软弱地层公路隧道二次衬砌内应力监测与分析
2015-06-03
一、前言
传统新奥法施工理念为综合岩体自身稳定性，引导和控制围岩变形，充分利用围岩的自身稳定能力，理念上与传统的矿山法有着较大的区别。一般情况下待围岩和初支变形稳定后再施做二衬。初期支护才是隧道受力的主要结构，二衬只是安全储备。二衬的施工肯定是要等围岩基本稳定后才能施做的。但是在从我国目前施工的众多隧道工程，特别是软弱地层下公路隧道来看，设计者在实质上一直把喷锚支护当作取代传统支架作为确保施工安全的一种临时支护措施，而模筑混凝土衬砌仍然按照承载结构设计，其设计参数随围岩级别而变。实践中，设计者往往对初次衬砌与二次衬砌的荷载分担比，二次衬砌的受力特点及其安全储备量等问题上缺乏真实数据支撑存在诸多疑虑，进而导致在设计上盲目套用，造成极大的浪费及安全隐患。当前在软弱地层隧道衬砌结构设计时，多为岩石隧道的设计理论和方法的“加强版”，由于软弱地层岩体整体性差，开挖扰动后变形和后期蠕变变形较大，加之当前交通隧道多具有跨度大、隧道长、地质条件复杂、工期紧等特点，造成隧道衬砌结构设计的理论方法和实际施工存在较大差异。因此，专门围绕软弱地层二次衬砌的内应力受力特点及规律，从现场实测数据出发，开展相应试验研究是十分必要的。
二、现场监测布置
2.1 工程概况
某隧道位于贵州省西部山区，为分幅隧道。隧道区工程地质条件极为复杂，大范围穿越煤层，煤层为近水平，岩体软弱破碎。场区上覆第四系崩塌堆积层（Qc）、人工填土（Qme）、残坡积（Qel+dl）碎石土，下伏三叠系下统飞仙关组（T1f）泥质粉砂岩、二叠系上统长兴组、大隆组（P2c+d）粉砂质泥岩二叠系上统龙潭组（P2l）煤系地层泥质粉砂岩间夹泥岩及煤等。场区地下水类型为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，赋存于风化裂隙中，地下水埋藏浅。场区为地下水补给、径流区，其来源主要为地下水渗流、径流补给及大气降水补给，大气降水一部分经地表渗入地下后经基岩风化节理裂隙向低凹地带流动，一部分经坡表汇流后向地势低洼处径流排泄。
该隧道进口段埋深浅，隧道围岩为碎石土层及煤系地层强风化泥质粉砂岩间夹泥岩及煤，该段位于采空塌陷区内，衬砌参数为：拱部120。范围内采用长4m、Φ42 mm超前小导管；初期支护采用24 cm厚的C20喷射混凝土，I20型钢钢架，间距60cm，拱部采用Φ25mm组合中空锚杆,长3.5m；二次衬砌采用55 cm厚的C30钢筋混凝土。
2.2 二次衬砌应力监测原理及方案布置
混凝土应变式内力计把构件表面或内部的应变转化为钢弦的工作频率变化而进行测量的。有两个支点固定钢弦，在电流流通过电磁线圈所产生的短脉冲作用下，沿磁场方向发生振动。当支点间的距离发生改变时，钢弦的张力与振动频率也随之变化。钢弦应变计所承受的轴向应变与钢弦频率变化的平方成正比。
本次二次衬砌内应力量测沿隧道的边墙、拱腰和拱顶在衬砌内埋设4组应变计，应变计传感器埋设在二次衬砌混凝土内、外侧，在混凝土浇筑前，将应变计固定在待测位置的钢筋外表面上，沿着隧道切线方向布置。
本次内应力检测采用丹东市虬龙传感器制造有限公司生产的JXH-2型C40防气蚀混凝土应力计，量程600-1000με。
三、监测结果及分析
3.1监测结果
根据混凝土应变计的频率－应变标定曲线可将量测数据来直接换算出相应的应变值，然后通过应力-应变关系，得到元件埋设部位混凝土的内应力。
3.2结果分析
（1）、二衬混凝土内应力变化曲线体现出的规律基本符合隧道弯矩分布规律。在发展时态上表现为先增大后减小在增大的形态，主要受“脱模效应”影响；最后二衬混凝土稳定压应力为2.3MPa左右；
（2）、监测情况体现出拱顶二衬结构受力水平较拱腰小，二次衬砌浇筑时混凝土受重力影响，拱墙二次衬砌浇筑较为密实，初期支护与二次衬砌接触较好是引起这种现象的主要原因。
（3）、拱顶外层混凝土、拱腰内侧混凝土的变化形态中均出现了短暂时间较小的拉应力，该现象说明由于二衬结构在初支的挤压作用，受力形态也呈“△”状。二次衬砌浇筑完成后，随着混凝土强度和刚度的不断增大，初期支护与二次衬砌之间的接触压力不断增大，此时由于模板台车的存在二次衬砌处于三向受力状态，模板台车提供了较大的“支护力”，这相当于为二次衬砌提供了较大的“预应力”；然而当二次衬砌浇筑模板拆除后，二次衬砌由原来的三向受力状态转变为单向受力状态，随着应力的不断释放和应力状态的不断调整，初期支护与二次衬砌间接触压力逐渐减小；后续随着监测时间的增长，浇筑混凝土强度和刚度的继续增大及浇筑时模板台车施加给二次衬砌的“预应力”逐渐释放完毕，由于应力状态的再次调整，初支与二衬之间的接触压力缓慢增大，在初期支护与二次衬砌间接触压力拱墙上部测点中，拱腰测点的变化最为明显。拆除二次衬砌模板前，该测点的监测值增大最为迅速，达到了整个监测断面的最大值，但是二次衬砌模板拆除之后，该测点的监测值下降也最为明显，成为拱墙上部测点中的最小值。这表明拱腰到拱顶部位受施工浇筑压力的影响最大，拆除模板后受二次衬砌混凝土的重力作用和收缩徐变的影响，应力释放更为迅速和明显。由此可见，适当延长二衬模板脱模时间可以有效防止二衬混凝土开裂。
四、结论
（1）、该隧道稳定压应力为2.3MPa左右。说明在软弱地层中，隧道二次衬砌作为承力结构分担了部分围岩压力，但从受力值来看尚有较大安全储备量。
（2）、二衬混凝土浇筑施工时，严控施工工艺，保证混凝土的完整性及密实性，保证衬砌见良好接触。
（3）、拱腰到拱顶部位受施工浇筑压力的影响最大。
（4）、适当延长二衬模板脱模时间可以有效防止二衬混凝土开裂。
