公路隧道波纹钢整体式支护结构监测技术应用

1中交一公局集团有限公司贵州沿印松高速公路总承包项目部,贵州松桃554100;2同济大学地下建筑与工程系,上海200092;3岩土及地下工程教育部重点參验室,上海200092摘要：为了及时判断出围岩的稳定情况，保证隧道的安全施工，应该经常性地对隧道结构进行监控量测，量测结果对监控围岩稳定与指导施工有非同小可的作用。目前国内采用的公路隧道波纹钢整体式支护结构的工程实例相对较少对其监控量测技术应用分析具有十分重要的实际意义，为今后波纹钢整体式结构的设计与施工积累经验。本文以贵州省某公路隧道波纹钢整体式支护结构为依托工程，根据工程现场监控量测所得的数据绘制出的应变和界面压力的时程曲线，得到整体式波纹钢结构受力的时间和空间规律：现场施工过程中波纹钢安装以及背后混凝土的浇筑对波纹钢的应力会产生较大的影响；量测得到的波纹钢最大拉压应力均远小于波纹钢板所用钢材的强度设计值，验证了此次波纹钢整体式支护结构的安全性。关键词：公路隧道；波纹钢结构；监测；结构应变；界面压力中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：作者简介：祁兴远（-），男，。E-mail:oApplicationAnalysisofMonitoringTechnologyforCorrugatedSteelIntegralSupportStructureofHighwayTunnelQIXingyuan1SHIZhengbao1ZHANGQingzhao2,3WANGPeng1CHENGLong1(1.GuizhouYan-Yin-SongExpresswayGeneralContractingProjectDepartment,CCCCFirstHighwayEngineeringGroupCo.,Ltd,Songtao,Guizhou554100,China;2DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092;3KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092)Abstract:Inordertojudgethestabilityofthesurroundingrockintimeandensurethesafeconstructionofthetunnel,thetunnelstructureshouldbemonitoredandmeasuredregularly.Themeasurementresultshaveasignificantroleinmonitoringthestabilityofthesurroundingrockandguidingtheconstruction.Atpresent,therearerelativelyfewengineeringexamplesofcorrugatedsteelintegralsupportstructuresforhighwaytunnelsinChina.Theapplicationanalysisofitsmonitoringandmeasurementtechnologyisofgreatpracticalsignificance,anditcanaccumulateexperienceforthedesignandconstructionofcorrugatedsteelintegralstructuresinthefuture.Inthispaper,basedonthecorrugatedsteelintegralsupportstructureofahighwaytunnelinGuizhouProvince,thetime-historycurveofstrainandinterfacepressureisdrawnaccordingtothedataobtainedfromthemonitoringandmeasurementoftheengineeringsite,andthestresstimeandinterfacepressureoftheintegralcorrugatedsteelstructureareobtained.Spatiallaw:Theinstallationofcorrugatedsteelandthepouringofconcretebehinditwillhaveagreaterimpactonthestressofthecorrugatedsteelduringtheonsiteconstructionprocess;themaximumtensileandcompressivestressofthecorrugatedsteelmeasuredisfarlessthanthestrengthdesignvalueofthesteelusedforthecorrugatedsteelplate.Verificationthesafetyofthecorrugatedsteelintegralsupportstructurewasimproved.Keywords:highwaytunnel;corrugatedsteelstructure;monitoring;structuralstrain;interfacepressure引言长期以来，我国隧道工程施工机械化程度不高，爆破钻孔、锚杆打设、围岩注浆、喷射混凝土施工、防水板铺挂、衬砌浇筑、施工通风和出渣运输等方面存在劳动力密集，施工人员健康保障、安全保障、施工效率和工程重量保障均存在多处不利影响，寻求快速经济有效的隧道支护技术是目前公路隧道工程急需解决的技术难题。波纹钢结构在实际工程应用中表现出了诸多优良特性：强度高，适应变形能力强，对地基要求低；工厂集中化生产，便于质量控制；自重轻，增加结构跨度运输安装方便；施工便捷，低碳环保，减少砂石、水泥用量，利于环保运营维护方便，节约养护及维修费用等。由于在我国，用波纹钢板作为隧道整体式支护结构为新生事物，公路隧道波纹钢整体式支护结构的监控量测技术还并未完善，所以对于其监控量测技术的研究就十分关键。近年来，大量学者对于隧道监测技术展开了深入研究。王彦武［1］对太旧高速公路北茹隧道的现场监测数据进行处理分析，并据此对支护效果作出定性评价；蒋树屏等［2］采用扩张卡尔曼滤波有限元法对量测数据进行了反演分析，为判别围岩稳定、优化施工方法提供了有益的指导；叶飞等［3］结合多座公路隧道现场监控量测工作，研究了服务于公路隧道现场施工的监测内容、监测方法以及现场采集数据的分析处理技术。波纹钢结构由于其广泛应用于公路桥涵工程中，有一些学者对其进行了现场试验。李祝龙等［4］波采用现场试验的分析纹钢涵洞的力学性能，结果表明，波纹钢涵洞的顶部和侧部沿波形方向会呈现出不同的应力变化趋势；彭立等［5］对高填土大跨钢波纹管涵的力学性能进行了现场测试和有限元分析，结果表明，钢波纹管涵变形和应力随填土高度增加而增长；蒋鹤等［6］对波纹钢结构棚洞现场监控量测数据分析以及建立相应的有限元数值模型的研究，发现棚洞两侧拱脚受力相对较大。从监测数据的类型上主要是位移和应力监测两大类，位移值和应力值的变化都是反映在隧道围岩-支护结构相互作用影响下各个监测值在施工过程中的动态反映。目前我国隧道监测中的反分析数据主要是通过量测围岩与支护位移获取，而对应力的测试由于费用较高，分析相对较少。显然在工程实践中需要建立以监测数据来反分析和研究施工期隧道支护结构的内力状态，这能更好的判断隧道实时安全性和可靠性。综上可以看出，目前对于波纹钢结构的研究主要集中于公路桥涵工程，对于公路隧道波纹钢整体式支护结构的监控量测研究极少，有必要对其进行深入研究。工程概况本文依托工程为贵州省沿河至松桃高速公路隧道，总里程长度14.198km，桥隧比28.22%，采用双向四车道，设计时速80km/h，整体式路基宽度24.5m，分离式路基宽12.25m，汽车荷载等级为公路I级。上马山隧道进口位于乌罗镇团龙村，出口位于冷水溪乡道陀村，交通条件差。隧道进、出口处为V级围岩，其余为W级围岩。上马山隧道为分离式长隧道。右幅隧道起讫桩号为：YK74+551~YK76+686，长度为2135m，最大埋深约为251m；左幅隧道起讫桩号为：ZK74+545~ZK76+684，长度为2139m，最大埋深约为261m。隧道为下坡隧道，左右幅纵坡坡度为-2.6%。上马山隧道部分在本标段：左线ZK74+516〜ZK75+630，长1085m，右线YK74+561〜YK75+630，长1079m。隧道试验段洞身衬砌设计以新奥法原理为指导，采用波纹钢整体式支护结构，即以系统锚杆、钢筋网、喷射混凝土、波纹钢结构作为支护形式，如图1所示。隧道衬砌类型、衬砌断面型式、衬砌结构尺寸设计主要采用工程类比法，并对隧道结构进行必要的理论计算及校核，结合构造要求及经济技术比较。1S-1S-Wb波纹钢支护断面设计图Fig.1DesigndrawingofS-Wbcorrugatedsteelsupportsection图1S-Wb波纹钢支护断面设计图Fig.1DesigndrawingofS-Wbcorrugatedsteelsupportsection监测方案监测目的在隧道施工期间实施监控量测，是加强工程安全质量管理，防止重大事故发生的有力措施。