高速公路隧道跟踪监测及承载状况诊断

资源类型:pdf 资源大小:292.00KB 文档分类:交通运输 上传者:邬勇

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【作者】 王建秀  朱合华  唐益群 

【关键词】高速公路隧道 时间效应 跟踪监测 承载状况诊断 

【出版日期】2005-03-30

【摘要】简要介绍了新奥法基本原理中岩体开挖的时间效应,指出在隧道建成后一段时间内,围岩变形的时间效应将使衬砌的结构内力继续变化,为保证隧道运营的安全,在主体工程施工完毕后应对其继续进行跟踪监测。本文以云南元(江)磨(黑)高速公路隧道群中元江1号隧道为例,通过近一年的跟踪监测工作,总结和分析了隧道主体工程完工后结构荷载的发展和变化规律,对于随时间变化明显的内力选项,给出了其随时间变化的公式,并对承载状况进行了诊断。

【刊名】土木工程学报

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1 概  论目前 ,在我国公路隧道的施工中 ,新奥法 (NewAustrianTunnellingMethod NATM )已获得广泛应用。新奥法的理论是建立在岩石的刚性压缩特性和三向压缩应力应变特性以及莫尔学说基础上的 ,该方法将围岩看作粘弹塑性连续介质 ,根据围岩变位的稳定性来设计隧道的支护结构 ,通过现场量测来监视围岩动态。由岩石刚性压缩试验曲线可以看出 ,当岩石中应力值达到岩石的强度极限后 ,并不是立即失去了抗压强度 ,而是还残存着一定的残留强度 ,岩石残留强度是随着时间的前进伴随着应变的发展而逐渐下降的。当残留强度达到最低值时 ,应变会无止境地发展 ,处于松动状态 ,随松动状态的发展 ,岩石才会发生破坏和崩落。隧道围岩在开挖后 ,还可能产生流变 ,即在应力变化不大的情况下 ,围岩的变位随时间而发展。在三轴应力状态下 ,如果围岩中应力低于流变界限 ,则其最终可能收敛 ,否则必须构筑支护结构 ,使围岩流变终止。隧道围岩和时间相关的这些性质称为时间效应。新奥法构筑隧道要求充分利用岩石的强度极限及残留强度 ,具体表现在 :构筑支护结构要有时间效应的概念 ,要适时 ,支护结构应当具有柔性 ,刚度不必过大 ,在不出现有害松动的条件下 ,允许围岩产生一定的变位 ,要使围岩变位能够达到稳定 ,其围岩应力必须低于徐变界限 ,否则要使围岩变位稳定是不可能的。但在支护围岩变位趋于收敛 ,二衬施工完毕后 ,围岩和衬砌中应力仍可能随时间增长 ,所以 ,对于控制性隧道以及施工过程中出现较多灾害的隧道 ,尚应对其进行较长一段时间的跟踪监测 ,并根据监测结果对隧道的承载状况进行诊断 ,对于应力增长不稳定的部位应重点提出 ,并对其进行加固或进行长期监测。对于主体工程已完工的隧道 ,跟踪监测的项目主要有 :初期支护与围岩的接触应力、初衬与二衬的接触应力、初衬和二衬钢格栅 (拱架 )钢筋应力、锚杆轴力等。在进行承载状况诊断时 ,可以通过钢筋计或压力盒读数的绝对数值进行判断 ,也可从其变化和发展趋势判断。2 云南元磨高速公路元江 1号隧道跟踪监测及承载状况诊断  元江 1号隧道地层岩性为第四系地层Qel+dl,褐色、紫色碎石土 ,成分为板岩、粉砂岩、砂岩 ,三叠系上统地层为紫红色、灰绿色板岩、千枚岩、青色粉砂岩 ,其原岩为紫红色灰绿色泥岩 ,围岩相当破碎 ,隧道的采用的是半圆拱曲墙衬砌 ,隧道S1、S2型衬砌为明洞衬砌。S3、S4、S5型衬砌为洞身衬砌 ,配筋参见图 1。跟踪监测工作于 2 0 0 1年 11月 17日起开始 ,2 0 0 2年 10月完成 ,跟踪监测时间接近一年。2 1初衬和围岩间的接触应力至 2 0 0 2年 10月 ,跟踪监测的围岩 -初衬接触应力 -时间曲线一般都在缓慢增长 ,但比较平缓 (图2 )。说明隧道主体部分的开挖和支护工作完成后 ,初衬和围岩的共同变形趋缓并逐渐稳定。