淺埋軟弱圍巖隧道變形與受力現場監測研究

楊 松，劉曉明

(1.湖南省交通規劃勘察設計院；2.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410000)

淺埋軟弱圍巖隧道變形與受力現場監測研究

楊 松1，劉曉明2

(1.湖南省交通規劃勘察設計院；2.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410000)

通過對韶山一號工程尖卜洞隧道進行研究發現：尖卜洞隧道圍巖總體處于穩定狀態，但在上下臺階的開挖施工中，由于受到施工振動的影響，地表會出現一定程度的沉降問題，但在二次襯砌，混凝土強度達到設計要求之后，其沉降會逐漸趨于穩定。而鋼支撐的應力值隨時間變化曲線經歷急劇增大～緩慢增大～趨于平緩這三個階段，在拱部承受較大的土壓力，為鋼支撐的最不利部位；拱頂的壓力比拱腰兩測點的壓力值明顯偏大，在淺埋情況下拱頂部位為最不利位置。

隧道工程；軟弱圍巖；淺埋；現場監測；變形與受力

1 淺埋軟弱圍巖隧道現場監控量測技術

1.1 隧道監控量測方法

(1)周邊位移監測法。不同的施工方法，運用周邊位移監測法時，在對測點進行布置的過程中需要按照不同的位置。

(2)地表下沉監測。在此類隧道施工過程中，避免不了會出現地表下沉情況，因此，為了避免其對施工造成影響，就需要對地表下沉進行監測。

(3)圍巖壓力量測。在圍巖壓力量測中，每一級圍巖需要選擇3監測斷面，并在其中沿隧道周邊埋設三個壓力盒，以保證量測的準確性。

2 尖卜洞隧道沉降與變形監測結果

2.1 收斂變形分析

通過對該工程中的實際情況進行分析可以發現，在施工的過程中，所產生的水平收斂主要表現在支護強度上。通常情況下，在支護結束之后，由于混凝土還沒有達到設計中的強度要求，這個時候就會發生快速的收斂，而當混凝土強度達到要求，支護結構開始發揮作用之后，收斂就不會再繼續發生。另外，在施工過程中還發現，如果在開挖過程中所發生的振動比較大，或者是隧道受到山體兩側的壓力比較大，所產生的收斂情況就會比較明顯，反之，則不會出現明顯收斂，也不會發生太大程度變形問題。

2.2 地表下沉分析

在本文所研究的隧道施工中，在開挖工作時，由于受到開挖施工的影響，在掌子面的附近，約7 m左右的范圍內，分別出現不均勻沉降的情況。在下臺階開挖的過程中，由于上臺階的洞室地表會受到開挖振動的影響，所以也會出現沉降情況；同時，在整體開挖施工結束之后，在進行二次襯砌時，在混凝土沒有達到設計強度之前，也會出現一定的沉降，這些在施工中都需要進行針對性控制。另外，在開挖初期階段，在接近和進入監測斷面的時候，地表都會出現一定程度的沉降，而當開挖施工越過監測斷面之后，沉降就會逐漸減輕，等到越過斷面約100 m時，地表沉降基本上就已經固定，不會再繼續沉降。

3 尖卜洞隧道受力監測結果

3.1 鋼支撐內力計算方法

在對內力進行計算的過程中，首先采用ZX-210T表面型鋼筋應變計測試鋼支撐上下翼緣的應變，然后再利用虎克定律對測點處的應力進行計算，最后根據截面應力分布換算出鋼支撐的實際內力。其具體測試方式如下所示：

設支護結構測試截面所受軸力為N，彎矩為M，根據鋼筋混凝土結構設計原理得出(1)(2)

N=σgAg+σhAh

(1)

M=N·e

(2)

而由結構受力時的變形諧調原理，得出(3)

(3)

將(2)代入 (3)可得

(4)

(5)

截面偏心距可由式(6)求得

(6)式中：e為截面偏心距；σg,σh為測試截面中鋼筋、混凝土所受應力；Eg,Eh為鋼筋(或型鋼)、混凝土的彈性模量；Ag,Ah為鋼筋(或型鋼)、混凝土的計算面積；σ1,σ2為根據虎克定律由鋼筋應變計應變換算的應力值；h為截面高度。

3.2 結果分析

如圖1所示，其為鋼支撐應力值隨時間的變化示意圖，通過該圖能夠看出，應力值一共經歷了從急劇增大到緩慢增大再到逐漸平穩的過程。第一階段，為上臺階開挖階段，該階段受影響較大，所以應力值變化較快；第二階段為下臺階開挖階段，該階段的應力值擴大速度便逐漸降低了下來；而到了第三階段，也就是從仰拱施工做到二次襯砌結束，應力值的變化逐漸趨于平穩，并最終穩定。

圖1 鋼支撐應力值隨時間的變化

在本工程中，鋼支撐的軸力較大值為297.4 kN，分布在隧道拱頂，而拱腰處兩測點僅為23.5 kN和21.8 kN，著說明拱部承受的土壓力比較大，在支護過程中應該加強對該部分的控制。另外，通過對鋼支撐所承受的彎矩進行分析可發現，其呈對稱分布，因此，在對支護進行設計的過程中，一定要確保其擁有足夠強的剛度。

4 結 論

工程的實際案例進行研究和分析可知，在淺埋軟弱圍巖隧道的施工過程中，從上下臺階的開挖，一直到二次襯砌結束之前，地表都會出現沉降問題，隧道也都會出現變形問題，因此，在施工中要對其量測工作應引起足夠重視，盡可能將因為地表下降所帶來的影響控制在最小范圍內。同時，由于鋼支撐的軸力最大值在隧道拱頂，并且其彎矩呈對稱分布，所以在對支護結構進行設計的過程中，一定要重點考慮拱頂的強度，并確保整個鋼支撐的強度能夠滿足支撐需求，盡可能將變形控制在最小范圍內。參考文獻：

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2017-04-28

楊松(1977-)，男，長沙人，工程師，主要從事巖土工程勘察設計監控等工作。

U456.3

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：1008-3383(2017)07-0157-01