隧道围岩压力的监测与分析

隧道围岩压力的监测与分析

1.监控量测的重要性

自从奥地利的拉布西维兹（V.Rabcewicz）于1948年提出新奥法以来，新奥法已在我国各山岭公路隧道中得到了广泛应用。众所周知，监控量测作为新奥法的三要素之一，对于隧道施工安全和施工过程控制都起着至关重要的作用。浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法，继1984年王梦恕院士在军都山隧道黄土段试验成功的基础上，又于1986年在具有开拓性，风险性，复杂性的复兴门地铁折返线工程中应用，在拆迁少、不扰民、不破坏环境的条件下获得成功。之后，又经过工程实践，提出了“管超前，严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的“18字方针”，突出时空效应对防塌的重要作用，提出在软弱地层快速施工的理念，由此形成了浅埋暗挖法。监控量测工作也在这一工法中起到了很大的作用。盾构法是用盾构在软质地基或破碎岩层中掘进隧洞的施工方法。对于庞大的盾构机，其中顶推力，泥浆压力，盾尾注浆压力，衬砌沉降等均需要进行监控量测。由此可以看出，目前无论是在山岭隧道还是在城市地铁的修建中，监控量测已经是施工中一项重要，不可缺少的工作。

2.监控量测的目的

监控量测的目的主要有三种，包括优化施工顺序、施工安全和科学研究。通常在隧道施工过程中，相关四方包括建设方、设计方、施工方和监理方最关心的就是隧道施工安全，而优化施工顺序也是必不可少的，如果需要为相似工程提供更多的经验和数据，以进一步指导隧道设计和施工，则需进一步进行相关的科学研究。本文主要以山岭隧道的监控量测为主来介绍监控量测的目的。

2.1 优化施工顺序

如果单从优化施工顺序来说，我们最关心的是隧道围岩变形的情况。所以从这个角度出发，监测项目中的变形监测项目是需要重点选择的。从施工经验出发，一般选用的监测项目是周边收敛和拱顶下沉，可以说这两个项目在一般隧道监测中都是必不可少的。因为根据《公路隧道施工技术规》（JTJ042-94）规定[2]，判定围岩变形是否稳定主要靠这两项数据，通过其决定下一步采取何种施工方案。如规规定：①当位移-时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂停开挖。②二次衬砌的施工应满足周边收敛速率小于0.1~0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.07~0.15mm/d。

通过以上分析表明，只要有通过围岩位移的测量就可以判定下一步所采取的施工措施了，从优化施工顺序角度出发，通常选择周边收敛和拱顶下沉就可以满足要求了，如果是隧道浅埋处则还需增加地表下沉量测项目，如洞口位置。

2.2 施工安全

1

施工安全目前在所有工程项目施工中已经提高到了非常高的高度，各单位都非常关心这一问题，所以这也是为什么目前大多建设方都单独对隧道监测进行招标，可见对其重视程度。从施工安全角度出发，变形方面的监测当然是必不可少的，也是判断围岩是否安全稳定的重要依据。除此之外，出于安全考虑还应对关键部位进行相应的应力量测，综合判断围岩的稳定性。

以上分析表明了从施工安全考虑，初次衬砌的混凝土应力量测也是非常必要的，所以在选择周边收敛和拱顶下沉量测项目上，根据需要通常还要增加初衬混凝土应力量测项目。

2.3 科学研究

如果从科学研究需要，则需要根据研究的要求，尽可能多选择关于变形和应力方面的相关测试，除周边收敛、拱顶下沉、地表下沉和初衬混凝土应力量测外，通常还需要增加以下一些监测项目：围岩部位移、锚杆力、二次衬砌应力、围岩压力及层间支护压力、型钢支撑应力量测等项目。通过以上这些监测项目的实施，然后结合数值模拟分析等手段，可以在类似工程条件下对隧道设计和施工方案进行优化，包括开挖方式的选择、支护结构及强度的选择等，有利于进一步优化设计和施工组织方案，从而保证隧道建设投资的经济性、设计的可靠性及施工的安全性。

