先隧后站荷載釋放工況下隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測研究
2015-05-27
因采用先隧后站技術(shù)，施工段盾構(gòu)成型隧道（管片塊裝嵌而成）在地鐵站開挖施工過程中，因成型隧道上部荷載（土方量）的改變使管片塊的受力發(fā)生變化，可能導(dǎo)致成型隧道管片塊變位，出現(xiàn)施工及隧道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題。為了及時(shí)了解和掌握地鐵車站開挖施工過程對成型隧道可能造成的不利影響，有必要對涉及的成型隧道段管片及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
一、 監(jiān)測的方法和內(nèi)容
1、監(jiān)測方法
本次監(jiān)測采用工程測試中的應(yīng)變電測技術(shù)。應(yīng)變電測技術(shù)是用電測方法測量應(yīng)變的一種測試技術(shù)。電測技術(shù)的基本組成是傳感器元件（電阻式應(yīng)變片、應(yīng)變計(jì)等）和測試儀器，原理是將結(jié)構(gòu)應(yīng)變機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)，經(jīng)儀器接收、放大和量化等系統(tǒng)處理后示出應(yīng)變量值。應(yīng)變電測技術(shù)具有能效高、測量準(zhǔn)確、遠(yuǎn)距離遙測和數(shù)圖采集等優(yōu)勢，在材料、結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)變測試中被廣泛的應(yīng)用。監(jiān)測主要有電阻應(yīng)變片、電阻式位移計(jì)、電阻式測力傳感器；應(yīng)變測試系統(tǒng)（手持應(yīng)變儀TC31K、電阻應(yīng)變儀YJ26）。[1]
2、 監(jiān)測內(nèi)容
根據(jù)被監(jiān)測結(jié)構(gòu)體與受力概況，選定軌道交通五號(hào)線某一車站基坑開挖區(qū)下成型隧道左幅：309、315、321、327、333、339管片環(huán)，右幅：315、319、324、329、333、337管片環(huán)作為監(jiān)測部位。
監(jiān)測部位為：
?、?nbsp;管片塊間連接螺栓受力（螺栓受力監(jiān)測點(diǎn)）；② 管片環(huán)內(nèi)壁頂部混凝土受力應(yīng)變（管頂應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)）；③ 管片間間隙變位（片塊變位監(jiān)測點(diǎn)）。
（1） 螺栓受力監(jiān)測
在螺栓桿中間位置凹凸兩面開淺槽（深2mm），并沿螺栓桿軸線靠固定螺帽端開線槽。在淺槽中心位置粘貼電阻應(yīng)變片組，引導(dǎo)線，環(huán)氧密封。在電測法的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)，獲得螺栓應(yīng)變值換算成螺桿力值關(guān)系式，得到螺桿受力值，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測管片（塊）間承壓力變化狀況。
?。?） 管頂應(yīng)變監(jiān)測
隧道混凝土管片受力應(yīng)變監(jiān)測，采用電阻應(yīng)變電測法。在監(jiān)測盾構(gòu)隧道內(nèi)壁的頂部混凝土管片（塊）上，沿平行隧道方向粘貼電阻應(yīng)變片，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測盾構(gòu)隧道上方挖土施工過程中，管片（塊）混凝土應(yīng)變（應(yīng)力）的變化狀況。
（3） 片塊變位監(jiān)測
在監(jiān)測管面上選擇有代表性管片（塊）間（垂直間隙方向）粘貼特制表座，安放電阻式位移計(jì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測隧道混凝土管片間間隙變位。
二、 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集
經(jīng)過6個(gè)月的現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及其整理，獲得了成型隧道上部土方量改變工況下，隧道管片環(huán)內(nèi)壁頂部混凝土受力應(yīng)變、管片塊間連接螺栓受力和間隙變位等數(shù)值。
2.“-H”“-Q”“-Z”表示離楊箕站較前的監(jiān)測點(diǎn)為“-Q”，靠后為“-H”，中間的為“-Z”。
3. “-1”“-2”表示人站立時(shí)面向楊箕站(開挖區(qū))的左右先后定義1、2。
左幅339環(huán)監(jiān)測點(diǎn)位置布置圖 左幅337環(huán)監(jiān)測點(diǎn)位置布置圖 管片塊間連接螺栓受力和間隙變位監(jiān)測 螺栓“應(yīng)變力值換算――關(guān)系式”現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)校定
三、 監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析
1、監(jiān)測目的
