進(jìn)隧洞的施工方法。對(duì)于龐大的盾構(gòu)機(jī)，其中頂推力，泥漿壓力，盾尾注漿壓力，襯砌沉降等均需要進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。由此可以看出，目前無(wú)論是在山嶺隧道還是在城市地鐵的修建中，監(jiān)控量測(cè)已經(jīng)是施工中一項(xiàng)重要，不可缺少的工作。2.監(jiān)控量測(cè)的目的監(jiān)控量測(cè)的目的主要有三種，包括優(yōu)化施工順序、施工安全和科學(xué)研究。通常在隧道施工過(guò)程中，相關(guān)四方包括建設(shè)方、設(shè)計(jì)方、施工方和監(jiān)理方最關(guān)心的就是隧道施工安全，而優(yōu)化施工順序也是必不可少的，如果需要為相似工程提

3、供更多的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)和施工，則需進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究。本文主要以山嶺隧道的監(jiān)控量測(cè)為主來(lái)介紹監(jiān)控量測(cè)的目的。2.1 優(yōu)化施工順序如果單從優(yōu)化施工順序來(lái)說(shuō)，我們最關(guān)心的是隧道圍巖變形的情況。所以從這個(gè)角度出發(fā)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是需要重點(diǎn)選擇的。從施工經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，一般選用的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是周邊收斂和拱頂下沉，可以說(shuō)這兩個(gè)項(xiàng)目在一般隧道監(jiān)測(cè)中都是必不可少的。因?yàn)楦鶕?jù)公路隧道施工技術(shù)規(guī)范（JTJ042-94）規(guī)定2，判定圍巖變形是否穩(wěn)定主要靠這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)其決定下一步采取何種施工方案。如規(guī)范規(guī)定：當(dāng)位移-時(shí)間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)時(shí)，則表明圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)密切監(jiān)視圍巖

4、動(dòng)態(tài)，并加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)暫停開(kāi)挖。二次襯砌的施工應(yīng)滿足周邊收斂速率小于0.10.2mm/d，或拱頂下沉速率小于0.070.15mm/d。通過(guò)以上分析表明，只要有通過(guò)圍巖位移的測(cè)量就可以判定下一步所采取的施工措施了，從優(yōu)化施工順序角度出發(fā)，通常選擇周邊收斂和拱頂下沉就可以滿足要求了，如果是隧道淺埋處則還需增加地表下沉量測(cè)項(xiàng)目，如洞口位置。2.2 施工安全施工安全目前在所有工程項(xiàng)目施工中已經(jīng)提高到了非常高的高度，各單位都非常關(guān)心這一問(wèn)題，所以這也是為什么目前大多建設(shè)方都單獨(dú)對(duì)隧道監(jiān)測(cè)進(jìn)行招標(biāo)，可見(jiàn)對(duì)其重視程度。從施工安全角度出發(fā)，變形方面的監(jiān)測(cè)當(dāng)然是必不可少的，也是判斷圍巖是否安全穩(wěn)定的重要依據(jù)。

5、除此之外，出于安全考慮還應(yīng)對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力量測(cè)，綜合判斷圍巖的穩(wěn)定性。以上分析表明了從施工安全考慮，初次襯砌內(nèi)的混凝土內(nèi)應(yīng)力量測(cè)也是非常必要的，所以在選擇周邊收斂和拱頂下沉量測(cè)項(xiàng)目上，根據(jù)需要通常還要增加初襯混凝土內(nèi)應(yīng)力量測(cè)項(xiàng)目。2.3 科學(xué)研究如果從科學(xué)研究需要，則需要根據(jù)研究的要求，盡可能多選擇關(guān)于變形和應(yīng)力方面的相關(guān)測(cè)試，除周邊收斂、拱頂下沉、地表下沉和初襯混凝土內(nèi)應(yīng)力量測(cè)外，通常還需要增加以下一些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：圍巖內(nèi)部位移、錨桿內(nèi)力、二次襯砌內(nèi)應(yīng)力、圍巖壓力及層間支護(hù)壓力、型鋼支撐應(yīng)力量測(cè)等項(xiàng)目。通過(guò)以上這些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施，然后結(jié)合數(shù)值模擬分析等手段，可以在類似工程條件下對(duì)隧道設(shè)計(jì)

