应变膜在盾构隧道施工监测中的应用

何涛

0 引言

地铁隧道是现代城市中一项重要的基础设施，因此对其进行施工期的安全性监测也变得必不可少。近年来，人们对隧道结构的安全性监测也进行了较为深入的研究，应用较多的是应变片、光纤、钢悬丝式传感器。上述监测手段特别是后两种传感器具有精度高、信息丰富、受外界干扰小、耐久性较好等特点。但是，它们共同的不足在于：1)只能实现点监测，不能实现面区域监测;2)价格较昂贵，限制了大规模布点监测。因此，需要一种能够实现面区域监测、价格相对较低的监测手段和前述监测手段互为补充，提高监测的全面性和可靠性。利用应变膜进行构件变形/开裂就是基于这种要求提出的。

1 应变膜原理

应变膜是柔性导电涂料固化干燥形成的弹性导电膜(涂层)，由于其导电是靠膜内导电颗粒相互接触形成通路导电。应变膜一旦受到拉伸，导电颗粒间接触面减小，某些导电颗粒间距一旦大于一定的“阈值”，会形成断路——电阻突然变为无穷大。所以从整体上看，导电膜电阻随膜变形而变化敏感(远高于应变片)，而且其电阻变化率基本和应变保持线性关系。同时，涂膜基体树脂具有良好的弹性、高的断裂延伸率(70%～80%)和很好的耐久性，使工程应用成为可能。应变膜导电原理如图1，图2所示。

从微观看导电颗粒在涂膜内分布可以分为A，B，C三种类型导电通路，在初始状态，A类型：导电颗粒相互接触面大，导电良好;B类型：导电颗粒刚好相互接触，形成通路;C类型：导电颗粒不接触，但是间距小于一定“阈值”，电子可以克服“势垒”跃迁，形成通路，电阻大。当构件受力，应变膜随同产生应变，涂膜导电情况发生变化，A类型：导电颗粒相互接触面适当减小，导电性变化不大;B类型：导电颗粒不接触，但是间距小于一定“阈值”，电子可以克服“势垒”跃迁，形成通路，电阻变大;C类型：导电颗粒间距大于接触“阈值”，不导电，电阻变为无穷大。

因此，从宏观来看，涂膜整体电阻变化明显，并且有规律可循。利用这一特性，可将导电涂料直接涂敷在构件表面，由于涂料和混凝土表面附着力强，能够很好地和构件变形保持一致，准确地反映构件受力变形等情况。在应用中，由于膜电阻会随着环境温度、湿度等情况不同，电阻可能会不断发生变化(可通过设置环境补偿片来抵消)，判断依据不仅靠涂层电阻长期变化情况，而且主要依靠测试某一时段内其电阻变化率进行判断。

2 工程实例

2.1 工程背景

上海某地铁工程采用盾构法施工，由于在掘进施工阶段，混凝土管片从盾构推进机内脱出的短时间内，所承受的临时荷载会远远超过在正常工作阶段的荷载，而且该时间所受的荷载在沿管片周边分布具有很大不确定性。因此，仅对构件进行点或局部区域进行监测是不够的，必须对该过程管片整体结构进行监测和预警。同时，管片在螺栓连接过程中，连接部位有可能形成较大的应力集中，使得局部区域出现裂纹，影响整体安全性和防水结构的完整性。因此，也应对该工作过程和部位进行专门的变形开裂情况监测和预警。

为确保衬砌管片在盾构施工过程中的安全性，采用应变膜对衬砌管片在动态阶段进行受力和变形监测。通过该监测方案的实施，能够在工程施工过程中，得到整体结构更加全面、可靠的信息，确保工程的安全性。

2.2 应变膜布置

混凝土衬砌管片在掘进阶段在盾构推进机内受力及变形状况的监控。以混凝土微应变为控制量，采用应变膜在线监测预警系统，对管片脱离盾构复杂受力工况下，管片开裂和整环接缝部局部压裂给予早期预警及微裂缝部位确定。本次应变膜监测系统共计监测10环断面，沿管片周边环状按每片片材分段布设6片测试片(分别以每片片材为监测对象)，单设1片～2片温度补偿片共用，系统利用1台16通道应变膜测试仪对施工断面的环形测试片进行监测。由于应变膜的布设是通过将柔性导电涂料直接涂覆在需要的部位来进行的，涂膜固化干燥需要一定时间。因此，需要提前5 d左右时间对管片进行预先处理。图3为应变膜测试片沿管片内表面布置示意图。

2.3 监测数据分析

取管片测试片5的应变膜监测数据如图4所示。图4中瞬间减补偿变化率表示混凝土管片瞬时的受力状态变化，累计减补偿变化率表示混凝土管片累计的受力状态变化。可以看出，管片基本上都是处于受压状态，在个别时刻数据出现跳跃性，且每个测试片都是出现在同一时刻，分析可能是由于盾构机工作时所形成的冲击力造成。由于混凝土管片截面处于受压状态，且变化不大，故管片在盾构推进过程中处于安全状态。

3 结语

应变膜是一种能够实现面区域监测、价格相对较低的监测手段。和其他监测手段互为补充，能提高监测的全面性和可靠性，可以很好的用于判断地铁隧道管片在盾构推进过程中的受力状态。相比于传统监测手段，应变膜具有显著优点。通过本工程实例，对类似的工程具有一定的参考价值。

［1］ 何 涛.地下结构随机荷载反演与可靠性分析研究［D］.上海：同济大学博士学位论文，2007.

［2］ 何 涛，赵 鸣，谢 强，等.光纤光栅传感器用于盾构隧道施工的监测［J］.地下空间与工程学报，2008，4(1)：157-161.