通过监控量测工作为业主及施工方提供及时、可靠、安全的质量信息，及时准确预报安全隐患，避免事故发生，科学指导设计和施工，实现“动态设计、动态施工”的根本目的。通过监控量测数据，验证设计水平，检查施工质量，总结经验，积累资料，使公路隧道波纹钢隧洞的建设水平不断提升，施工技术不断发展。监测项目根据《公路隧道施工技术规范》(JTGF60-2009)规定，复合式衬砌隧道开工前，应制定施工全过程监控量测方案。监控量测工作应结合开挖、支护作业的进程，按要求布点和监测，并根据现场实际情况及时调整补充，量测数据应及时分析、处理和反馈。在隧道中，为了及时判断出围岩的稳定情况，保证隧道的安全施工，应该经常性地对地质和支护状况进行观察，对拱顶下沉、周边收敛进行量测，以判断围岩稳定情况。上述量测项目为复合式衬砌施工时的必测项目，对监控围岩稳定与指导施工有非同小可的作用。本次拟定上马山隧道整体式波纹钢支护试验段监测方案时，计划在波纹钢试验段对隧道周边收敛及拱顶下沉进行测点的埋设与位移的量测，但现场进行测点布设时发现在波纹钢表面难以对收敛挂钩进行固定，故对于波纹钢支护的收敛变形监测难以进行。此次在上马山波纹钢隧道试验段，为了了解波纹钢支护的受力状况，在波纹钢表面埋设了应变计，通过量测波纹钢的应变，再换算出波纹钢的受力状况。除波纹钢表面应变外，还选取了围岩的界面压力进行了量测。根据现场情况，最终设置了主洞三个监测断面371、374、377，横洞三个监测断面左洞、中间、右洞。上马山隧道整体式波纹钢支护试验段现场监测项目选取为：波纹钢表面应变及围岩压力。测点布设时，对于每个监测项目，应在每个断面的关键位置（如拱顶、两侧拱腰、两侧拱脚、仰拱处）共设置3~7个测点。此次在波纹钢表面应变测点布设时，考虑到应变计的损坏率可能较高，故在每块波纹钢板上均布置了测点。波纹钢试验段均未施作仰拱，故最终现场量测项目基本每个断面设置5个测点：位于上台阶的拱顶和左右拱腰共3个测点；在下台阶的左右拱脚2个测点。监测频率根据《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）规定，在l~15d为1~2次/天；16d~1个月为1次/2d；1~3个月为1~2次/周；3个月以上为1~3次/月。实际量测中，施工状态发生变化（开挖下台阶、仰拱或撤除临时支护等）或发现数据变化速率加快时，应增加量测次数。各项量测作业均应持续到变形基本稳定后15~20d结束。2.2.1表面应变计（1） 量测内容量测波纹钢支护结构的表面应变值。（2） 量测目的了解波纹钢支护结构的应变状态，通过所用钢材的弹性模量可以了解波纹钢的应力状态。（3） 量测方法试验段主洞每个监测断面有7块波纹钢板片，每块板片在靠洞内侧安装一支应变计。应变计在波纹钢板运输至隧道内部前就应在隧道外部加工场内进行安装先将两侧支座焊接在波纹钢板相应位置，再将应变计装入，装入后外部再焊接一个铁壳用来保护仪器。每块波纹钢板片宜用喷漆标注好位置编号，按照波纹钢板片所在位置安装仪器，施工人员应严格按照位置编号拼装波纹钢板片。波纹钢在隧道内拼装完成后，贴近围岩侧的应变计会无法安装，所以必须在拼装前完成仪器的安装。仪器导线应当集结成束妥善保护，避免在隧道内被施工破坏。测量仪器采用应变计量测数据，频率仪收集数据。测点布设监测布设示意图如图2所示。图2波纹钢表面应变计测点布设示意图Fig.2Schematicdiagramofthelayoutofstraingaugemeasuringpointsonthecorrugatedsteelsurface...-j'..:屿- --图2波纹钢表面应变计测点布设示意图Fig.2Schematicdiagramofthelayoutofstraingaugemeasuringpointsonthecorrugatedsteelsurface1.2.监测数据计算方法））监测收集到的初始数据均为频率值，需要使用式（1）换算成应变值。式m:氏前序 菠纹钢表面应变值）梅）；询——应变计的标定系数ge/Ilz2：!ft——应变计测得頡睜（Hz）：f0——安装后颇率（Hi）计算出的应变值为正值，则为拉应变；计算出为负值，则为压应变。2.2.2土压力盒（1）量测内容量测围岩与支护之间的压力。（2） 量测目的了解围岩的自稳情况以及支护的实际承载情况和分担围岩压力情况。（3） 量测方法在每个监测断面沿隧道周边在围岩与初期支护之间埋设5个压力盒进行量测埋设压力盒时，受压面应向着围岩，压力盒应紧贴波纹钢/工字钢，有空隙时应当填平，不要使压力盒与初期支护之间有间隙。仪器导线应当集结成束妥善保护，避免在隧道内被施工破坏。（4）测量仪器采用压力盒量测数据，频率仪收集数据。1.2.