6、和施工方案進(jìn)行優(yōu)化，包括開(kāi)挖方式的選擇、支護(hù)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的選擇等，有利于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工組織方案，從而保證隧道建設(shè)投資的經(jīng)濟(jì)性、設(shè)計(jì)的可靠性及施工的安全性。3. 振弦式壓力盒對(duì)于重要的工程實(shí)踐,往往開(kāi)展了大量的原型監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)的物理量可以是原因量(如荷載等),也可以是響應(yīng)量（如應(yīng)力、應(yīng)變等）。但無(wú)論是應(yīng)力、應(yīng)變,還是滲透壓力或溫度等,它們都是非電量型物理量,其測(cè)值無(wú)法直接通過(guò)電纜傳輸。為了減小開(kāi)挖對(duì)巖土體邊值問(wèn)題的影響,測(cè)試期間被測(cè)部位是無(wú)法被人直接接觸的,要求將非電量被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為可通過(guò)電纜長(zhǎng)距離傳輸?shù)碾娦盘?hào),如電壓等。為此,在巖土體和結(jié)構(gòu)內(nèi)部監(jiān)測(cè)中,需采用傳感器(如電阻應(yīng)變片、振弦式

7、壓力盒等)測(cè)試技術(shù)。傳感器的作用是將非電量的應(yīng)力、應(yīng)變等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。同一類傳感器,可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和被測(cè)物理量的特點(diǎn)而制成不同的結(jié)構(gòu)形式,如振弦式壓力盒、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)等。在大壩、橋梁、深基坑等大型工程項(xiàng)目中,為了查清應(yīng)力及其分布,常采用振弦式壓力盒測(cè)試技術(shù)。3.1 振弦式壓力盒的測(cè)試原理如前所述, 傳感器的作用在于實(shí)現(xiàn)非電量與電量之間的轉(zhuǎn)換。為了使這種轉(zhuǎn)換關(guān)系簡(jiǎn)單、明確、真實(shí)。傳感器多被設(shè)置于邊界條件簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)內(nèi)。為此，壓力盒采用了扁平圓形盒狀金屬結(jié)構(gòu)。為了避免惡劣工作環(huán)境對(duì)壓力盒轉(zhuǎn)換關(guān)系的影響。要求壓力盒具有一定的強(qiáng)度和剛度。為此，壓力盒的外殼通常采用鋼質(zhì),并制作成封閉結(jié)構(gòu)。壓力盒的傳感元

8、件(承載板或稱彈性膜)為支承(固定)于鋼筒上的圓形鋼板,它具有明確而簡(jiǎn)單的受力條件,其截面如圖1。當(dāng)承載板承受法向推力p時(shí),即產(chǎn)生彎曲變形,固定于承壓板上的立柱(如圖1中的A、B)隨之產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然,繃緊于兩根立柱之間的鋼弦所受的張力T也相應(yīng)產(chǎn)生變化(理論分析表明,對(duì)于同一個(gè)壓力盒,在彈性變形階段,T與p的關(guān)系是唯一的)。該鋼弦即為振弦式壓力盒的敏感元件。為了測(cè)定鋼弦張力T的變化,需在鋼弦的下方設(shè)置激振線圈,如果給線圈施加一個(gè)脈沖電壓信號(hào),線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將使鋼弦作正弦振動(dòng),從而使自振鋼弦與線圈之間的間隙發(fā)生周期性的變化,線圈回路的磁阻抗也相應(yīng)產(chǎn)生周期性變化,線圈感應(yīng)出的磁阻的變化頻率即為鋼弦的

9、自振頻率。理論分析表明,鋼弦的自振頻率取決于鋼弦所承受的張力。據(jù)此,可通過(guò)鋼弦張力的變化建立被測(cè)介質(zhì)壓力p與鋼弦自振頻率之間的關(guān)系。圖 1 壓力盒結(jié)構(gòu)及測(cè)試原理示意圖由理論推導(dǎo)可得，壓力p與振頻f之間的關(guān)系為 公式 1 公式 2式中:p為作用于承載板上的均布荷載(MPa),f為壓力盒在外力p作用下鋼弦的頻率,f0為鋼弦初始頻率，l為鋼弦長(zhǎng)度(mm),L為承載板直徑(mm),b為立柱的高度(mm)，為弦的線密度，D為承載板的彎曲剛度,D=E*t3/12(l-2),E為承載板彈性模量(MPa),為承載板泊松比,t為承載板厚度(mm)。3.2 影響壓力盒測(cè)值的因素分析影響壓力盒應(yīng)力測(cè)值的主要因素有以

10、下幾個(gè)方面。3.2.1 被測(cè)介質(zhì)剛度的影響由于壓力盒率定時(shí),建立的是油壓與鋼弦頻率之間的關(guān)系,當(dāng)被測(cè)介質(zhì)剛度較小時(shí),介質(zhì)不制約承載板的變形響應(yīng),這時(shí)承載板的受力條件與油壓率定時(shí)的受力條件比較一致,實(shí)際應(yīng)力能全部被壓力盒感應(yīng),故實(shí)測(cè)應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力的差值較小,其精度一般能滿足工程要求。但當(dāng)被測(cè)介質(zhì)剛度較大時(shí),由于介質(zhì)具有較大的自承載能力,變形量小,制約了承載板的變形響應(yīng),故其應(yīng)力無(wú)法被壓力盒的敏感元件全部感應(yīng)。從靜力平衡角度分析,相當(dāng)一部分壓應(yīng)力將由壓力盒側(cè)壁承擔(dān),從而使承載板的變形偏小,故實(shí)測(cè)應(yīng)力小于實(shí)際應(yīng)力。隨著被測(cè)介質(zhì)剛度的增大, 實(shí)測(cè)應(yīng)力偏小的現(xiàn)象將加劇。 被測(cè)介質(zhì)厚度的影響被測(cè)介質(zhì)剛度對(duì)

11、實(shí)測(cè)應(yīng)力的影響與被測(cè)介質(zhì)厚度有關(guān),當(dāng)厚度較小時(shí),被測(cè)介質(zhì)剛度的影響很小,可不予考慮；隨著厚度的增大,被測(cè)介質(zhì)剛度的影響突顯,實(shí)測(cè)應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力的差值迅速增大。但當(dāng)厚度大于某一數(shù)值后,被測(cè)介質(zhì)厚度的影響趨于穩(wěn)定,實(shí)測(cè)應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力的差值不再隨厚度的變化而改變,本文稱該厚度為遲鈍厚度h0。 壓力盒結(jié)構(gòu)尺寸的影響為適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境, 壓力盒采用鋼結(jié)構(gòu)。為保證壓力盒性能穩(wěn)定,其整體強(qiáng)度和剛度需滿足一定要求,故其側(cè)壁均較厚,且壓力盒量程越大,厚度越大,顯然實(shí)測(cè)應(yīng)力偏小越多。由于被測(cè)介質(zhì)的應(yīng)力需通過(guò)承載板傳遞給鋼弦,因此壓力盒承載板的直徑也對(duì)實(shí)測(cè)值產(chǎn)生影響。直徑越大,鋼弦對(duì)承載板的變形越敏感,所得出的實(shí)

12、測(cè)值越接近于實(shí)際應(yīng)力。然而受埋設(shè)條件的限制,壓力盒的直徑一般僅為10 20 cm。 壓力盒埋設(shè)狀態(tài)的影響壓力盒埋設(shè)是監(jiān)測(cè)工作中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié),其對(duì)測(cè)值的影響主要表現(xiàn)在埋設(shè)狀態(tài)的正確、準(zhǔn)確與否以及泌水層形成的空隙,它所造成的實(shí)測(cè)值偏差屬人為誤差,可通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行埋設(shè)規(guī)程而加以消除。3.3 壓力盒的埋設(shè)方法根據(jù)工程實(shí)際情況，可以采用不同的方法布設(shè)壓力盒。下面以幾個(gè)工程實(shí)例介紹不同的布設(shè)方法.貴廣鐵路棋盤(pán)山隧道和牛王蓋隧道在布設(shè)時(shí)，先采用電動(dòng)打磨機(jī)對(duì)測(cè)點(diǎn)處初支表面進(jìn)行打磨，然后在打磨處墊一層無(wú)紡布，最后采用射釘槍將壓力盒固定在初支表面,如圖2所示。蘭渝鐵路胡麻嶺隧道在布設(shè)時(shí)，先用錘子將測(cè)點(diǎn)處初期支護(hù)

13、表面錘擊平整，再用水泥砂漿抹平，待水泥砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后(約4 h)，用鉆機(jī)在所需位置鉆孔并將14 mm 鋼筋固定在鉆孔中，最后用鐵絲將壓力盒綁扎在鉆孔鋼筋上,如圖3所示。京滬高鐵金牛山隧道布設(shè)時(shí)，直接將壓力盒綁扎在二襯鋼筋上，由于此時(shí)壓力盒緊貼防水板，可以認(rèn)為壓力盒測(cè)量數(shù)值能夠近似反應(yīng)初支、二襯間的接觸壓力。上述3種布設(shè)壓力盒的方法都可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)初支、二襯間接觸壓力的量測(cè)，相對(duì)而言第一種方法安裝時(shí)間最短，能夠保證壓力盒與隧道初支密貼，防止局部應(yīng)力集中，確保測(cè)得初支、二襯間接觸壓力的準(zhǔn)確性。因此在有條件的情況下，推薦采用第一種壓力盒布設(shè)方法。圖 2 貴廣鐵路隧道工點(diǎn)布置圖圖 3蘭渝鐵路胡麻