在車站開挖施工過程中，因成型隧道上部土方的逐漸挖除荷載陸續(xù)減小，定會(huì)造成管片環(huán)與環(huán)之間、片與片之間的受力發(fā)生變化，可能導(dǎo)致成型隧道管片發(fā)生變位留下成型隧道質(zhì)量問題。為了及時(shí)了解和掌握地鐵車站開挖過程中對成型隧道可能造成的不利影響，有必要對其數(shù)據(jù)變化進(jìn)行采集分析。從而通過分析數(shù)據(jù)作出有效預(yù)防措施。[2]
2、數(shù)據(jù)分析
?、俾菟ㄊ芰Ψ治?br />
螺栓受力監(jiān)測是通過在電測法的基礎(chǔ)上，將獲得的螺栓應(yīng)變值換算成螺桿受力值。從7月17日第一次數(shù)據(jù)采集到最后一次1月9日采集的全部數(shù)據(jù)，左線制圖后分析發(fā)現(xiàn)：
?、砰_挖第一層土的緩慢變化階段：
基坑上方第一層土開挖后螺栓受力變化不大，曲線變化較?。ㄜ囌鹃_挖是從編號(hào)300環(huán)向編號(hào)339環(huán)的方向進(jìn)行掘土）。根據(jù)現(xiàn)場開挖的順序，在8月6日前掘土到監(jiān)測區(qū)上方時(shí)基本上只開始開挖第一層土。從圖5的曲線變化可以看出此時(shí)螺栓受力情況變化較小，變化值范圍在1－10KN之間。但也有個(gè)別點(diǎn)由于力的集中受壓出現(xiàn)負(fù)值被壓緊，且變化較大如Z327－3Q的監(jiān)測點(diǎn)。
⑵分段分層陸續(xù)開挖到第三層土的迅速變化階段：
隨著分段分層的開挖順序，8月6日至8月23日逐段逐層的開挖到Z304環(huán)的第三層土?xí)r。通過曲線圖可以看出曲線迅速往上然后又迅速回落，變化值在5－50KN之間差值較大。監(jiān)測數(shù)據(jù)說明開挖卸載第二、第三層土?xí)r螺栓受力變化最大。
?、侵灵_挖完成后的穩(wěn)定變化階段：
隨著開挖的繼續(xù)進(jìn)行，上部土方陸續(xù)掘除直至荷載全部卸載完成。從圖上看出該階段9月1日到1月9日期間曲線變化較為平坦，變化值在5KN左右。這樣說明在挖出第三道支撐后螺栓受力變化已趨于穩(wěn)定。
?、诟鳒y點(diǎn)同一時(shí)間不同階段與前次測量變化的螺栓受力分析
?、艔膱D上可以看出7月29日為前段開挖期間，屬于緩慢變化階段，變化值在－2.5KN至2.2KN之間變化；
?、?月8日這段時(shí)間剛好在開挖第二、第三段支撐的過程之中，圖中變化值較大在－10KN至1.1KN之間變化；
?、?月30日及10月8日開挖為穩(wěn)定變化階段，變化值在0KN至1.7KN和－3.2KN至－0.7KN之間變化；
?、纫陨险f明在開挖過程中，越是接近開挖第二、三道支撐時(shí)間的時(shí)候，各測點(diǎn)本次與上次螺栓受力變化差值越大；
?、汕腋麟A段同一時(shí)間各測點(diǎn)越接近開挖端本次與上次螺栓受力變化差值越大。
?、鄹鳒y點(diǎn)同一時(shí)間不同階段與第一次測量變化的螺栓受力分析：（見圖7）
⑴從圖7藍(lán)色（7月29日）和紅色（9月8日）兩條曲線可以看出，兩條曲線變化較大；
?、?月30日和10 月8日兩條曲線相對比較緩和；
?、峭ㄟ^分析認(rèn)為該圖可以佐證在開挖第二、三道支撐的過程中螺栓受力變化迅速，該過程中開挖對于成型隧道的影響較大。
?、芄茼斃煳?yīng)變數(shù)據(jù)分析：
隧道混凝土管片受力應(yīng)變監(jiān)測，是采用電阻應(yīng)變電測法。主要是通過惠斯登電橋原理來測量應(yīng)變所引起的電阻變化的微小信號(hào)，經(jīng)過電容器極板間充滿電介質(zhì)時(shí), 電容增大的倍數(shù)來獲得管片混凝土微小變化的狀況。本圖通過收集7月29日到年1月8 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪成圖表后總結(jié)出以下幾點(diǎn)：
?、呕訌拈_挖到結(jié)束，管片拉伸應(yīng)變曲線走向總體向下發(fā)展，到開挖完成后大部分測點(diǎn)的拉伸變量達(dá)到最大；
⑵從Z315環(huán)及Z309環(huán)的曲線可以看出在開挖第三、四道支撐的過程中（9月30日）單次混凝土應(yīng)變量最大；
?、请S著基坑開挖完成，混凝土管片最終的應(yīng)變量越接近基坑中部的環(huán)號(hào)其變量越大；
小結(jié)：隨著基坑開挖管片上方土方越來越少的情況下，混凝土的應(yīng)變量與上部土方量減小成反比，即土方減少應(yīng)變量增加。另在開挖第三及第四道支撐時(shí)單次變量最大。
?、莨芷瑝K、環(huán)之間位移數(shù)據(jù)分析：
基坑開挖一般采用分段分層逐級(jí)掘土的方式，楊箕站基坑開挖其方式相同。當(dāng)前段開挖完成后暴露的管片就會(huì)先拆除。從車站開挖和拆除的順序可以總結(jié)以下幾點(diǎn)內(nèi)容：
?、旁谲囌竟芷喜块_挖土方時(shí)，管片的片與片之間、環(huán)與環(huán)之間位移有少量變化但變量不大；
?、茝氖┕と掌诤蛨D表上可以看出當(dāng)對已開挖出的管片進(jìn)行拆除后（9月6日），大部分管片位移量全部有較大變量；
⑶隨著上部土方的逐漸挖除及前段管片逐環(huán)拆除后，位移量不斷變化最終累積位移最大值；
⑷從圖中可看出數(shù)值有正值也有負(fù)值，這種情況認(rèn)為是受力不均引起的擠壓變化。
總結(jié)：
1、通過了解地鐵5號(hào)線某車站基坑開挖全過程的數(shù)據(jù)分析，先隧道后車站的施工工藝流程中，施工過程風(fēng)險(xiǎn)最大的就可能是在開挖第二，第三道支撐時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)最大。如能在該過程中加以控制及采取有效措施，對成型隧道的影響就會(huì)減小到最低限度。
2、管片的片與片、環(huán)與環(huán)之間的位移主要變化還是在拆除管片后引起的位移最大。