2 2 二衬和初衬间的接触应力至 2 0 0 2年 10月 ,跟踪监测的接触应力 -时间曲线有三种变化情况 :图 1 元江 1号隧道S3、S4、S5型衬砌配筋示意图(据云南省公路规划勘察设计院 )Fig 1 ReinforcementtheofliningsS3、S4andS5oftheYuanjianNo 1tunnel(1)曲线平缓 ,随时间基本不变。跟踪监测的大部分断面测点呈此规律。(2 )曲线变化 ,在跟踪监测期内先增后减 ,然后趋于平缓。下行线K2 13+ 12 5右边墙底部的接触应力呈此变化规律。上行线K2 13+ 2 30断面的两侧边墙 ,自隧道主体工程完成后 ,初衬和二衬之间的接触应力有一个短暂的平稳时期 ,然后开始上升 ,说明该断面附近围岩的侧向变形较大 ,致使隧道二衬左、右边墙下部的接触应力分别增加到了 0 972 4MPa和1 6 35 2MPa (图 3) ,之后又有所减小并趋于稳定。隧道主体工程施工完毕后 ,两边墙接触应力随时间的增长可近似用以下公式计算 :σ1675(t′) =- 8× 10 -6t′2 + 0 5 886t′- 110 4 2 ;R2 =0 85 11(1)σ8110 (t′) =- 1× 10 -5t′2 + 0 82 77t′- 15 5 0 7;R2 =0 816 1(2 )图 2 元江 1号隧道下行线K2 13 + 2 17断面围岩 -初衬之间应力—时间曲线Fig 2 Time dependentcurvesofthecontactstressbetweenthesurroundingrockandtheprimaryliningatK2 13 + 2 3 0oftheYuanjianNo 1tunnel图 3 元江 1号隧道上行线K2 13 + 2 3 0断面初衬二衬之间应力—时间曲线Fig 3 Time dependentcurvesofthecontactstressbetweentheprimaryandthesecondaryliningatK2 13 + 2 3 0oftheYuanjianNo 1tunnel式中 :t′为从 2 0 0 1年 11月 17日开始的天数。按隧道施工中的新奥法 ,二衬是在初衬及围岩变形趋于稳定后施做的 ,但由于围岩所具有的流变特性 ,随着时间的发展 ,还是有不小的荷载转移到二衬上 ,不能达到二衬不受力、仅作为安全储备的理想状况。所以 ,在采用新奥法施工的隧道中仍需保持二衬应有的强度和刚度 ,不能认为荷载完全由围岩和初衬承担而掉以轻心。(3)曲线变化 ,在跟踪期内单调增加 ,然后趋于稳定。在下行线K2 13+ 0 80断面的左侧边墙 ,自隧道主体工程完成后 ,初衬和二衬之间的接触应力持续增加 ,说明该断面附近围岩的侧向变形仍不稳定 ,致使隧道二衬左边墙下部的应力不断增长 (图 4 ) ,左边墙接触应力随时间的增长可近似用以下公式计算 :σ1612 1(t) =74 90 5lnt- 787 73;R2 =0 96 34(3)式中 :t为自监测工作开始后天数。拱顶部分的量测数据为 0或变化较小 ,说明拱顶的变形已经稳定 ,当然 ,也可能是拱顶回填不够密实 ,致使衬砌和围岩之间仍处于脱离状态。2 3 初衬钢筋 (钢拱架 )应力至 2 0 0 2年 10月 ,跟踪监测的初衬钢拱架大部分受压 ,在主体工程完工后 ,基本稳定 ,没有太大变化(图 5 )。说明隧道主体部分的开挖和支护工作完成后 ,初衬和围岩的协调变形及受力已经基本稳定。2 4 二衬钢筋 (钢格栅 )应力至 2 0 0 2年 10月 ,跟踪监测的二衬钢格栅大部分受压 ,在主体工程完工后 ,大部分受压缓慢增加 ,并趋于稳定 (图 6 )。说明隧道主体部分的开挖和支护完成后 ,由初衬和围岩向二衬的传力过程仍在发展。上行线K2 13+ 30 5断面二衬拱顶钢筋应力随时间的增长可近似用以下公式计算 :σ12 186(t) =9× 10 -5t2 - 6 .86 0 6t+ 12 8138;R2 =0 .935 3(4)式中 :t为自监测工作开始后天数。2 5 锚杆轴力分析新奥法施工的隧道要求充分发挥围岩的自承能力 ,而锚杆是初期支护加固围岩的重要组成部分。