基于现场围岩压力监测的黄岩子隧道衬砌结构安全性评价

2015-12-21赵文忠侯哲生王丙兴吴海卫

水利与建筑工程学报 2015年2期

赵文忠，侯哲生，王丙兴，吴海卫，江磊

(1.河北省高速公路邢汾管理处，河北邢台054001;2.烟台大学土木工程学院，山东烟台264005)

随着我国基础设施投入的不断加强，高速公路隧道的建设已进入快速发展时期[1－3]。由于隧道工程围岩状况复杂多变，加之工程地质、水文地质及施工方法的多样性，通过现场地质调查和现场监控量测，对围岩类别、稳定性进行分析以确保经济、安全施工至关重要[4－7]。隧道衬砌结构安全性评价在隧道施工，特别是长大隧道施工中具有重要意义，是指导施工方案、检验和修正隧道设计的重要依据[8－10]。对于这一问题，已有很多学者做过大量工作[11－13]，其中采用现场监测的手段对衬砌结构进行安全性评价是隧道信息化施工的重要研究手段之一，如刘学增[6，14]基于50多条隧道实测数据探讨围岩随时间的变形特征，岳广学[11，15]对 70多条隧道的变形监测数据进行统计分析，得到最大拱顶下沉的估算公式和概率分布。同时，现场实测数据也是反馈分析、优化设计的主要参数。

邢汾高速公路邢台至冀晋界段是邢台市连接山西的唯一高速通道，其黄岩子隧道是全线隧道中的长隧道之一。该隧道为左右幅分离式布置，右幅长2 260 m(YK78+535～YK80+795)，左幅长2 383 m(ZK78+435～ZK80+818)，其衬砌结构安全状态评价对全线隧道稳定性分析具有重要意义。基于此，以改进的现场围岩压力监测为主要手段，通过实测围岩压力与设计规范采用的围岩压力进行比对，对该隧道衬砌结构的安全性进行评价，以达到反馈设计、指导施工的目的，同时为隧道安全提供可靠信息。

1 监测断面压力传感器布置

本围岩压力监测断面选择于黄岩子隧道出口右幅YK80+383处，埋深93 m，岩性为上元古界长城系常洲沟组红色石英砂岩。监测断面处围岩层理发育，层理产状为21°∠23°。除层理之外，监测断面处围岩发育一组与层理近垂直的节理。监测断面处未见地下水，岩石为微风化～中风化，属较坚硬岩;掌子面右侧部分区域存在较为严重的泥化现象，结构面结合一般，岩体稳定性一般。综合判定该处围岩为Ⅳ级围岩。监测断面处围岩地质素描见图1所示。

图1 监测断面地质素描

对于Ⅳ级围岩，黄岩子隧道采用上下台阶法开挖。基于这种开挖方法，将该监测断面处的围岩压力传感器全部布置于上台阶初期支护工字钢背部，共布置27个(图2)。

在此需要指出的是，本监测中压力盒的布设方式不同于隧道传统选测项目中压力盒的布设方式。传统选测当中，压力盒布置个数过少，且将压力盒直接埋置于喷射混凝土之中。这种布置方式，在压力盒刚度与喷射混凝土刚度一致的前提下，测得的仅仅是压力盒所在位置那一点处的围岩压力，对两个压力盒之间的部位则无法测得围岩压力。而且，压力盒刚度与喷射混凝土刚度往往不一致，在这种方式下测得的压力很难说就是该点处的真实围岩压力。为了克服这些不足之处，本监测对压力盒布设进行了较大的改进，首先是压力盒的数量大幅度增大，其次最关键的是在每两个压力盒之间搭接了传力钢板，并避免喷射混凝土进入传力钢板与工字钢之间的间隙，这样就可以获得整个拱架背部每一点处的围岩压力。

在该监测项目中，采用的围岩压力传感器为丹东前阳工程测试仪器厂生产的XYJ－4型钢弦式双模压力盒，其最大量程为0.5 MPa，直径112 mm，厚度37 mm。搭接传力钢板宽度为0.1 m，长度为0.8 m，厚度为8 mm。压力盒固定于拱架背部的情况见图3所示。

图2 监测断面压力传感器布置图

图3 压力盒及传力钢板

2 围岩压力实测结果

2.1 监测数据计算方法

钢弦式双膜压力盒所测数据为其内部的钢弦频率，需要将该频率转化为受力。其所受应力转化关系为:

