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交叉隧道施工应力监测与分析
日期:2017-8-16 10:15:15 作者:佚名 来源:本站原创
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1 引 言

现场监控量测是以现场施工监测所获得的围岩和支护系统力学状态的变化为依据, 对现场所采集的数据结果进行及时的处理, 以作为初期支护和二次衬砌的参数调整提供依据, 在整个隧道施工过程中起到了极其重要的作用[2]。使隧道施工更安全、更经济, 而其经济性与安全性就是通过现场监控量测所获得的围岩、支护系统的应变和应力信息及时反馈应用于隧道设计和施工中来实现的。因此, 快速、准确地进行现场监控量测和信息反馈在隧道施工全程中是至关重要的。

2 工程概况

新城子隧道地貌上位于西秦岭高中山区,山高沟深,山坡、谷坡较陡,隧道洞身通过的地层主要为下第三系砾岩夹砂岩夹泥岩及三叠系中统板岩夹砂岩夹灰岩及断层角砾和碎裂岩。斜坡及坡顶覆盖有第四系全新统坡积细角砾土和上更新统风积砂质黄土。工点处的大地构造属于青藏歹字形构造体系,受构造作用影响,褶皱断裂发育,地质构造十分复杂。工点范围内受区域地质构造作用影响,发育有断层、褶皱、岩层角度不整合接触带及节理密集带,地质构造发育。

隧道出口段受车站站线进洞的影响,设计为喇叭口隧道,其中7775米为双线断面, 30米为双连拱断面, 902米为单线断面, 457米为双线车站隧道断面。

3 现场监测

新城子采用三台阶七步开挖法施工,超前支护φ42小导管预注浆,长3.5m,环向间距0.4m;初期支护c25混凝土,喷射厚度30cm;φ8钢筋网片,网格间距20cm×20cm;全环设工22b型钢钢架,间距0.6m;衬砌钢筋环向采用Φ22@20cm,纵向采用Φ14@20cm。

3.1隧道监测的目的和意义

新城子隧道出口段受宕昌车站站线进洞的影响,设计为喇叭口隧道,受高地应力、地下水及构造的影响,现场施工中大变形、喷混凝土开裂,钢架扭曲错断、侵限破坏等问题十分严重。为了及时分析掌握结构的安全性,本着试验先行的原则,对该隧道喇叭口段均设置了试验段,通过试验分析研究对隧道结构安全性状况做出评估,指导设计和施工,为隧道的运营维护及同类隧道设计施工提供依据。

3.2监测项目

根据兰渝公司要求,结合新城子隧道喇叭口平面布置情况以及现场施工情况,并根据新城子隧道的施工设计方案及特殊地质状况,对新城子隧道单线段(DyK276+343~DyK276+283)进行施工试验。试验段共三个断面,每断面相距20米,主要进行应力项目的监测,在应力监测方面开展的项目有:围岩压力、衬砌接触压力、衬砌钢筋应力及锚杆轴力共4个监测项目,要求监测元件能满足自动化监控。这里选取一个断面(DK276+335)进行整理分析。

3.3测点布置

此监测项目所用元件计主要有压力盒、钢筋计等。

其中,针对A、B、C三项测试,测试部位按每断面8点进行设置:8点测分别为拱顶、左右拱腰、左右墙中(最大跨处)、左右墙脚和仰拱处。隧道测点布设如图3所示。

3.4测量频率

根据《铁路隧道监控量测技术规程TB10121-2007/J721-2007》和类似工程经验以及落实兰渝公司要求,结合兰渝铁路新城子隧道的特点,其监测频率按如下进行。

埋设初期1~2次/天,1周后1次/天,1个月后2~3次/周,3个月后1次/周。监测频率及时间根据监测数据和现场工程进展及时调整。

4监测数据分析

现场监控量测人员按规范和监控量测大纲规定的频率坚持每天到洞内采集数据并整理分析,如发现量测数据出现异常变化或围岩地质情况变差,则及时分析引起变化的原因并通知有关各方,使问题得到及时处理,并适时在规范规定的基础上调整量测频率[1] 。

4.1围岩压力与接触压力

压力监测通常是指围岩与初期支护或初期支护与二衬之间的接触压力测试。其目的是:了解围岩压力的量值及分布状态;判断围岩和支护结构的稳定性,分析二次衬砌的稳定性和安全度[3]。