3. 振弦式压力盒

对于重要的工程实践,往往开展了大量的原型监测工作。监测的物理量可以是原因量(如荷载等),也可以是响应量（如应力、应变等）。但无论是应力、应变,还是渗透压力或温度等,它们都是非电量型物理量,其测值无法直接通过电缆传输。为了减小开挖对岩土体边值问题的影响,测试期间被测部位是无法被人直接接触的,要求将非电量被测物理量转换为可通过电缆长距离传输的电信号,如电压等。为此,在岩土体和结构部监测中,需采用传感器(如电阻应变片、振弦式压力盒等)测试技术。传感器的作用是将非电量的应力、应变等转换为电信号。同一类传感器,可根据被测介质和被测物理量的特点而制成不同的结构形式,如振弦式压力盒、钢筋计、渗压计等。在大坝、桥梁、深基坑等大型工程项目中,为了查清应力及其分布,常采用振弦式压力盒测试技术。

3.1 振弦式压力盒的测试原理

如前所述, 传感器的作用在于实现非电量与电量之间的转换。为了使这种转换关系简单、明确、真实。传感器多被设置于边界条件简单的结构。为此，压力盒采用了扁平圆形盒状金属结构。为了避免恶劣工作环境对压力盒转换关系的影响。要求压力盒具有一定的强度和刚度。为此，压力盒的外壳通常采用钢质,并制作成封闭结构。压力盒的传感元件(承载板或称弹性膜)为支承(固定)于钢筒上的圆形钢板,它具有明确而简单的受力条件,其截面如图1。当承载板承受法向推力p时,即产生弯曲变形,固定于承压板上的立柱(如图1中的A、B)随之产生转动。显然,绷紧于两根立柱之间的钢弦所受的力T也相应产生变化(理论分析表明,对于同一个压力盒,在弹性变形阶段,T与p的关系是唯一的)。该钢弦即为振弦式压力盒的敏感元件。为了测定钢弦力T的变化,需在钢弦的下方设置激振线圈,如果给线圈施加一个脉冲电压信号,线圈产生的磁场将使钢弦作正弦振动,从而使自振钢弦与线圈之间的间隙发生周期性的变化,线圈回路的磁阻抗也相应产生周期性变化,线圈感应出的磁阻的变化频率即为钢弦的自振频率。

理论分析表明,钢弦的自振频率取决于钢弦所承受的力。据此,可通过钢弦力的变化建立被

测介质压力p 与钢弦自振频率之间的关系。

图 1 压力盒结构及测试原理示意图

由理论推导可得，压力p 与振频f 之间的关系为

)(20

2f f K p -= 公式 1

)(256222l L Eb D l K -•=ρ 公式 2

式中:p 为作用于承载板上的均布荷载(MPa),f 为压力盒在外力p 作用下钢弦的频率,f 0为钢弦初始频率，l 为钢弦长度(mm),L 为承载板直径(mm),b 为立柱的高度(mm)，ρ为弦的线密度，D 为承载板的弯曲刚度,D=E*t 3/12(l-μ2),E 为承载板弹性模量(MPa),μ为承载板泊松比,t 为承载板厚度(mm)。 3.2 影响压力盒测值的因素分析

影响压力盒应力测值的主要因素有以下几个方面。

3.2.1 被测介质刚度的影响

由于压力盒率定时,建立的是油压与钢弦频率之间的关系,当被测介质刚度较小时,介质不制约承载板的变形响应,这时承载板的受力条件与油压率定时的受力条件比较一致,实际应力能全部被压力盒感应,故实测应力与实际应力的差值较小,其精度一般能满足工程要求。但当被测介质刚度较大时,由于介质具有较大的自承载能力,变形量小,制约了承载板的变形响应,故其应力无法被压力盒的敏感元件全部感应。从静力平衡角度分析,相当一部分压应力将由压力盒侧壁承担,从而使承载板的变形偏小,故实测应力小于实际应力。随着被测介质刚度的增大, 实测应力偏小的现象将加剧。