隧道应力应变结构监测

不同阶段的监测

以监测时段划分,可以将隧道监测分为前期监测、施工期监测以及运行期监测。其中在施工期阶段监测过程中,使用的仪器仅限于这个时段内,无法长时间产生监测作用,可以称为临时监测。若使用的监测方法与仪器能够贯穿施工期与运行期,可以称为长久监测。
(1)前期监测

利用勘探平洞进行。随勘探洞的开挖岩体的力学参数,建立计算模型。或进行位移、应力及声波等量测。
利用原位模型试验洞,进行系统的位移、应力、围岩松动范围及声波量测,反演岩体力学参数,建立计算模型,为地下洞室稳定性研究、支护设计提供依据。
(2)施工期监测

随施工的进展,对围岩和支护进行位移、应力、应变、裂缝开合、地下水、爆破影响和环境等监测,并及时反馈,以保证施工安全和修改设计、指导施工。
(3)运行期监测

对围岩及支护进行现场监测,监测结构构件的安全、检验设计的正确性以及为地下工程技术研究积累资料。

监测的方法

一、围岩位移监测

振弦式多点位移计主要由位移传感器及护管、不锈钢测杆及PVC护管、安装基座、护管连接座、锚头、护罩、信号传输电缆等组成,图3-1所示为常见的多点位移计。当被测结构物发生位移变形时将会通过多点位移计的锚头带动测杆,测杆再拉动位移计的拉杆产生位移变形。位移计拉杆的位移变形传递给振弦转变成振弦应力的变化,从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率,频率信号经电缆传输至读数装置,即可测出被测结构物的变形量。一些振弦式多点位移计可同步测量埋设点的温度值。多点位移计在隧道断面的的监测布置如图所示。

二、围岩压力监测

围岩压力的观测包括围岩与初衬压力、初衬与二衬压力的监测。
围岩压力的观测包括围岩与初支压力、初支与二衬压力的监测,支护内应力的观测包括钢支撑应力监测、初支混凝土内应力监测及二次衬砌应力监测。这些监测项目皆为选测项目,招标文件对测点布置有明确要求:一般情况下按5点/断面考虑。现对各项监测项目分述如下:
围岩与初支压力及初支与二衬压力监测:选用土压力计观测围岩与初支及初支与二衬间的接触压力变化。沿隧道周边拱顶、拱腰和边墙埋设压力传感器,将双膜钢弦式压力盒分别埋设在围岩与喷射混凝土之间、喷射混凝土与二次衬砌之间。围岩与喷射混凝土之间的压力盒是在喷混凝土施工以前埋设,喷射混凝土与二次衬砌之间的压力盒是在挂防水板之前进行安装,分别测取围岩与喷射混凝土间的接触压力;初期支护与二次模注混凝土衬砌间的接触压力。混凝土达到初凝强度以后开始测取读数,测点布置按5点/断面考虑。

初支(喷射混凝土)内应力量测:沿隧道的拱顶、拱腰和边墙在喷射混凝土内埋设应力计。围岩初喷以后,在初喷面上将应力计固定,再复喷,将应力计全部覆盖并使应力计居于喷层的中央。喷射混凝土达到初凝时开始测取读数。

二次衬砌应力量测:二次衬砌应力量测与喷射混凝土轴向应力量测相同,应力传感器埋设在二次衬砌混凝土内。量测断面的测点布置位置及传感器数量与喷射混凝土轴向应力量测相同。

格栅钢架内力量测:钢支撑内力量测仅限于围岩条件很差且需要钢支撑的地段,采用钢筋计量测,把钢筋计焊接在钢支撑上,量测钢支撑内力。钢支撑安装完以后即可测取读数。量测断面的测点布置位置与喷射混凝土应力测点布置位置相同。
选用土压力计观测围岩与初支及初支与二衬间的接触压力变化。沿隧道周边拱顶、拱腰和边墙埋设压力传感器,将土压力计分别埋设在围岩与喷射混凝土之间、喷射混凝土与二次衬砌之间。当被测结构物内土应力发生变化时,土压力计感应板同步感受应力的变化,感应板将会产生变形,变形传递给振弦转变成振弦应力的变化,从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率,频率信号经电缆传输至读数装置,即可测出被测结构物的压应力值。同时可同步测出埋设点的温度值。

三、混凝土应力监测
振弦式钢筋计的工作原理是:当钢筋计受轴力时,引起弹性钢弦的张拉拢变化,改变钢弦的振动频率,通过频率仪测得钢弦的频率变化即可测出钢筋所受作用力的大小,换算而得混凝土结构所受的力。钢筋应力计在隧道断面的位置布置如图所示。

四、混凝土应变监测
当被测结构物内部的应力发生变化时,应变计同步感受变形,变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化,从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率,频率信号经电缆传输至读数装置,即可测出被测结构物内部的应变量。同时可同步测出埋设点的温度值。

五、围岩能量监测
岩体破裂后,产生的振动波沿周围的介质向外传播,放置于孔内紧贴岩壁的传感器接收到其原始的微震动信号将其转变为电信号并发送至信号采集仪; 通过通讯系统将数据信号传送给中心服务器,通过分析处理软件对微震动数据信号进行多方面处理和分析,实现微震事件的定位、获取震源参数、趋势跟踪,并且可以在三维空间和时间上对局部微震事件进行可靠的演示,最终获得岩爆孕育过程中岩体破裂微震事件,微震监测原理及监测系统如图所示。

六、高地温隧道温度监测
高地温对正常施工、机具使用、材料使用和监测设备都有明显的影响。地温监测包括洞外环境温度、洞内岩温、洞内水温和洞内环境温度监测四个方面。

(1)洞外环境温度监测
在洞外风机周围安装气象站进行环境温度监测,测试频率采用国际通行气象测定的时间约定,以格林尼治零点为标准点(对应于北京时间8:00),每天8:00、14:00、20:00、2:00各测试1次收集气象资料,并上传系统。

(2)洞内岩温监测
洞内岩温采用隧道边墙浅孔测温法进行监测。岩温测试孔一般布置在距开挖面50m、距底板1.0-1.2m高的边墙上。在围岩较完整、干燥的岩体处钻孔,钻孔深度不小于3m,孔径不小于42 mm,钻孔方向向上倾斜5°-10°。岩温每7d测试记录1次,测试岩温仪器建议采用热敏电阻传感器。

(3)洞内水温监测
地下水温的测试分为超前地下水温探测和已开挖面地下水温测试。测试仪器选用高精度测温仪。通过超前水温探测结合超前地质预报预测,在超前钻孔中发现地下水并及时进行水温测试。已开挖的地段,若初期支护表面存在大面积漫流渗水,则需对漫流水进行温度测试,每7d测试记录1次。温度记录后,根据隧道高程变化对应的水温变化进行分析。

(4)洞内环境温度监测
环境温度测试点主要为出风筒出口及掌子面附近,掌子面100m范围内测试间距为20m,共5个测试断面;100-200 m的测试间距为50m,共2个测试断面;超过掌子面200m,对现场施工影响较小,可不监测。环境温度监测分工序(开挖、出渣、立拱、喷浆)测试,每7d测试1次。