第三系砂泥岩隧道应力监控量测分析

刘 盼，王生光

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

第三系砂泥岩隧道应力监控量测分析

刘 盼，王生光

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

监控量测是新奥法施工的重要组成部分，其可以简单直接的掌握隧道围岩变形和支护结构受力情况。通过依托牡绥线双丰隧道应力监测断面，详细的介绍了应力量测的原理、内容和监测数据的处理方法，以及得出第三系砂泥岩隧道最大跨处为围岩薄弱环节，在初期支护中要严格控制变形并采取加固措施等结论。通过监控量测能更好的调整施工方法和支护参数，确保施工安全，并为同类工程施工提供较大的参考价值。

新奥法；监控量测；第三系砂泥岩

新奥法设计与施工越来越多的被应用于现代高速铁路隧道建设。新奥法作为一种新的施工方法，摒弃了传统矿山法施工思想(隧道围岩荷载完全由支护结构承担)，而是将隧道围岩和衬砌结构看作成一个完整的支护体系，允许围岩有少量变形。监控量测作为新奥法施工的三要素(控制爆破，喷锚支护和监控量测)之一，在隧道建设中俞现俞重要，其不但可以直观的提供围岩和支护结构的安全稳定信息，还能进一步优化施工方法和支护参数，为隧道的安全修建提供技术保障。

1 工程概况

双丰隧道位于黑龙江省东宁县，起讫里程为DK461+752～DK468+978，全长7 236 m，为牡绥线最长双线隧道，隧道采用三台阶七步开挖法施工，共设有2座斜井，最大埋深约140 m。隧道围岩所处的工程地质较为复杂，表层覆盖玄武岩和砂泥岩，下基层围岩分布起伏较大，主要有花岗岩、花岗闪长岩、安山玢岩，中部是沉积松软的第三系砂泥岩。

2 监控量测的目的和意义

第三系砂泥岩易被水软化、冲蚀，形成涌泥、流砂和塌方，这种围岩成岩性差，受地下水作用，开挖扰动后基本呈糊状，基底有涌水现象发生，工程性质迅速恶化，多次出现涌水涌泥、变形过大、施工进度缓慢等问题。第三系砂泥岩地层施工，国内尚且无成功的施工案例可以借鉴，国外可以借鉴的类似工程又不多，因此，进行隧道围岩应力监控量测可以准确了解第三系砂泥岩的围岩特性、强度、围岩变形、膨胀性等，并对隧道支护参数、预支护参数、变形控制、施工方法及基底加固处理技术等进行系统优化，其具有重要的现实意义。

3 监测原理

3.1 围岩压力量测

围岩压力量测以压力盒作为压力量测传感器，每个测点安装一个压力盒，通过传感器的频率变化计算围岩压力大小和变化情况。压力盒取丹阳市岩泰工程厂振弦式传感器，工作温度为-25～+60 ℃，线性误差为0.730%F.S，计算公式为：

P=K×(Fi-F0)

(1)

式中：P为压力值，负值为拉力，正值为压力；F为频率读数；K为标定系数。

3.2 钢拱架应力量测

钢拱架应力量测以表面应变计作为应力量测传感器，每个测点安装一个表面应变计，通过传感器的频率变化计算拱架应力大小。表面应变计取丹阳市岩泰工程厂振弦式传感器，工作温度为-25～+60 ℃，线性误差为0.539%F.S，计算公式为

P=K×(Fi-F0)

(2)

式中：P为应力值，负值为压应力，正值为拉应力；F为频率读数；K为标定系数。

4 监控量测内容

4.1 监测断面选择

结合现场地质情况，为更好的观察总结围岩工程特性和优化施工方法，监控量测断面选取在工程地质比较典型地段—第三系砂泥岩互层段即DK462+950断面。

4.2 监测内容和测点布设

实施全面分析围岩稳定信息和支护结构受力情况，又能使各测点数据间可以相互比较，相互联系，故量测项目布设在同一断面上，共布设5个测点，分别在拱顶，拱腰和最大跨位置，进行围岩压力、钢拱架应力、初支与二衬间接触压力等应力量测。测点布设和量测项目布置如图1、图2所示。

图1 断面测点布设图(m)

4.3 量测频率

测量频率根据现场围岩支护结构受力情况确定。在二衬施做前，围岩压力活跃，支护结构受力发生规律性变化，量测频率1次/天；在二衬施做后，围岩压力基本稳定，各支护结构受力也基本稳定，量测频率1次/周，或者根据数据变化情况适当拉长数据测量时间间隔。

图2 量测项目布置示意图

编号量测项目仪器A围岩压力压力盒B钢拱架应力应变计C接触压力压力盒

5 量测数据分析

5.1 围岩压力

围岩压力监测可间接的采集到围岩因变形受阻而作用在支护结构上的力。压力盒安装完成后，用频率读数仪测量压力盒读数，并对每个测点读数三次，取其平均值作为数据分析的初始读数。围岩压力曲线图如图3～图5所示。

图3 拱顶围岩压力曲线图

图4 拱腰围岩压力曲线图

拱顶处围岩压力最大值为362 kPa，支护结构呈受压状态。压力盒安装前5 d，围岩压力增值迅速，达到220 kPa，表明拱顶初喷混凝土比较密实，很好的填充了围岩与钢拱架之间的空隙。随着掌子面的进尺和中台阶的开挖，第8 d时，围岩压力发生异常呈下降趋势，分析原因是隧道的开挖影响了围岩的稳定性。第10 d后，围岩压力呈增大状态，并在第22 d达到稳定状态。施做二衬时，模板的拆卸引起了围岩压力的重新分配，围岩压力有轻微的变化，但随后趋于稳定状态，支护效果表达良好。

