軟弱地層公路隧道二次襯砌內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)與分析
2015-06-03
一、前言
傳統(tǒng)新奧法施工理念為綜合巖體自身穩(wěn)定性，引導(dǎo)和控制圍巖變形，充分利用圍巖的自身穩(wěn)定能力，理念上與傳統(tǒng)的礦山法有著較大的區(qū)別。一般情況下待圍巖和初支變形穩(wěn)定后再施做二襯。初期支護(hù)才是隧道受力的主要結(jié)構(gòu)，二襯只是安全儲(chǔ)備。二襯的施工肯定是要等圍巖基本穩(wěn)定后才能施做的。但是在從我國目前施工的眾多隧道工程，特別是軟弱地層下公路隧道來看，設(shè)計(jì)者在實(shí)質(zhì)上一直把噴錨支護(hù)當(dāng)作取代傳統(tǒng)支架作為確保施工安全的一種臨時(shí)支護(hù)措施，而模筑混凝土襯砌仍然按照承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)參數(shù)隨圍巖級(jí)別而變。實(shí)踐中，設(shè)計(jì)者往往對(duì)初次襯砌與二次襯砌的荷載分擔(dān)比，二次襯砌的受力特點(diǎn)及其安全儲(chǔ)備量等問題上缺乏真實(shí)數(shù)據(jù)支撐存在諸多疑慮，進(jìn)而導(dǎo)致在設(shè)計(jì)上盲目套用，造成極大的浪費(fèi)及安全隱患。當(dāng)前在軟弱地層隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，多為巖石隧道的設(shè)計(jì)理論和方法的“加強(qiáng)版”，由于軟弱地層巖體整體性差，開挖擾動(dòng)后變形和后期蠕變變形較大，加之當(dāng)前交通隧道多具有跨度大、隧道長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜、工期緊等特點(diǎn)，造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論方法和實(shí)際施工存在較大差異。因此，專門圍繞軟弱地層二次襯砌的內(nèi)應(yīng)力受力特點(diǎn)及規(guī)律，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，開展相應(yīng)試驗(yàn)研究是十分必要的。
二、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置
2.1 工程概況
某隧道位于貴州省西部山區(qū)，為分幅隧道。隧道區(qū)工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，大范圍穿越煤層，煤層為近水平，巖體軟弱破碎。場(chǎng)區(qū)上覆第四系崩塌堆積層（Qc）、人工填土（Qme）、殘坡積（Qel+dl）碎石土，下伏三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）泥質(zhì)粉砂巖、二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組、大隆組（P2c+d）粉砂質(zhì)泥巖二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）煤系地層泥質(zhì)粉砂巖間夾泥巖及煤等。場(chǎng)區(qū)地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，賦存于風(fēng)化裂隙中，地下水埋藏淺。場(chǎng)區(qū)為地下水補(bǔ)給、徑流區(qū)，其來源主要為地下水滲流、徑流補(bǔ)給及大氣降水補(bǔ)給，大氣降水一部分經(jīng)地表滲入地下后經(jīng)基巖風(fēng)化節(jié)理裂隙向低凹地帶流動(dòng)，一部分經(jīng)坡表匯流后向地勢(shì)低洼處徑流排泄。
該隧道進(jìn)口段埋深淺，隧道圍巖為碎石土層及煤系地層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖間夾泥巖及煤，該段位于采空塌陷區(qū)內(nèi)，襯砌參數(shù)為：拱部120。范圍內(nèi)采用長(zhǎng)4m、Φ42 mm超前小導(dǎo)管；初期支護(hù)采用24 cm厚的C20噴射混凝土，I20型鋼鋼架，間距60cm，拱部采用Φ25mm組合中空錨桿,長(zhǎng)3.5m；二次襯砌采用55 cm厚的C30鋼筋混凝土。
2.2 二次襯砌應(yīng)力監(jiān)測(cè)原理及方案布置
混凝土應(yīng)變式內(nèi)力計(jì)把構(gòu)件表面或內(nèi)部的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為鋼弦的工作頻率變化而進(jìn)行測(cè)量的。有兩個(gè)支點(diǎn)固定鋼弦，在電流流通過電磁線圈所產(chǎn)生的短脈沖作用下，沿磁場(chǎng)方向發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)支點(diǎn)間的距離發(fā)生改變時(shí)，鋼弦的張力與振動(dòng)頻率也隨之變化。鋼弦應(yīng)變計(jì)所承受的軸向應(yīng)變與鋼弦頻率變化的平方成正比。
