大跨度地下空间支护体系应力监测与稳定性分析

1、大跨度地下空间支护体系应力监测与稳定性分析     贾剑青 王宏图 李晓红 胡国忠 李慧民 李开学 摘要：监控量测是隧道新奥法设计与施工中必不可少的环节。结合重庆市轻轨较新线大坪车站大跨度地下空间施工支护体系受力和应力监测工程实践，分析支护体系初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、喷射混凝土与围岩接触压力、临时工字钢支撑应力、喷射混凝土与二次衬砌接触压力、二次衬砌钢筋应力等测试结果和变化规律，阐述大跨度地下空间支护结构及参数选择、量测方法及测试手段，并确定支护体系的稳定性和结构的安全性，其结果指导该工程的信息化施工。关键词：隧道工程；大跨度；

2、新奥法；地下空间；支护体系；应力监测；稳定性 1 引 言      在隧道及地下空间工程的建设中，越来越多地采用新奥法施工。新奥法以“管超前，少扰动，早喷锚，勤量测，紧封闭”为施工方针，以光面或双光面爆破、预裂爆破为开挖手段，以喷射混凝土、锚杆、钢拱架及钢筋网为初期支护手段，以复合式衬砌作为支护体系，通过施工量测及信息的及时反馈，实现隧道及地下空间工程施工的合理化、信息化和科学化13。检测是隧道及地下工程设计、施工是否合理的直接判断手段目前，在隧道及地下空间工程信息化施工中，对支护体系稳定性研究主要集中在支护体系变形的监测和锚杆轴力监

3、测研究上46。然而，根据地下空间工程的特点，还需要对支护体系进行全面应力监测和分析。      大坪车站是重庆轻轨较新线的重要组成部分，该车站暗挖段开挖跨度大，地表交通运输干道且地表建筑物密集。为确保工程施工及地表建筑物的安全，在该地下工程开挖过程中，对初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、喷射混凝土与围岩间接触压力、临时工字钢支撑应力、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力、二次衬砌钢筋应力进行监测，以全面掌握该地下工程施工过程中支护结构的稳定性；通过信息反馈，及时调整施工方案及修正施工设计，尽而对该地下空间工程施工期间支护体系的安全性及

4、稳定性进行全面的评估及预测，以全面掌握该地下工程施工过程中支护结构的受力状况；通过信息反馈，及时调整施工方案及修正设计，进而对隧道施工期间支护体系的安全稳定性进行全面的评估及预测，从而确保工程安全性。2 工程概况      重庆轻轨较新线大坪车站隧道里程为 DK7+609.7DK7+804.0，全长 194.3 m。该隧道结构复杂，断面变化大，道岔区最大开挖跨度 27.2 m，是目前亚洲城市交通单跨最大的隧道。其中，DK7+658.2DK7+804.0 为暗挖施工，暗挖段长度145.8 m，最大开挖宽度 26.3 m，开挖高度 20.6 m，最

5、大开挖面积 430.0 m2；车站围岩以泥岩和砂岩为主，强度较低，自稳能力差。隧道顶板岩土体赋存情况及岩层物理力学参数如表 1，2 所示。3 监测断面布置及测试手段3.1 监测断面布置      根据大坪车站地表建筑物的分布以及洞内开挖断面的具体情况，在该车站共布置 6 个监测断面。监测断面测点布置如图 1 所示。     5 支护体系稳定性分析      该地下工程监测结果表明，初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、喷射混凝土与围岩间接触压力

6、、临时工字钢支撑应力、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力及二次衬砌钢筋应力等在支护初期受力和应力变化均比较大，从初支到基本稳定一般需要 120140 d。从各支护体系的应力变化趋势来看，当拱顶应力基本收敛时，拱腰和拱脚应力也收敛，亦即对支护结构而言，支护体系应力变化趋势是协调一致的。      支护体系稳定后，工字钢应力、临时钢支撑应力、二次衬砌钢筋应力、喷射混凝土内应力及二次衬砌与喷射混凝土间接触压力在中线拱处均大于左、右拱腰及拱脚应力，右拱腰或右拱脚应力大于左拱腰或左拱脚应力，且拱脚应力大于拱腰应力；锚杆轴力中线拱大于拱脚和拱腰，但受力均比较小

7、，均在强度范围内；支护体系内应力接近于 0，说明支护体系不会出现拉破坏。由此可见，单一支护体系均处于安全稳定状态，当然由支护体系“串联”起来的支护体系也是稳定的10。6 结 论      (1) 初期支护应力及围岩与支护体系间接触压力均随着监测断面附近岩土体的开挖而不断调整变化；在该地下工程施工过程中，有些监测断面测点应力值快速异常增大，个别监测断面应力值甚至将要超过规范允许的强度值；根据反馈的监测信息，及时调整施工方案和支护参数，使各测点的应力值最终稳定在规范允许的范围内，避免险情的发生，确保工程施工安全。   

8、   (2) 随着下部核心岩土体的开挖，下部岩土体的支撑压力作用在工字钢拱上，使该断面工字钢拱应力出现一定幅度的上升，中线拱顶工字钢拱应力增加较为明显，最大达 110.3 MPa，但在下部边墙施作二次衬砌后，该断面工字钢拱应力下降并趋于稳定，由此可见，地下工程的开挖方式对支护结构的稳定性有重大影响。      (3) 该断面锚杆轴力初期值较大，最大达到 51.8kN，在该断面下部边墙进行二次衬砌后，锚杆轴力明显下降并趋于稳定。      (4) 施作二次衬砌后，工字钢拱应力、

9、锚杆轴力及围岩与支护间的接触压力均出现下降趋势并最终趋于稳定。由此可见，二次衬砌在改善围岩初期支护受力状态以及增加初期支护与围岩的稳定性方面起着十分重要的作用。<P参考文献(References)：1 冯卫星，徐明星. 铁路隧道新奥法施工新实践J. 岩石力学与工程学报，2001，20(4)：524526.(Feng Weixing，Xu Mingxing. Newpractice of NATM in railway tunnel constructionJ. Chinese Journalof Rock Mechanics and Engineering，2001，20(4)：5245

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