某高速公路隧道加固断面应变监测值简析

纪田亮

【摘 要】通过分析加固段二衬应变监测值的组成，划分为温度和时效产生的应变，将时效应变转换为应力，分析该部分应力产生原因和对结构的影响，从而为判断结构安全稳定性提供依据。

【关键词】二衬表面应变；温度；时效应变

前言：

针对某公路隧道区段存在二衬厚度不足、二衬多处开裂、衬砌存在严重脱空等质量问题，在应急加固处理以后，通过加固段表面安装光纤应变传感器，对衬砌结构混凝土表面应变等物理力学参数进行长期监测。如何比较合理的划分出监测值中由外部环境因素引起的应变和结构自身受力状态发生变化产生的应变，从而为判断结构稳定性提供可靠的依据，显得尤为关键。

1监测断面概况

1.1地质概况

该隧道右洞桩号YK130+845～YK131+690其中，YK130+944～K131+623围岩类别为Ⅳ，微风化晶屑凝灰岩，RQD=60～85%，波速Vp=3.2-4.2km/s，完整性系数I=0.45-0.65，洞顶山体覆盖厚度100-110m，岩石裂隙较发育—不发育，围岩质量较好，地下水是基岩裂隙水，水文地质简单。

1.2二衬质量问题

YK131+130～K131+146围岩类别为Ⅳ，设计二衬厚度30cm，实测最小厚度左拱腰9cm，拱顶20cm，存在脱空。

1.3应急加固处理使用材料和要求

断面YK131+130～K131+146应急加固处理时间为2010年6月份。

植筋喷砼：衬砌全断面增设钢纤维喷混凝土层8～20cm，加设Φ6钢筋网，并使得二衬与喷层总厚度不小于30cm。

喷射钢纤维砼施工中严格控制原材料质量及配合比，钢纤维掺入量1%，粗骨料最大粒径不大于12mm，水灰比控制在0.4～0.45，各项参数应在现场试验后确定。钢纤维采用剪切型，长度35mm，等效直径0.7mm，长径比50，抗拉强度不低于850MPa，钢纤维含量实测值应不超过最佳掺量的2%。

其余各项指标满足《钢纤维混凝土结构设计与施工规范》（CECS38：92）的规定。喷砼应采用湿喷工艺，施工时要求喷头与受喷面距离1.0～1.5m，角度应垂直于衬砌面，基本控制在750～900。

喷射时对喷头做顺时针旋转，喷射顺序应从下向上，先边墙后拱脚和拱腰，最后喷至拱顶。喷砼厚度大于8cm的应分层多次进行。

为保证各次喷砼间的结合，头次喷砼接缝处可做成斜面，再次施工时在斜面上继续施喷，间隔时间不大于30分钟。施工中控制风压保持稳定，不得突出，严禁出现空声区域。

1.4监测设备

使用光纤光栅表面式应变传感器，安装在加固层的表面。通过自动化数据采集系统进行自动采集，同时选用远程无线数据传输系统，还可将监测得到的数据实时传输到远方的监控系统。

2加固断面应变监测值分析

2.1应变监测断面YK131+130时程曲线

2010年7月到2014年7月监测期内监测值时程曲线如下图2-1、2-2所示。从下图分析，各测点应变监测值伴随环境气温变化发生相应的变化，当气温降低，应变减小，气温升高，应变增大，应变的变化跟短时间气温的波动及季节性气温变化均表现出较好的相关性。

图2-1 YK131+130各测点应变增量累计值曲线

图2-2 YK131+130各测点应变变化率曲线

2.2统计分析

2.2.1统计模型

要求应变监测值与环境量之间建立最确切数学关系式，然后根据分离出各分量大小，定量说明影响程度。

式中符号意义：

——应变监测值；

——温度变化引起的应变分量；

——非温度变化引起的应变分量，即时效应变分量。

（1） 温度应变分量

引起加固层应变监测值变化的温度因素，主要考虑气温的季节性变化引起，故计算温度应变分量时，可采用多段平均气温的线性组合。

式中，一般取当天，前5天， 15天，30天，60天，90天， 120天等的平均气温。

（2） 时效应变分量

加固层混凝土和岩体的徐变、裂缝的变化及基岩节理裂缝的压缩等因素，都会导致加固层的非弹性变形。这种随时间形成的不可逆变形称时效应变。对于正常运营期隧道来说，时效应变的一般规律是：初期变化快，后期变化慢，最终趋于稳定。据此规律，并结合该隧道断面的实际情况，选取相应的时效因子分别为：t，ln（1+t）。因此，时效应变的数学表达式可写成：

式中符号t为时间基准日至观测日的累计天数。

（3） 统计模型分析（统计分析成果表）

2.3应变应力公式简单转换

根据《公路隧道设计规范》JTG D70—2004，《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，C25混凝土弹性模量Ec=2.8×104 N/mm2，C25混凝土轴心抗压强度设计值fc=11.9 N/mm2，C25混凝土轴心抗拉强度设计值ft1.27 N/mm2，E=σ/ε，得到下表。（表1）

从各测点时效分量图分析，时效分量伴随时间的积累，对加固层影响程度逐渐减弱。

由于光纤应变传感器和结构物本身都受气温变化的影响，在求实際监测点的应变变化时，应该扣除气温应变。左拱肩（受压）和拱顶（受压）时效应变在设计控制值以内；对于右拱肩时效应变存在负值（受压）和正值（受拉）的解释：由于该断面本身二衬厚度不足，在10年6月份进行应急加固以后，考虑右拱肩监测区域本身结构一直处于受压状态，在监测期，压应力逐渐释放，故相对于10年7月份取初值以后，到后面三年夏季显示为正值，说明气温影响和该区域加固层安装仪器时本身受力状态是所测得监测值的主因。另外从现场巡视检查来看，该区域加固层右拱肩未发现异常情况。

结语

对该加固层断面监测四年的应变监测值，以统计学原理为基础进行回归分析，得到温度应变分量占应变监测值的主要部分，时效分量伴随时间的积累，对加固层影响程度逐渐减弱。

由于监测点在现场特定情况下安装取初值，在理论计算分析加固层监测值时，必须考虑监测点取初值时实际受力状态和结合现场外观检查结构物是否存在异常情况等，综合分析理论计算值是否真实反应加固层实际受力状态。

加固段混凝土衬砌应变监测值的变化主要因环境气温变化引起，当气温降低，应变减小，气温升高，应变增大，应变的变化跟短时间气温的波动及季节性气温变化均表现出较好的相关性。监测段因衬砌厚度不足而进行的加固效果良好，达到了预期效果。

参考文献：

[1] 刘明 线性回归模型设定的两个常见错误分析 [J]统计与信息论坛 2011年08期

[2] 李献民 梁艳慧 王梦恕 隧道洞口围岩稳定型变形的非线性回归分析[J]隧道建设2010年05期