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的工程实践，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；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[1～3]。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测研究上[4～6]。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，地表有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+609.7～DK7+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+658.2～DK7+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。
3.2 监测仪器及测试手段
(1) 初期支护工字钢拱应力和临时钢支撑应力监测采用 XYJ–2 型钢弦传感器。在工字钢拱或临时钢支撑架设完毕后，在待测位置焊好传感器支座，待其冷却后安装传感器。
(2) 锚杆轴力量测采用直径与锚杆一致的 GY–185 型钢筋应力计。在安设锚杆前将锚杆截断，将传感器串联焊接在锚杆待测位置处，然后用砂浆锚固含有传感器的锚杆，传感器位置在距离锚杆孔口0.5～1.0 m 处。
(3) 初期支护与围岩压力、初期支护与二次衬砌接触压力量测采用 JSY–110 型钢弦双膜压力盒在初支喷射混凝土前和二次衬砌封模前在待测位置安设。
(4) 喷射混凝土内应力量测采用 MHY–150 型混凝土内应力计。安装前先将传感器预制在强度与喷射混凝土一样的混凝土块中，喷射混凝土前将含有传感器的混凝土块固定在测点位置。
(5) 二次衬砌钢筋应力监测采用 GY–185 型钢筋应力计。二次衬砌钢筋铺设完毕未浇注混凝土前截断待测位置的钢筋，将传感器串联在该钢筋上，作相关防护并将线路引出即可。
4 支护结构受力和应力监测
4.1 初期支护受力和应力监测及分析
4.1.1 工字钢拱应力
DK7+725.0 断面工字钢拱应力如图 2 所示。从图中可看出，工字钢拱应力在埋设后经历两次较明显的变化，第一次变化是该地下工程开挖 60 d 后形成拱部封闭初支撑时，在继续开挖上部核心土的过程中，该断面工字钢拱应力呈缓慢上升态势，但在施作二次衬砌后，工字钢拱应力基本趋于稳定，最大应力值不超过 70 MPa；第二次变化是在该地下工程开挖 70 d 后，随着下部核心岩土的开挖，该断面工字钢拱应力出现一定幅度的上升，其中，中线拱顶工字钢应力增加较为明显，最大达 110.3 MPa，这是由于下部核心岩土开挖后，使得下部岩土体的支撑压力全部作用在工字钢拱上，但在下部边墙二次衬砌后，该断面工字钢拱应力出现一定程度的下降并趋于稳定。左侧拱腰、中线拱顶及右侧拱腰工字钢拱应力最终观测值分别为 31.2，107.2 和 86.5MPa。
从图 2 还可看出，虽然 DK7+725.0 断面埋深较浅，但隧道拱部初期支护结构受力并未受到地面建筑物太大的影响。
4.1.2 喷射混凝土与围岩间接触压力
DK7+725.0 断面喷射混凝土与围岩间接触压力如图 3 所示。从图中可看出，该断面围岩与喷射混凝土间接触压力比较小，接触压力在监测的前 4 个月内出现一定的波动，5 个月后基本稳定。右侧拱腰、右侧拱脚及中线拱顶喷射混凝土与围岩间接触压力最终观测值分别为 0.1，0.5 及 0.6 MPa，其中，拱脚和拱顶应力分别是拱腰应力的 5 和 6 倍，这也与实际工程中，通常在拱脚和拱顶易发生跨落[7～9]的事实相一致。监测结果还表明，喷射混凝土与围岩间接触压力波动幅度不大，受施工工序影响较小，但完全稳定需要经历 4～5 个月的时间。因此，该地下工程围岩完全稳定的时间在 4 个月以上。
4.1.3 喷射混凝土内应力
DK7+725.0 断面喷射混凝土内应力如图 4 所示。从图中可看出，右侧拱脚及右侧拱腰处喷射混凝土内应力都不大，且两处应力均有由压应力向拉应力转化的趋势。右侧拱腰喷射混凝土内应力变化比较平稳，基本呈水平状态，说明该点的应力比较稳定，其最终观测应力为 0.0 MPa；右侧拱脚出现小幅度波动后趋于稳定，应力收敛于 0.4 MPa。
4.1.4 锚杆轴力
DK7+725.0 断面锚杆轴力传感器观测历时约 7个月，锚杆轴力最终观测值右侧拱腰为 2.9 kN、右侧拱脚为 10.4 kN、中线拱顶为 20.4 kN。锚杆轴力如图 5 所示。从图 5 可看出，右侧拱腰处锚杆轴力的初期值较大，最大达到 51.8 kN，之后缓慢下降，4 个月后下降至 20.0 kN 左右；在该断面下部边墙进行二次衬砌后，锚杆轴力基本趋于稳定。测试结果还表明，锚杆轴力主要在隧道拱部二次衬砌后出现比较明显的变化；另外，隧道下部边墙开挖期间也出现一定幅度的波动，其他时间段基本处于稳定状态；锚杆轴力绝对值较小，处于安全状态。
4.1.5 临时钢支撑应力
临时钢支撑是保证隧道施工安全的重要手段之一。测试临时钢支撑应力可判断临时钢支撑所起作用的大小，同时也能间接反映隧道初支结构的受力变化情况。DK7+725.0 断面拱部左侧壁导坑临时钢支撑应力传感器观测历时 4 个多月。拱部左侧临时钢支撑应力如图 6 所示。从图中可看出，该断面临时钢支撑应力变化较小，最大应力值为 6.1 MPa 左右，处于安全状态。
4.2 二次衬砌应力监测及分析
4.2.1 二次衬砌钢筋应力
在 DK7+725.0 断面布设 3 个测点，对左侧拱腰、中线拱顶及右侧拱腰处二次衬砌钢筋应力进行应力监测。DK7+725.0 断面二次衬砌钢筋应力如图 7 所示。从图中可看出，该断面各测点二次衬砌钢筋应力在出现不同程度的上升后趋于稳定，其中，二次衬砌中线拱顶钢筋应力最大。左侧拱腰、中线拱顶及右侧拱腰处二次衬砌钢筋应力最终观测值分别为25.0，71.6 及 43.0 MPa。右侧拱腰应力是左侧拱腰应力的 1.7 倍左右，这是由于右侧拱腰上方受到地表建筑物偏压所致。
4.2.2 二次衬砌与喷射混凝土间接触应力
在 DK7+725.0 断面布设 5 个测点，对该断面二次衬砌与喷射混凝土间接触压力进行监测；测点位置依次为：左侧大拱脚、左侧拱腰、中线拱顶、右侧拱腰及右侧大拱脚。DK7+725.0 断面二次衬砌与喷射混凝土间接触压力如图 8 所示。从图 8 中可看出，该断面二次衬砌与喷射混凝土间接触压力比较小，接触压力在左侧大拱脚处最大，且只有 2.1 MPa，这说明上部荷载主要由锚喷支护来承担，且围岩发挥自承能力，这与新奥法的思想是一致的。左侧大拱脚、左侧拱腰、中线拱顶、右侧拱腰及右侧大拱脚最终应力观测值分别为 1.9，0.4，0.4，0.1 和 0.8MPa；结构处于稳定状态。
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、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 120～140 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，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。
(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、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。
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