跟踪监测锚杆的受力具有重要意义。隧道下行线K2 13+ 2 0 0位置锚杆的受力 (图 7)比较具有代表性。其未被破坏的锚杆测力读数说明 ,左边墙的锚杆受拉 ,长度合适 ,受力合理 ,而右边墙锚杆两点受压 ,且在主体工程完工后 ,受压有缓慢增长的趋势 ,说明该部锚杆可能未穿透松动圈 ,未充分发挥作用 ,其受压增长说明围岩变形仍在缓慢发展。图 4 元江 1号隧道下行线K2 13 + 0 80断面初衬二衬之间应力—时间曲线Fig 4 Time dependentcurvesofthecontactstressatK2 13 + 0 80oftheYuanjianNo 1tunnel图 5 元江 1号隧道下行线K2 13 + 2 14断面初衬钢筋荷载—时间曲线Fig 5 Time dependentcurvesoftheprimaryliningandthereinforcingsteelloadingsatK2 13 + 2 14oftheYuanjianNo 1tunnel图 6 元江 1号隧道上行线K2 13 + 3 0 5断面二衬钢筋荷载—时间曲线Fig 6 Time dependentcurvesofthesecondaryliningandthereinforcingsteel barloadingsatK2 13 + 3 0 5oftheYuanjianNo 1tunnel图 7 元江 1号隧道下行线K2 13 + 2 0 0断面锚杆轴力—时间曲线Fig 7 Time dependentcurvesofboltloadatK2 13 + 2 0 0oftheYuanjianNo 1tunnel3 结  论(1)由于在隧道围岩变形和破坏的发展过程中 ,具有时间效应 ,在主体工程完工后 ,初衬 -围岩接触应力、二衬 -初衬接触应力、初衬钢拱架荷载、二衬钢格栅荷载、锚杆轴力仍会随时间继续发展 ,对控制性及曾发生较多灾害的隧道应进行跟踪监测。(2 )新奥法以围岩和初衬承担地层压力 ,隧道建成后荷载是否已经平衡 ,可由和初衬相关的一些量测项目给出。一般对于初衬 -围岩接触应力、锚杆轴力受力合理且读数趋于稳定的 ,可诊断为隧道的地层压力已被平衡 ,否则 ,可通过回归计算 ,分析其能否稳定及稳定的可能时间。(3)新奥法不以二衬作为主要承载结构 ,一般将其作为防护、装饰以及安全储备 ,通过分析可知 ,在隧道主体工程完工后 ,二衬的接触应力及钢格栅荷载均有增长 ,说明隧道的地层压力在向二衬转移 ,在增长趋势稳定后 ,可以诊断其传力过程基本完成。应该指出的是 ,此时二衬不能承受过高荷载 ,否则会和设计思想背道而驰。高速公路隧道跟踪监测及承载状况诊断@王建秀$同济大学 @朱合华$同济大学!重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室 @唐益群$同济大学高速公路隧道;;时间效应;;跟踪监测;;承载状况诊断简要介绍了新奥法基本原理中岩体开挖的时间效应,指出在隧道建成后一段时间内,围岩变形的时间效应将使衬砌的结构内力继续变化,为保证隧道运营的安全,在主体工程施工完毕后应对其继续进行跟踪监测。本文以云南元(江)磨(黑)高速公路隧道群中元江1号隧道为例,通过近一年的跟踪监测工作,总结和分析了隧道主体工程完工后结构荷载的发展和变化规律,对于随时间变化明显的内力选项,给出了其随时间变化的公式,并对承载状况进行了诊断。[1] 韩瑞庚.地下工程新奥法[M ].北京:科学出版社,1987 [2] 二滩水电开发有限责任公司.岩土工程安全监测手册[M].北京:中国水利电力出版社,1999 [3] 夏才初,李永盛.地下工程测试理论与监测技术[M].上海:同济大学出版社,1999中国博士后基金 (2 0 0 30 342 77);; 西部交通建设科技项目“连拱隧道建设的关键技术研究”资助

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