软岩大变形隧道支护结构应力监测应用

杨兴仁

(中铁十二局集团第二工程有限公司， 山西 太原 030032 )

1 概述

随着我国山区高速铁路的不断延伸，山岭隧道数量也在日益增多。在隧道建设中，面临隧道岩溶、煤层瓦斯及有毒有害气体、危岩落石、顺层偏压、软岩大变形，断裂破碎带等地质条件复杂段，本文针对隧道软岩大变形段支护结构应力监测进行分析，希望能以理论进一步促进实践。

2 应力监测技术

2.1 监控量测要求

监测点布设计要考虑满足施工需要，同时还需满足工程竣工后道床方案可能调整的情况，综合布设监测点，其中隧底为长期监测点。

考虑初期支护是关键工序，其相关监测需加强，每50m设置一个应力监测断面，监测包括(围岩压力、接触压力、钢架应力、锚杆轴力、初支混凝土应力、二衬钢筋应力)。

2.2 应力监测项目及监测方法

2.2.1 围岩内部位移

为了探明支护系统上承受的荷载，进一步研究支架与围岩相互作用之间的关系，不仅需要量测支护空间产生的相对位移(或空间断面的变形)，而且还需要对围岩深部岩体位移进行监测，因此，围岩内变形量测的目的为：确定围岩位移随深度变化的关系；找出围岩的移动范围，深入研究支护与围岩相互作用的关系；判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性区的范围。

(1)测点布置

每个断面对靠平导侧拱腰、拱脚和仰拱共3 个部位围岩中埋设多点位移计，多点位移计长度：边墙及仰拱为对应位置设计锚杆长度的1.5 倍，拱部范围与设计锚杆长度一致，即拱部测点的多点位移计长12m、仰拱测点的多点位移计长18m(见图1)。

量测采用智能型多点位移计，由两大部分组成：一是洞内埋入部分，为机械式多点位移计，二是洞壁接收仪器——测频仪，由测头，测量电缆，接收系统和绕线盘等组成。

(2)件埋设方法及数据采集

首先采用地质钻成孔，孔直径不小于76mm，成孔后将导管缓慢地放入孔中，直到最底部观测点位置，然后再用专用工具依次将锚头埋入设计的位置，并进行灌浆锚固，在洞壁对传输电缆线进行保护。

根据设计每个断面的元器件位置和数量进行埋设，并将元器件的传输缆线绑扎在钢架上，沿环向引至墙脚、集中在每个断面的集线箱处，每个断面设两个集线箱，集线箱位于墙脚线上1～2m 处，便于保护集线箱和数据的采集。采用测试仪进行数据采集。

隧道开挖完成后，尽早采集位移计的初始读数，根据测试数据的变化调整测试频率，直到测量读数已经稳定，可不再监测该点或该断面。每次量测后应绘制不同深度的位移-历时曲线及孔深-位移关系曲线，当位移速率突然增大时应立即对各种量测信息进行综合分析，判断施工中出现了什么问题，并及时采取保证施工安全对策。

2.2.2 锚杆轴力

(1)断面布置

软岩大变形隧道应力监测按50m/组设置，为确保监测数据的可靠性，结合目前元器件的精度和可靠性水平，可进行国内和国外测试元件埋设。

(2)测点布置

每个断面对拱顶、左右拱脚、左右边墙、仰拱3 个点等共计8 个部位埋设锚杆轴力计，每根测试锚杆根据其长度布置4个锚杆轴力计(见图2)，监测锚杆长度均为12m。

(3)元件埋设方法及数据采集

锚杆施作前，在量测锚杆的设计位置安装好锚杆轴力计，然后再将安装好锚杆轴力计的量测锚杆按图3 所示位置进行布置。在锚杆安设好后，将锚杆轴力计导线沿钢架引至边墙距墙脚1.5 米高处，线头从预埋的铁盒里引出。埋设时将锚杆轴力计编号与测试点所对应位置做好记录。

