淺埋大斷面黃土隧道原位測試研究

王新野 范文軍 白永勝

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300051；

淺埋大斷面黃土隧道原位測試研究

王新野1范文軍2白永勝3

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300051；

2.長春市市政工程設計研究院，吉林 長春 130033； 3.陜西省延安市新區管理委員會，陜西 延安 716000)

結合某工程實例，介紹了淺埋大斷面土質隧道的施工工藝，依據測試原件的工作原理與測試方法，分析了施工中原位測試內容與現場埋設應注意的事項，并對該類隧道建立了一套測試方法，為今后類似工程施工積累了經驗。

隧道，原位測試，施工工藝

20世紀50年代后期新奧法問世以來，地下工程現場的量測開始成為判斷圍巖以及支護結構的穩定性的重要手段之一，通過實測結果優化設計參數并指導施工。近年來由于實驗室設施的完備以及有限元軟件的開發，逐步成為軟件模擬，室內實驗，現場監控等一整套的設計原理和測試方法[1]。但是，實際工程中涉及到的地質情況多種多樣，通過現場原位測試能比較直觀的反映隧道結構的受力與變形情況，其測試方法和測試內容根據圍巖類別或者結構的性質等原因也不盡相同[2]。為此，筆者結合某工程實例，詳細介紹大斷面隧道在土質圍巖(Ⅴ級)下，全程縱向淺埋的施工過程中的原位測試內容與方法,為進一步的工程研究積累了資料。

1 工程概況

本工程依托山西某高速公路隧道段，隧道為分離式雙洞單向行車三車道，設計時速100 km/h，斷面面積170 m2。最大埋深不足22 m。具有埋深淺，斷面大，圍巖差等特點。

表1 隧道圍巖)粉土、卵石土工試驗指標

2 支護結構設計參數與施工工藝

隧道支護采用復合式襯砌結構，初期支護主要施作噴射混凝土，錨桿，鋼拱架，鋼筋網等，并輔以超前小導管、超前(砂漿)錨桿超前大管棚等措施，使之將圍巖的自承能力充分發揮和調動，通過監控量測，在其信息的指導下施作初期支護和二次模筑襯砌。其中初期支護參數主要依據工程經驗類比以及理論計算綜合比較后確定，隧道洞口段進洞采用超前大管棚、套拱結構[3]。

1)地表注漿。本隧道地表由于耕種農作物使得土質較松散，為增大土體的壓縮模量，配合地表沉降的嚴格要求，施工過程采取地表注漿處理，注漿范圍橫向為兩倍隧道開挖寬度，縱向全程注漿(包括大管棚段)，材料為φ108鋼管，橫向間距2.4 m，縱向間距1.2 m，呈梅花形分布，并注入水灰比為0.5∶1水泥漿。

2)大管棚施工。根據明洞暗洞分界面里程，在分界面進行管棚施工，進口40 m，為雙層φ108鋼管，上層每環38根，下層每環51根，出口20 m，為單層φ108鋼管，每環31根。

3)超前小導管施工。當洞身開挖至管棚結束段時，拱部施作超前小導管，φ50小導管長度4.5 m，環向間距0.4 m，外插角10°，每環49根。

4)套拱施工。大管棚施工完畢后，沿大管棚弧線下方30 cm施工套拱。

5)初期支護。隧道初期支護采取φ25中空注漿錨桿，長度4.5 m，間距50 cm×80 cm，雙層φ8鋼筋網20 cm×20 cm，Ⅰ22a工字鋼，間距50 cm，噴C25早強混凝土29 cm。支護緊跟開挖面施作，盡量減少圍巖暴露時間，防止松散黃土脫落。

6)二襯施工。隧道底部開挖支護完成后，由圖1，圖2可知隧道底部按左、右、中的順序進行仰拱二襯施工，二襯模筑C30鋼筋混凝土60 cm，仰拱回填C15片石混凝土。由于隧道埋深淺圍巖差，同時要求減小地表沉降等，二襯施作應及時跟進避免初支結構發生塑性破壞。

3 支護結構應力應變現場原位測試

1)測試元件原理。

本隧道上所采用的測試壓力元件是鋼弦式壓力盒。一般根據鋼弦張拉所受應力不同而它的自振頻率所對應的變化關系的原理，得知鋼弦式壓力盒等測試元件所表現出來的頻率的變化與引起元件應力變化的線性關系可用下式：

其中，f為壓力盒受壓后所測的頻率；f0為壓力盒未受壓時的初始頻率；P為壓力盒底部薄膜所受的壓力；K為標定系數，與壓力盒構造等有關，一般各不相同。

鋼弦內所受應力的變化轉化為鋼弦振動頻率的變化。由此可推導出鋼弦應力與振動頻率的關系：

其中，f為鋼弦振動頻率；L為鋼弦長度；ρ為鋼弦的密度；σ為鋼弦所受的應力。

2)測試內容與方法。

a.鋼支撐應力應變量測:將表面應變計固定在工字鋼的腹板上，通過讀數可讀出相對應頻率，經過換算可得出鋼拱架應力和應變的大小，由此可了解圍巖作用在鋼拱架上的壓力變化，從而評價鋼拱架的間距，鋼拱架型號的合理性以及分析初支混凝土層的實際工作狀態，判斷隧道是否受偏壓影響。通過測量鋼支撐所受壓力判斷鋼支撐的工作狀態。確定在此壓力下鋼支撐的安全系數[4]，根據實際情況確定是否需要采取額外加固措施。