式中:f为压力盒受压后钢弦的频率;f0为压力盒未受压时钢弦的初始频率;P为压力盒所受的应力;K为压力盒标定系数。

由公式(1)所得结果为压力盒所受压应力P，其集中压力F计算式为:

式中:F为压力盒所受压力值;P为压力盒所受压应力值;A为压力盒面积。

2.2 监测结果

2.2.1 压力时程曲线

图4为根据式(1)与式(2)计算出的该监测断面上所有压力盒所受压力随时间的变化曲线。

由图4可知，在压力盒安装后，绝大部分压力盒所受压力的变化特性大致相同，一般呈现急剧增大—平缓上升—趋于稳定3个发展阶段的趋势。在安装1周内，围岩压力急剧增大;在2周～6周内，压力增幅趋于平缓;6周以后围岩压力基本达到稳定。另外，在安装后44 d时，大部分压力盒的压力值出现一个小幅跳跃，这是由下台阶开挖引起的。

2.2.2 拱架背部总压力

图5为监测期限内，该监测断面所有压力盒所受总压力达到最大值的时候(开挖后98 d)，拱架背部各个压力盒受力分布图。可见，21压力盒受力最大，达到约5.5 kN;1压力盒受力最小，约为0.2 kN。整个拱架背部所有压力盒的总压力约为67 kN。

图4 各压力盒受力随时间变化曲线

图5 监测断面各压力盒压力分布

3 围岩压力设计值

3.1 设计值的确定方法

依据文献[16]，深埋隧道的围岩压力按下列公式计算:

(1)垂直均布压应力为:

式中:q为垂直均布压应力;γ为围岩重度;S为围岩级别;ω为宽度影响系数，ω=1+i(B－5);B为隧道宽度。

(2)水平均布压应力按表1的规定确定。

表1 水平均布压应力设计值确定

3.2 黄岩子隧道均布围岩压应力设计值

对于黄岩子隧道，其四级围岩深埋段的开挖宽度B为15.8 m，围岩重度γ=20 kN/m3，则根据(3)式和表1可以得到，垂直均布压应力为q约为151.2 kPa，水平均布压应力e约为45.4 kPa。

3.3 黄岩子隧道围岩压力合力设计值

在3.2节获得黄岩子隧道四级围岩深埋段均布围岩压应力设计值的前提下，不难得到该隧道上台阶开挖范围内整个拱架背部上所受的围岩压力设计合力值。该合力计算公式如下:

式中:F为拱架背部围岩压力合力的设计值;q为垂直均布压应力的设计值;Aq为垂直均布压应力的有效作用面积;e为水平均布压应力的设计值;Ae为水平均布压力的有效作用面积。

由图1知，垂直均布压应力的有效作用面积Aq约为隧道跨度与搭接传力钢板宽度之积，黄岩子隧道开挖跨度为15.8 m，搭接传力钢板宽度为0.1 m，不难算得Aq约为1.58 m2;水平均布压应力的有效作用面积Ae约为压力盒安装区域垂直高度与搭接传力钢板宽度之积的两倍，压力盒安装区域垂直高度约为6 m，不难算得Ae约为1.2 m2。将以上数值代入式(5)，算得0.1 m宽度上整个拱架背部的总压力F约为293 kN。

4 衬砌结构安全性评价

根据围岩压力的实测数据，已知黄岩子隧道四级围岩深埋段监测断面上实测围岩总压力约为67 kN，而按规范[17]确定的与监测断面等面积上的设计围岩总压力约为293 kN，前者仅为后者的22.9%，后者约为前者的4.4倍。可见，针对黄岩子隧道四级围岩深埋段的该监测断面，实际围岩压力值远小于按现行规范确定的设计围岩压力值，安全储备超出正常要求偏高，按规范进行的设计过于保守，具有对其进行合理优化的较大空间。

5 结论

对邢汾高速公路黄岩子隧道现场实测围岩压力与《公路隧道设计规范》[17](JTGD70 －2004)中规定的围岩压力进行对比分析，结果显示:实测围岩总压力约为67 kN，远小于规范中的设计围岩总压力293 kN，实测值仅约为设计值的22.9%，设计值约为实测值的4.4倍，说明按设计围岩压力值进行设计的衬砌结构安全储备超出正常要求偏大，设计过于保守，造成较大的浪费，具有对其进行合理优化的较大空间。

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