将铁盒内线头插入测试仪中，测试读数并作好记录。每次每个锚杆轴力计的测量应不少于3 次，力求测量数值可靠、稳定。

2.2.3 围岩压力及初支与二衬间接触压力

(1)测点布置

每个断面在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙、左右墙脚、仰拱3 个点等共计12 个部位设置测点，每个部位在围岩与初支之间埋设压力盒测试围岩压力、初支与二衬之间埋设压力盒测试接触压力，围岩压力及接触压力在横断面内测点布置如图3 所示。

其中布设于初支与二衬之间的可根据现场情况进行优化，选取2～3 个断面进行监测。

(2)元件埋设方法及数据采集

压力盒埋设时，将埋设处的围岩仔细夯实找平，然后使压力计就位。为了大大减小或消除结构中横向力对测量结果的影响，在埋设前，在压力计周围包一层厚度为1～2mm 的橡胶圈。就位的压力计工作面与结构物底平面齐平，不要凹进或凸出，还要防止压力盒偏斜，以避免偏载造成的误差。

2.2.4 钢架应力

(1)测点布置

每个断面在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙、左右墙脚、仰拱3 个点等共计12 个部位设置测点，每个部位根据工程进度对初支内钢架应力进行监测，初支测点分别在钢架内外两侧各布置1 个应变计，测试出钢架两侧应力后可计算得钢架内力，断面内测点布置如图4 所示。

(2)元件埋设方法及数据采集

埋设方法：在施工过程中，将应变计直接对焊在钢支撑的内外侧翼板上，在焊接前应对应变计的初始频率进行测试，测试结果应和标定表的零点频率相同，方可进行焊接，在焊接时必须对应变计进行水冷却，以免由于焊接时的高温传到应变计上，损坏应变计内部电器元件。当焊接完成后，再次测试应变计的初始读数是否正确，如正确便可将其装到工程部位。

2.2.5 初支混凝土应力

(1)测点布置

每个断面在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙、左右墙脚、仰拱3 个点等共计12 个部位设置测点，每个部位根据工程进度分别对第一层初支、第二层初支的喷射混凝土应力进行监测，每层初支测点分别在初期支护内外两侧各布置1 个埋入式应变计，测试出喷混凝土两侧应力后可计算得初支内力，断面内测点布置如图5 所示。

(2)元件埋设方法及数据采集

混凝土埋入式应变传感器安装时埋入混凝土中，应保证其轴线与受力方向一致，在元件安装完成后并进行初始频率的测试。

2.2.6 二衬钢筋应力

(1)测点布置

每个二次衬砌断面在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙、左右墙脚、仰拱3 个点等共计12 个部位设置测点，在每个部位的内外侧主筋上埋设布置1 个钢筋计，测试出二次衬砌钢筋内外侧应力，可计算得二衬内力，断面内测点布置如图6 所示。

(2)元件埋设方法及数据采集

元件埋设及数据采集同钢架应力。

2.3 监测频率

应力监测均采用采集箱自动采集。根据《铁路隧道监控量测技术规程》相关规定，应力监测项目根据距开挖工作面距离关系确定监测频率，并根据速率情况适当增加频率，见表1。

表1 施工期监测频率

3 监测数据的分析和预测

监测工作进行一段时间或施工某一阶段结束后，都要对测量结果进行总结和分析。

3.1 数据整理

把原始数据通过一定的方法，如按大小的排序，用频率分布的形式把一组数据分布情况显示出来，进行数据的数字特征值计算，离群数据的取舍。

3.2 数据的曲线拟合

在取得一定监测数据后，应绘制应力时态变化曲线图，如图7 所示。然后寻找一种能够较好反映数据变化规律和趋势的函数关系式，对下一阶段的监测数据进行预测，防患于未然。

3.3 插值法

在实测数据的基础上，采用函数近似的方法，求得符合测量规律而又未实测到的数据。

4)计算围岩位移和内力变化速度、加速度曲线，进行稳定性判断。

5)根据接触压力与支护内力量测，计算分析支护结构的安全度，合理性。