振弦式測縫計在單層管片襯砌結構內壓加載試驗中的應用

林武東，黃偉杰

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510000)

振弦式測縫計用于測量表面縫的開合度，例如：建筑、橋梁、管道、大壩等混凝土的施工縫，配用不同的附件，也可測量土體的張拉縫與巖石和混凝土的裂縫。儀器常用于表面式安裝[1-2]。

1 安裝流程

1.1 初步測試

為了保證儀器正常工作，運輸期間將傳遞桿固定在大約50%量程的松緊程度，讓儀器處于拉伸狀態。現場安裝前，檢查是否正常工作(包括半導體溫度計)。檢查方法有以下2種：

1)把儀器與讀數儀相連并讀數，讀數應保持穩定在4000-5000之間。

2)用歐姆表檢測電路通斷，振弦儀器導線黑、紅之間電阻大約為180Ω±10Ω，檢測時需加上電纜電阻。在25℃時綠、白色導線之間的電阻約為3000Ω，任何接頭和屏蔽間的絕緣電阻應超過2MΩ。

1.2 振弦式測縫計安裝

振弦式測縫計可采用焊接或錨固的方式。焊接時可先將錨桿直接焊接在剛結構上，然后在將傳感器通過萬向節的螺栓安裝在錨桿上。另外一種為灌漿錨桿，錨桿采用一段螺紋鋼筋與傳感器的萬向節相連。此外廠方還可根據需要加工特殊形式的安裝部件[3]。

當使用便攜式讀數儀設置儀器預拉伸量時，使用表1中的量程范圍確定合適位置。裂縫計讀數范圍，見表1。

表1 裂縫計讀數范圍

2 單層管片襯砌結構原位試驗

單層管片襯砌結構：采用混凝土襯砌管片，管片內側不設內襯。管片外徑為6.0m，內徑5.4m，管片厚度0.3m，襯砌管片通過螺栓連接。

3 監測區間加載時間

3.1 內壓加載裝置

單層管片襯砌結構原位試驗工作壓力等級為0.5MPa，水錘壓力0.25MPa。考慮到內水壓試驗堵頭設置及拆除困難，以及單層管片襯砌內水壓風險高，為較好地模擬內壓這一法向面荷載的作用，采用高壓橡膠囊體充水模擬高內水壓，配合內撐鋼管反力支架作為加載裝置[4]。

在隧洞內部安置高強度內撐鋼管作為反力支架，4.8m內徑的隧洞內撐鋼管直徑D4256*28，長6m，材質Q345C，壁厚28mm，內置環向加勁環(Q345C，h=200mm，δ=28mm，間距0.5m)，型鋼內撐(Ⅰ20b)，縱向間距1m。縱向肋板(Q345C，h=200mm，δ=28mm)，按環向間隔30°布置；5.4m內徑單層管片襯砌結構隧洞內撐鋼管直徑D4856×28，長6m，材質Q235C，壁厚28mm，內置環向加勁環(Q235C，h=200mm，δ=28mm，間距0.5m)，型鋼內撐(Ⅰ20b)，縱向間距1m。縱向肋板(Q235C，h=200mm，δ=28mm)，按環向間隔30°布置。

3.2 加載時間

單層管片襯砌結構原位試驗選取第2、5、6、9環管片作為監測斷面，分別定義為a環、b環、c環、d環。試驗分為3組進行，加載順序依次為d環、b環和c環、a環，每組試驗內壓加卸載循環3次，每個循環耗時1d。加載時間記錄，見表2。

3.3 內壓加載流程

試驗區間長度均為15m，考慮囊體和內襯鋼管反力架的長度，每個試驗區間均分為3組，區間內第2環管片為第1組；第5、6環管片為第2組；第9環管片為第3組，考慮到加載裝置進場順序，試驗階段按照組別倒序開展加載，即第3組首先進行加載試驗[5]。

表2 加載時間記錄

4 單層管片襯砌結構原位試驗振弦測縫計監測成果

單層管片襯砌結構原位試驗區間在1d環上安裝12支振弦式測縫計，1d環管片內弧面每條接縫沿環向和縱向各設置2支測縫計，合計12支，均正常工作。環向測縫計用于監測接縫的張開或閉合狀態，縱向測縫計用于監測接縫的錯臺現象。內壓加載過程中，環向振弦式測縫計測值1d環3次加載變化曲線圖，見圖1；縱向振弦式測縫計測值1d環3次加載變化曲線圖，見圖2。3次內壓加載試驗中，管片測縫計測值趨勢及量值較為接近，且第1次內壓加載試驗完成后，部分儀器測值無法完全恢復到初始狀態，使得第2和3次試驗中內壓0.06MPa時的測值較第1次試驗波動大。

由圖1可知，整體上看，內壓增大，1d環管片環向振弦式測縫計測值呈現逐漸增大趨勢，說明管片接縫張開量逐漸增大，管片受內壓作用后膨脹變形，相同內壓大小作用下，管片最大接縫張開量位于拱頂L1-B1接縫處，右拱腰接縫F-L1和拱底接縫B3-L2張開量次之，從量值上看，峰值內壓作用下，管片拱頂最大接縫張開量為2.07mm，>2mm限值，其它位置接縫張開量均<0.50mm，可見，本區間結構在內壓達到0.36MPa時，首先可能會在拱頂發生外水滲漏，影響結構的正常運營[6]。

圖1 環向振弦式測縫計測值1d環三次加載變化曲線圖

由圖2可知，整體上看，內壓加載過程中，1c環管片縱向振弦式測縫計測值波動較小，最大變化量<±0.16mm，內壓加載對管片襯砌錯臺的影響較為有限，但相比其他區間的結構型式，錯臺量明顯增大，這是因為本區間結構整體剛度最小，受內壓加載的影響最大。

5 結 論

根據現場經驗和儀器廠家安裝說明總結以下儀器安裝方法：

1)在預制襯砌管片時，根據振弦式測縫計安裝位置在兩塊相鄰管片預留溝槽，具體尺寸根據預安裝儀器的大小、安裝要求確定，并安裝完成后儀器不外凸。

2)采用不銹鋼保護蓋蓋住振弦式測縫計，在溝槽內用阻燃發泡膠進行回填，在不銹鋼保護蓋外表面涂抹上中性密封膠和貼上“監測儀器，注意保護”標志。

振弦式測縫計通過其儀器安裝方法，儀器存活率為100%，在單層管片襯砌結構原位試驗區間應用很成功，結合兩個監測斷面的環縱向測縫計測值結果可知，拱頂接縫是內壓加載過程中管片的顯著響應區，在接縫張開和管片錯臺的雙重影響下，其誘發的外水內滲問題應引起足夠的重視。