当监测围岩施加给喷砼层的径向压力时,先用水泥砂浆、钉子、铁丝把压力盒固定在岩面上,再谨慎施作喷砼层,不要使喷砼与压力盒之间有间隙,保证围岩与压力盒受压面贴紧,安装完毕之后按规范或大纲要求频率进行监测。当监测初期支护与二次衬砌之间的接触压力时,先用水泥砂浆将固定点找平,然后将压力盒用水泥钉和铁丝固定在喷砼表面,不要使喷砼与压力盒之间有间隙,保证喷砼与压力盒受压面贴紧。

对监测断面的测试数据进行整理分析,所测围岩压力数据绘制成的压力分布图如图4所示。通过对围岩压力现场观测值进行分析, 可以得出以下结论:

压力盒安装初期各测点普遍有波动,主要是由于开挖断面距离监控断面距离较近,对围岩的扰动大所致;随着掌子面距离观测断面距离变大,对观测断面的影响变小,之后围岩应力缓慢增加;二衬施工完成,出现少许增加,原因分析为二衬起到了支护作用所致。右拱腰处围岩压力在安装后50天左右出现大的增加,分析原因为左线隧道开挖所致。二衬施工完成后,压力基本趋稳。

对监测断面的测试数据进行整理分析,所测接触压力数据绘制成的应力分布图分别如图5所示。通过对现场观测值进行分析,可以得出以下结论:

压力盒安装初期各测点普遍有小的波动,并且压力值增加较快:随着掌子面距离观测断面距离变大,对观测断面的影响变小,之后围岩应力缓慢增加:二衬施工完成一个月后,压力基本趋于稳定。

综合围岩压力和接触压力分析,可知右侧的围岩压力和初支-二衬间压力普遍大于左侧,呈现明显不对称的情况,主要是受偏压作用的影响;最大围压出现在右最大跨度处,且右侧最大跨度以上围压增大迅速,围压值也非常大,反映出侧向压力很大,应予以高度重视。

4.2二衬钢筋应力

隧道二次衬砌钢筋应力的量测是将二衬钢筋截取相应长度后,直接把钢筋应力计与其焊接[4]。在二衬混凝土浇注后按规范或大纲要求频率进行监测。

对监测断面的测试数据进行整理分析,所测二衬钢筋轴力数据绘制成的应力分布图。

通过对现场观测值进行分析,可以得出以下结论:

外层钢筋均受压,内层钢筋除拱顶和右墙中之外,均受压。

拱顶和右墙中内层钢筋拉力较大。尤其是拱顶内层钢筋,第25天内就已经达到了50kN,但外层钢筋表现为受压只达到7KN,从第25天开始基本维持稳定,钢筋轴力波动不大,分析可能是个施工环节完毕和混凝土刚度完全形成造成的。

该断面二衬钢筋受力均比较小,除了拱顶和右墙中之外,最大值不超过20KN。所有监测部位在30多天之后变化比较平稳,进入稳定状态,受后续施工影响较小

总体来说二衬钢筋轴力都不是很大,说明初期支护结构很好的承担了围岩的压力,支护结构满足强度要求。

  5 结论

通过对新城子隧道施工监测可以得出以下结论:

(1)接触压力除受二衬混凝土收缩徐变及自重等因素的影响之外,更重要的与围岩稳定程度、支护刚度、施工工艺、施工工序、距掌子面的距离等因素有关。由两层支护之间的接触压力监测结果可以看出,接触压力值较小,初期支护各项参数基本合理。完全发挥了初期支护结构承担较线,考虑到右侧压力比大压力,二衬作为安全储备的作用。

(2)通过对现场监测数据整理分析,得到该监测断面存在偏压,右侧压力比左侧大。监狱该监测断面为线路右线,考虑到右侧压力比左侧大,建议线路左线掌子面可以适当拖后开挖,这在一定程度上可释放掉一部分偏压力,对左线隧道衬砌受力有利,对该隧道的设计和施工给出了建议、做出了指导,给出了建设性意见。

(3)通过对现场监测数据整理分析,大概掌握了此类围岩变形的初步发展规律和分布特征。而且通过现场监测可以准确及时地判断施工中围岩和支护结构的稳定性,并及时反馈施工设计,避免塌方事故的发生,实现了安全快速施工、降低风险的目的。


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