本次二次襯砌內(nèi)應(yīng)力量測(cè)沿隧道的邊墻、拱腰和拱頂在襯砌內(nèi)埋設(shè)4組應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)傳感器埋設(shè)在二次襯砌混凝土內(nèi)、外側(cè)，在混凝土澆筑前，將應(yīng)變計(jì)固定在待測(cè)位置的鋼筋外表面上，沿著隧道切線方向布置。
本次內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)采用丹東市虬龍傳感器制造有限公司生產(chǎn)的JXH-2型C40防氣蝕混凝土應(yīng)力計(jì)，量程600-1000με。
三、監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析
3.1監(jiān)測(cè)結(jié)果
根據(jù)混凝土應(yīng)變計(jì)的頻率－應(yīng)變標(biāo)定曲線可將量測(cè)數(shù)據(jù)來直接換算出相應(yīng)的應(yīng)變值，然后通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得到元件埋設(shè)部位混凝土的內(nèi)應(yīng)力。
3.2結(jié)果分析
?。?）、二襯混凝土內(nèi)應(yīng)力變化曲線體現(xiàn)出的規(guī)律基本符合隧道彎矩分布規(guī)律。在發(fā)展時(shí)態(tài)上表現(xiàn)為先增大后減小在增大的形態(tài)，主要受“脫模效應(yīng)”影響；最后二襯混凝土穩(wěn)定壓應(yīng)力為2.3MPa左右；
?。?）、監(jiān)測(cè)情況體現(xiàn)出拱頂二襯結(jié)構(gòu)受力水平較拱腰小，二次襯砌澆筑時(shí)混凝土受重力影響，拱墻二次襯砌澆筑較為密實(shí)，初期支護(hù)與二次襯砌接觸較好是引起這種現(xiàn)象的主要原因。
?。?）、拱頂外層混凝土、拱腰內(nèi)側(cè)混凝土的變化形態(tài)中均出現(xiàn)了短暫時(shí)間較小的拉應(yīng)力，該現(xiàn)象說明由于二襯結(jié)構(gòu)在初支的擠壓作用，受力形態(tài)也呈“△”狀。二次襯砌澆筑完成后，隨著混凝土強(qiáng)度和剛度的不斷增大，初期支護(hù)與二次襯砌之間的接觸壓力不斷增大，此時(shí)由于模板臺(tái)車的存在二次襯砌處于三向受力狀態(tài)，模板臺(tái)車提供了較大的“支護(hù)力”，這相當(dāng)于為二次襯砌提供了較大的“預(yù)應(yīng)力”；然而當(dāng)二次襯砌澆筑模板拆除后，二次襯砌由原來的三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚴芰顟B(tài)，隨著應(yīng)力的不斷釋放和應(yīng)力狀態(tài)的不斷調(diào)整，初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力逐漸減??；后續(xù)隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)，澆筑混凝土強(qiáng)度和剛度的繼續(xù)增大及澆筑時(shí)模板臺(tái)車施加給二次襯砌的“預(yù)應(yīng)力”逐漸釋放完畢，由于應(yīng)力狀態(tài)的再次調(diào)整，初支與二襯之間的接觸壓力緩慢增大，在初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力拱墻上部測(cè)點(diǎn)中，拱腰測(cè)點(diǎn)的變化最為明顯。拆除二次襯砌模板前，該測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值增大最為迅速，達(dá)到了整個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的最大值，但是二次襯砌模板拆除之后，該測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值下降也最為明顯，成為拱墻上部測(cè)點(diǎn)中的最小值。這表明拱腰到拱頂部位受施工澆筑壓力的影響最大，拆除模板后受二次襯砌混凝土的重力作用和收縮徐變的影響，應(yīng)力釋放更為迅速和明顯。由此可見，適當(dāng)延長(zhǎng)二襯模板脫模時(shí)間可以有效防止二襯混凝土開裂。
四、結(jié)論
?。?）、該隧道穩(wěn)定壓應(yīng)力為2.3MPa左右。說明在軟弱地層中，隧道二次襯砌作為承力結(jié)構(gòu)分擔(dān)了部分圍巖壓力，但從受力值來看尚有較大安全儲(chǔ)備量。
?。?）、二襯混凝土澆筑施工時(shí)，嚴(yán)控施工工藝，保證混凝土的完整性及密實(shí)性，保證襯砌見良好接觸。
?。?）、拱腰到拱頂部位受施工澆筑壓力的影響最大。
?。?）、適當(dāng)延長(zhǎng)二襯模板脫模時(shí)間可以有效防止二襯混凝土開裂。