测点布设如图3所示。压力盒埋设在围岩与支护结构之间。图3衬砌土压力盒测点布设示意图图3衬砌土压力盒测

点布设示意Fig.3SchematicdiagramofmeasuringpointlayoutofliningearthpressurecellFig.3Schematicdiagramofmeasuringpointlayoutofliningearthpressurecell（6）监测数据计算方法监测收集到的初始数据均为频率值，需要使用式（2）成压应力。式申：Pm——围岩对初期支护的圧应力（KIPa>i旳——三=1羸即:标定系数CMPa/Hz3■:f/一压力猱瀏醫頻窒宙二'7.-3!.!^'.LJ 计算出的压力值为正值，则为受压；计算出为负值，则为受拉。监测数据分析与验证本文对围岩压力及波纹钢应变量的符号作了统一的规定：“+”表示围岩与衬砌间受压，波纹钢受拉，收敛位移增大；“-”则反之。3.1波纹钢表面应变数据分析（1）主洞试验段371断面图4主洞试验段371断面波纹钢应变时程曲线图图4主洞试图4主洞试验段371断面波纹钢应变时程曲线图Fig.4Time—historycurveofstrainofcorrugatedsteelofsection371inthemaintunneltestsectionFig.4Time—historycurveofstrainofcorrugatedsteelofsection371inthemaintunneltestsection通过图4的波纹钢应变时程曲线，可以看出：1） 波纹钢安装后应变值变化很快，之后变化趋于平缓，经过约1周后较为稳定；背后注浆施工后，将出现一段时间的波动，目前仍处于变化阶段。2） 大部分测点的历史最大拉/压应变量均发生于波纹钢安装后以及背后注浆后的2~3d，且在这个时间点附近应变量的变化速率也较快，现场施工时尤其要注意这个时间点的监控量测工作。3） 波纹钢历史最大压应变量为-129.2»£，发生于右拱脚测点，出现时间为2021年11月20日；历史最大拉应变量263.8ue，发生于右拱腰测点，出现时间为2021年9月5日。若将波纹钢板弹性模量取为200GPa，则波纹钢最大压应力25.8MPa,最大拉应力52.8Mpa。2）主洞试验段374断面图5主洞试验段374断面波纹钢应变时程曲线图Fig.5Time-historycurveofstrainofcorrugatedsteelofsection374inthemaintunneltestsection通过图5的波纹钢应变时程曲线，可以看出：1）波纹钢安装后应变值变化很快，之后变化趋于平缓，经过约1周后较为稳定，但在2021年11月6日后，因背后注浆施工发生一段时间的微小波动。2） 大部分测点的历史最大拉/压应变量均发生于波纹钢安装后的2~3d，且在这个时间点附近应变量的变化速率也较快，现场施工时尤其要注意这个时间点的监控量测工作。3） 排除量测误差，波纹钢最大压应变量为-175.8»£，发生于拱顶测点，出现时间为2021年11月1日；最大拉应变量188.7ue，发生于左拱脚测点，出现时间为2021年9月11日。若将波纹钢板弹性模量取为200GPa，则波纹钢最大压应力35.2MPa，最大拉应力37.7MPa。（3）主洞试验段377断面通过图6的波纹钢应变时程曲线，可以看出：1） 波纹钢安装后应变值变化很快，约1周后较为稳定。相比较于前两个断面，该断面绝大部位为拉应变，且较为平稳；在2021年11月9日因背后注浆施工，导致波纹钢应变突增，随后在1~2d内恢复平稳。2） 接近一半的测点的历史最大拉/压应变量均发生于波纹钢安装完成后以及背后注浆施工后的1~2d，现场尤其要注意这个时间点的监控量测工作。3） 波纹钢最大拉应变量为767.8口£，发生于右拱脚测点，出现时间为2021年11月9日；最大压应变量为-61.6口£，发生与拱顶测点，出现时间为2021年11月13日。若将波纹钢板弹性模量取为200GPa，则波纹钢最大压应力为12.3MPa,最大拉应力153.6MPa。图6主洞试验段377断面波纹钢应变时程曲线图Fig.6Time-historycurveofstrainofcorrugatedsteelofsection377inthemaintunneltestsection综合主洞3个监测断面的的情况，可以看出：（1） 大部分测点在监控量测初期应变量增长较快，说明波纹钢安装以及背后混凝土的浇筑对波纹钢的应变量会产生较大的影响；之后各测点仍有小幅度波动，总体均趋于稳定。（2） 根据测点应变量计算出的波纹钢的最大拉压应力均远小于波纹钢板材的强度设计值，这验证了此次结构设计的安全性，并说明此次的支护结构设计有较大的安全储备。3.2隧道围岩的界面压力数据分析通过图7的围岩压力时程曲线，可以看出：（1）各监测断面围岩压力在波纹钢安装后变化相对较快，约1周过后趋于稳定。目前由于背后注浆的缘故，围岩压力值仍处于较大波动。