b.錨桿軸力量測：當隧道開挖到埋設元件斷面時，用鋼筋計模擬錨桿，在施作初期支護時用比鋼筋計直徑較大的鉆頭在邊墻以及拱頂所要測的各點鉆孔，然后將鋼筋計放入鉆孔內(如不塌孔可在鋼筋計前端放一定量錨固劑以穩定鋼筋計)用以測量鋼筋計所受軸力的變化規律。

c.初支與圍巖之間接觸壓力量測：將壓力盒埋置在初期支護與圍巖之間,測量圍巖在穩定過程中進行應力釋放中施加給初期支護混凝土結構上的壓力。

d.初期支護與二次襯砌之間的接觸壓力量測:初期支護與二次襯砌之間埋置壓力盒，研究初支和二襯在結構穩定過程中分擔荷載比例。

e.混凝土應力應變量測：在現場澆筑二襯和仰拱前，將混凝土應變計埋設到設計的測量點，量測儀器數據來計算混凝土襯砌的應變值進而分析二襯和仰拱混凝土內力大小[5]。

3)測試元件現場埋設注意事項。

在施工現場進行元件埋設布置前，應對所有元件進行檢驗，包括引線質量，以及引線標號是否清晰。應進行初讀數數次，看是否具有穩定性，對于初讀數數次變化較大的測試元件應分析原因，若是其本身材料加工等質量問題則不應采用。

在固定鋼筋表面計時一般用電焊焊接的方式固定支座，這就需要在安裝表面計時應及時給支座降溫，保證核心部件不受損壞。在鋼筋計放入已經鉆好的鉆孔時應及時迅速縮短時間防止塌孔，尤其黃土隧道在水鉆鉆孔時極易塌孔。對于已經塌孔的情況應再次鉆孔切不可強硬將鋼筋計推入孔內，致使引線斷裂。在埋設壓力盒時小心謹慎正確安裝兩邊受力面所對應的體系。混凝土應變計埋設時應將其綁在鋼筋上，保證在混凝土澆筑過程中不偏離原位置過大，同時固定混凝土應變計的扎絲等不能用力過大，防止非混凝土作用下出現較大誤差。斷面布置如圖3,圖4所示。

4)現場測試數據整理。

采集數據依據測試頻率及時，測試時間有針對性、對比性。將測試原始數據記錄，隨后將記錄數據輸入計算機根據相關軟件對數據計算處理，分析施工工序，以及測試數據時所對應的施工階段對結果的影響，并歸納分析圍巖與支護結構的受力與變形規律[6，7]。分析過程中若發現測量值超出警戒值應及時通知施工單位，監理和業主單位進行及時處理。整個測試階段完成后，總結歸納數據的變化規律，為研究隧道的支護結構受力與變形情況提出參考與依據。

4 結語

由于本隧道斷面大，圍巖條件差，淺埋等特點，且隧道所處地理位置重要，建設方對隧道沉降要求嚴格，故本隧道設計了一套嚴格的原位測試系統，施工過程中很好的監視了結構的受力及變形情況，及時反饋并優化了設計參數，很好的控制了地面沉降。最終給以后的相類似的工程提供資料與積累經驗。為淺埋黃土大斷面隧道的設計與施工提供理論依據和實例。同時也可為城市地鐵隧道的設計施工帶來借鑒經驗。

[1] 李玉文，王 聯.三車道公路隧道的設計與施工[J].世界隧道,1995(5)：57-59.

[2] 吳夢軍，劉新榮.特大斷面隧道施工方法試驗研究[J].重慶建筑大學學報，2006(15)：98-100.

[3] 王 兵.雙車道公路隧道復合襯砌應用研究[J].中國公路學報，1997，10(4)：77-79.

[4] 夏才初,李永勝.地下工程測試理論與監測技術[M].上海：同濟大學出版社，1998.

[5] 王新野.淺埋大斷面黃土隧道支護結構受力性狀研究[D].西安：長安大學碩士學位論文，2013.

[6] 趙占廠，謝永利，楊曉華,等.黃土公路隧道襯砌受力特性測試研究[J].中國公路學報，2004，17(1):66-70.

[7] 陳建勛，楊 忠，袁雪戡.秦嶺終南山特長公路隧道大埋深段施工監測及分析[J].建筑科學與工程學報，2006，23(3):71-75.

The in-situ test research on shallow buried large section loess tunnel

WANG Xin-ye1FAN Wen-jun2BAI Yong-sheng3

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China; 2.ChangchunMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Changchun130033,China; 3.ShaanxiYan’anNewDistrictManagementCommittee,Yan’an716000,China)

Combining with an engineering example, this paper introduced the construction technology of shallow buried large section loess tunnel, based on the working principle and test method of test originals, analyzed the in-situ test contents in construction and the matter needing attention in site bury, and established a set of test method to the tunnel, accumulated experience for future similar construction.

tunnel, in-situ test, construction technology

1009-6825(2014)28-0191-02

2014-08-01

王新野(1987- )，男，碩士，助理工程師； 范文軍(1987- )，男，助理工程師； 白永勝(1985- )，男，助理工程師

U451.5

A