14、嶺隧道工點(diǎn)布置圖4. 監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)分析4.1 初支與二襯間應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析劉學(xué)增等基于大量公路隧道圍巖壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了垂直圍巖壓力與隧道開(kāi)挖跨度、埋深、圍巖級(jí)別的關(guān)系，并和深淺埋隧道法、普氏系數(shù)法計(jì)算得到的圍巖壓力進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了實(shí)測(cè)垂直圍巖壓力值與規(guī)范計(jì)算值之間的關(guān)系，得出下面一些圍巖壓力的分布規(guī)律。（1）隨著埋深的增大，實(shí)測(cè)圍巖壓力普遍增加；在相同圍巖級(jí)別條件下，荷載等效高度隨著隧道開(kāi)挖跨度的增加而增加；經(jīng)過(guò)寬度均一化的圍巖壓力值隨圍巖級(jí)別的增加而逐漸增大。（2）通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)測(cè)值與深淺埋法計(jì)算值的均值為0.38，實(shí)測(cè)值與普氏法計(jì)算值的均值為0.7，采用深

15、淺埋隧道法計(jì)算荷載進(jìn)行隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的安全系數(shù)提高了2.63倍；采用普氏法計(jì)算荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)提高了1.43倍。（3）實(shí)測(cè)側(cè)壓力隨著圍巖級(jí)別及埋深的增加緩慢增長(zhǎng)；側(cè)壓力系數(shù)隧道圍巖級(jí)別線性增加，級(jí)圍巖條件下，實(shí)測(cè)側(cè)壓力系數(shù)均值分別為0.19，0.32，0.45，0.58，相對(duì)規(guī)范值偏大。（4）初期支護(hù)與圍巖之間接觸壓力一般分布不均勻，兩側(cè)不對(duì)稱，較造成初支中應(yīng)力的集中，需要在設(shè)計(jì)中予以考慮。4.2 初支與二襯間接觸壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析房倩等依托貴廣、蘭渝、京滬鐵路多個(gè)典型高速鐵路隧道工程，對(duì)不同級(jí)別圍巖條件下初支、二襯間的接觸壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果得出以下一些結(jié)論。(1)初

16、支、二襯之間的接觸壓力隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為：先增大后減小再緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定。拆模時(shí)，初支、二襯間接觸壓力最大，在該時(shí)刻二襯結(jié)構(gòu)受力最不安全。為了保證二襯安全，一方面要盡量緩拆模，保證二襯所受模板臺(tái)車(chē)的“支反力”是逐漸降低的，另一方面必須保證拆模時(shí)二襯混凝土的強(qiáng)度，還有拆模后必須對(duì)二襯混凝土進(jìn)行及時(shí)、有效地養(yǎng)護(hù)。隧道拱底的應(yīng)力變化較復(fù)雜，整體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。(2) 雖然4 座隧道圍巖級(jí)別不同，但是由于二次襯砌均在初期支護(hù)變形穩(wěn)定后施作，初支、二襯間接觸壓力大致在相同的水平上；而且不同級(jí)別圍巖條件下，二襯結(jié)構(gòu)的平均安全系數(shù)大致相仿，這也反映了圍巖級(jí)別的差異對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力水平并無(wú)太大

17、的影響。(3) 規(guī)范中采用松散體高度計(jì)算得到的二襯荷載與實(shí)測(cè)荷載是不同的，二次襯砌所受的荷載實(shí)際上是初期支護(hù)傳遞過(guò)來(lái)的圍巖形變壓力，而不是傳統(tǒng)意義上圍巖塌方產(chǎn)生的松動(dòng)壓力。初支、二襯間接觸壓力離散性較大，二次襯砌所受外力與鐵路隧道設(shè)計(jì)時(shí)常采用矩形荷載、梯形荷載以及馬鞍形荷載等都有較大區(qū)別。(4) 通過(guò)分析不同級(jí)別圍巖條件下實(shí)測(cè)荷載作用下二次襯砌的安全性可知，二次襯砌在初期支護(hù)變形穩(wěn)定后施作，二襯安全性均滿足要求。通過(guò)支護(hù)時(shí)機(jī)、支護(hù)措施以及必要時(shí)輔助工法的施作可以實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)和圍巖承受全部荷載，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備。(5) 棋盤(pán)山隧道、牛王蓋隧道、胡麻嶺隧道所測(cè)拱頂處接觸壓力均較小(由于壓力盒布設(shè)方式的不同，金牛山隧道所測(cè)拱頂壓力普遍較大)，這是因?yàn)楣绊斕幠Ｖ亩r混凝土通常不密實(shí)、灌注不滿、不易振搗、易收縮，從而在初支和二襯之間形成月牙型收縮縫，造成二襯混凝土與壓力盒無(wú)法緊密接觸。這也使得二襯拱頂位置處于不利的兩向應(yīng)力狀態(tài)，因此應(yīng)該