（2）截至最后一次量测，371断面围岩应力最大值为21.2kPa，出现在右拱脚位置；断面历史最大围岩压力为17.1kPa，除右拱腰位置出现较大异常波动外,总体来说，该断面量测出的围岩压力值较小；374断面围岩压力最大值为-29.2kPa，出现在左拱脚位置，即断面历史最大围岩压力，左右拱腰的围岩压力值较大，拱顶及左右拱脚围岩压力值比较小；377断面围岩压力最大值为37.1kPa，出现在左拱腰位置，即为断面历史最大围岩压力，左拱脚、左拱腰及拱顶的围岩压力值较大，其余位置围岩压力值比较小。总体来说，与前两个断面相比，377断面量测出的围岩压力值相对较小。（a） 主洞试验段371断面围岩压力时程曲线图Time-historycurveofsurroundingrockpressureatsection371inthetestsectionofthemaincave主洞试验段374断面围岩压力时程曲线图Time-historycurveofsurroundingrockpressureatsection374inthetestsectionofthemaincave主洞试验段377断面围岩压力时程曲线图Time-historycurveofsurroundingrockpressureatsection377inthetestsectionofthemaincave图7主洞试验段围岩压力时程曲线图Fig.10Timehistorycurveofsurroundingrockpressureinthetestsectionofthemaincave量测中一些测点的围岩压力出现了负值，但是围岩不可能对初支产生拉力，分析原因，可能有以下两点：一是由于振弦传感器对于温度较为敏感，所以现场的温度变化对数据产生了较大的影响；二是振弦传感器将最初的压力值调零，后续的值都是相对初值的变化值，所以负值只是说明后续的压力值小于初始测量时的压力值。其余两个断面的压力值也有类似情况。结论(1)对于波纹钢结构的内力量测是在波纹钢表面安装应变计，应变计长度相对于钢筋计较短，能更精确反映测点的应变值，通过波纹钢材料的弹性模量分析波纹钢的应力状态；每块板片宜布设2~4支应变计，安装在波纹钢波峰、波谷及法兰盘连接处。(2)通过分析现场监测数据发现，施工前期波纹钢应变量与应变增大速率均较大，说明现场施工过程中波纹钢安装以及背后混凝土的浇筑对波纹钢的应力会产生较大的影响。量测得到的波纹钢最大拉压应力均远小于波纹钢板所用钢材的强度设计值，验证了此次波纹钢整体式支护结构的安全性。参考文献：王彦武.太旧高速公路北茹隧道围岩变形监测[J].岩石力学与工程学报,1998(02):38-42.(WangYanwu.DeformationmonitoringofsurroundingrockinBeiruTunnelofTaijiuExpressway[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,1998(02):38-42.(inChinese))蒋树屏,赵阳.复杂地质条件下公路隧道围岩监控量测与非确定性反分析研究[J].岩石力学与工程学报，2004(20):3460-3464.(JiangShuping,ZhaoYang.Surroundingrockmonitoringmeasurementandnon-deterministicinverseanalysisofhighwaytunnelsundercomplexgeologicalconditions[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2004(20):3460-3464.(inChinese))叶飞，丁文其，朱合华等.公路隧道现场监控量测及信息反馈J].长安大学学报(自然科学版),2007(05):79-83.(YeFei,DingWenqi,ZhuHehua,etc.On-sitemonitoringmeasurementandinformationfeedbackofhighwaytunnels[J].JournalofChang'anUniversity(NaturalScienceEdition)，2007(05):79-83.(inChinese))李祝龙，刘百来，李自武.钢波纹管涵洞力学性能现场试验研究[J].公路交通科技，2006(03):79-82.(LiZhulong，LiuBailai，LiZiwu.Fieldtestresearchonmechanicalpropertiesofsteelbellowsculverts[J].HighwayTrafficScienceandTechnology，2006(03):79-82.(inChinese))彭立，张阳，穆程等.高填土大跨钢波纹管涵力学性能分析与测试[J].中外公路，2016，36(06):103-108.(PengLi，ZhangYang，