左拱腰和右拱腰在初期阶段，围岩压力增值速率一致，第3 d，右拱腰的围岩压力值为120 kPa，左拱腰围岩压力值为82 kPa，表明拱腰初喷混凝土较密实，与围岩接触较好。随着隧道的开挖，第5 d后，左右拱腰围岩压力值呈不同的走势，右拱腰压力值呈增大趋势，左拱腰压力值无明显变化，基本达到稳定状态。第30 d后，围岩压力稳定，左右拱腰压力值分别稳定于120 kPa和260 kPa。

图5 最大跨围岩压力曲线图

左右最大跨围岩压力在前4 d增值较大，左右最大跨处围岩压力值分别为76 kPa和62 kPa，表明初期支护效果表达较好。第5 d后，砂泥岩地层发生涌水现象，使围岩处于破损状态而进行的排水，注浆措施，致使左最大跨处围岩压力变化较复杂，无规律性可循。第40 d后，围岩压力基本趋于稳定状态，左右最大跨围岩压力最大值为80 kPa和78 kPa。监控量测时间段内，围岩基本呈收敛形式，此断面与2013年10月中旬进行二衬施工，二衬施工后围岩压力处于稳定状态。

5.2 钢拱架应力

表面应变计安装完成后，用频率读数仪测量应变计读数，并对每个测点读数三次，取其平均值作为数据分析的初始读数。钢拱架应力曲线图如图6～图7所示。

各测点钢拱架应力在安装初期阶段，均有明显的增大趋势，其中拱顶、拱腰的增值速率较小，左右最大跨的增值速率较大，主要原因是掌子面的推进扰动了围岩的稳定性，从而产生了应力。随着下台阶和仰拱的开挖，拱顶拱腰处应力值进一步提升，而最大跨处应力值无明显变化，说明拱顶拱腰处围岩还在收敛状态，最大跨处初期支护效果表达良好，围岩稳定。第28 d时，右最大跨处钢架应变计读数异常，分析原因是该测点的仪器损坏。拱顶的最大应力为-368 MPa，左右拱腰的最大应力为-240 MPa和-395 MPa，左右最大跨的最大应力为-453 MPa和-396 MPa，其中拱顶、右拱腰、左右最大跨最大应力均已超过钢拱架应力屈服强度。二衬施工后，各测点钢架应力基本稳定，无明显的起伏变化。

图6 拱顶、拱腰钢拱架应力曲线图

图7 最大跨钢拱架应力曲线图

5.3 二衬接触压力

接触压力曲线图如图8～图9所示。

图8 拱顶拱腰接触压力曲线图

图9 最大跨接触压力曲线图

拱顶接触压力最大值为98.5 kPa，在仪器安装的前10 d时间里，混凝土强度表达较弱，压力值无明显变化。第13 d时，围岩压力开始增大，呈阶段性的性变化。30 d过后，二衬强度表达明显，支护结构呈增长趋势。左右拱腰接触压力差距较大，仪器安装的10 d时间里，拱腰压力较弱，在0 kPa左右徘徊。第13 d时左拱腰压力逐渐增大，并随着时间的推移趋于稳定,最大值为35 kPa，而右拱腰压力无变化。从左右最大跨接触压力曲线图分析得知，隧道受较大的偏压作用，在施工过程中应当引起重视。仪器安装前10 d时间里，压力增值速率较小，第13 d后，压力值有明显的增值现象，左最大跨处接触压力值急剧上升，二衬支护结构承受较大的围岩压力。第30 d时，左右最大跨围岩压力趋于稳定，最大压力值分别为325 kPa和86 kPa.

6 结 论

通过对双丰隧道DK462+950断面应力监测数据分析可以得出如下结论。

(1)初期支护很大程度上承受了围岩压力，拱顶处的围岩压力最大。隧道围岩压力处于平稳阶段后，仍存在一定的波动，尽管对隧道稳定性没有影响，但随着掌子面的进尺，围岩对初期支护的作用处在变化之中，需要进一步的监测研究。拱顶、右拱腰、左右最大跨处钢架应力均已超过其抗压屈服强度极限，在施工环节中要采取加固措施严格控制围岩变形。

(2)通过监控量测不但能准确判断初期支护结构受力情况，还能为二衬施做预测最佳施工时间。在进行初期支护后30 d，围岩压力、钢拱架应力都处于稳定状态，隧道稳定性性良好，可以进行二衬施工。

(3)监控量测数据分析显示，双丰隧道所采用现行的施工组织设计和支护参数是可行的，虽然第三系砂泥岩施工工序较为复杂，但在很大程度上保证了隧道的安全稳定性。

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Tertiary sand shale tunnel monitoring analysis of stress

LIU Pan

(Institute of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070,China)

Monitoring is an important part of the construction of new Austrian method, it can be simple and direct master the deformation of tunnel rock and supporting structure. Based on MUSUI line ShuangFeng tunnel stress monitoring cross section, it principle of force measurement are introduced simply, the content and the analysis of monitoring data deal processing. And it is concluded that the largest place of tertiary sand shale tunnel is the weak link of rock. To strictly control the deformation and primary support reinforcement measures. By monitoring can better adjust the construction method and support parameters, ensure the construction safety, and provide greater reference value for similar project construction.

NATM；monitoring；tertiary sand shale

2015-07-08

刘盼(1990-)，男，甘肃庆阳镇原人，研究方向：地下工程与隧道。

U455.2

C

1008-3383(2016)02-0098-04