浅埋大断面黄土隧道原位测试研究

王新野 范文军 白永胜

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300051；

浅埋大断面黄土隧道原位测试研究

王新野1范文军2白永胜3

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300051；

2.长春市市政工程设计研究院，吉林 长春 130033； 3.陕西省延安市新区管理委员会，陕西 延安 716000)

结合某工程实例，介绍了浅埋大断面土质隧道的施工工艺，依据测试原件的工作原理与测试方法，分析了施工中原位测试内容与现场埋设应注意的事项，并对该类隧道建立了一套测试方法，为今后类似工程施工积累了经验。

隧道，原位测试，施工工艺

20世纪50年代后期新奥法问世以来，地下工程现场的量测开始成为判断围岩以及支护结构的稳定性的重要手段之一，通过实测结果优化设计参数并指导施工。近年来由于实验室设施的完备以及有限元软件的开发，逐步成为软件模拟，室内实验，现场监控等一整套的设计原理和测试方法[1]。但是，实际工程中涉及到的地质情况多种多样，通过现场原位测试能比较直观的反映隧道结构的受力与变形情况，其测试方法和测试内容根据围岩类别或者结构的性质等原因也不尽相同[2]。为此，笔者结合某工程实例，详细介绍大断面隧道在土质围岩(Ⅴ级)下，全程纵向浅埋的施工过程中的原位测试内容与方法,为进一步的工程研究积累了资料。

1 工程概况

本工程依托山西某高速公路隧道段，隧道为分离式双洞单向行车三车道，设计时速100 km/h，断面面积170 m2。最大埋深不足22 m。具有埋深浅，断面大，围岩差等特点。

表1 隧道围岩)粉土、卵石土工试验指标

2 支护结构设计参数与施工工艺

隧道支护采用复合式衬砌结构，初期支护主要施作喷射混凝土，锚杆，钢拱架，钢筋网等，并辅以超前小导管、超前(砂浆)锚杆超前大管棚等措施，使之将围岩的自承能力充分发挥和调动，通过监控量测，在其信息的指导下施作初期支护和二次模筑衬砌。其中初期支护参数主要依据工程经验类比以及理论计算综合比较后确定，隧道洞口段进洞采用超前大管棚、套拱结构[3]。

1)地表注浆。本隧道地表由于耕种农作物使得土质较松散，为增大土体的压缩模量，配合地表沉降的严格要求，施工过程采取地表注浆处理，注浆范围横向为两倍隧道开挖宽度，纵向全程注浆(包括大管棚段)，材料为φ108钢管，横向间距2.4 m，纵向间距1.2 m，呈梅花形分布，并注入水灰比为0.5∶1水泥浆。

2)大管棚施工。根据明洞暗洞分界面里程，在分界面进行管棚施工，进口40 m，为双层φ108钢管，上层每环38根，下层每环51根，出口20 m，为单层φ108钢管，每环31根。

3)超前小导管施工。当洞身开挖至管棚结束段时，拱部施作超前小导管，φ50小导管长度4.5 m，环向间距0.4 m，外插角10°，每环49根。

4)套拱施工。大管棚施工完毕后，沿大管棚弧线下方30 cm施工套拱。

5)初期支护。隧道初期支护采取φ25中空注浆锚杆，长度4.5 m，间距50 cm×80 cm，双层φ8钢筋网20 cm×20 cm，Ⅰ22a工字钢，间距50 cm，喷C25早强混凝土29 cm。支护紧跟开挖面施作，尽量减少围岩暴露时间，防止松散黄土脱落。

6)二衬施工。隧道底部开挖支护完成后，由图1，图2可知隧道底部按左、右、中的顺序进行仰拱二衬施工，二衬模筑C30钢筋混凝土60 cm，仰拱回填C15片石混凝土。由于隧道埋深浅围岩差，同时要求减小地表沉降等，二衬施作应及时跟进避免初支结构发生塑性破坏。

3 支护结构应力应变现场原位测试

1)测试元件原理。

本隧道上所采用的测试压力元件是钢弦式压力盒。一般根据钢弦张拉所受应力不同而它的自振频率所对应的变化关系的原理，得知钢弦式压力盒等测试元件所表现出来的频率的变化与引起元件应力变化的线性关系可用下式：

其中，f为压力盒受压后所测的频率；f0为压力盒未受压时的初始频率；P为压力盒底部薄膜所受的压力；K为标定系数，与压力盒构造等有关，一般各不相同。

钢弦内所受应力的变化转化为钢弦振动频率的变化。由此可推导出钢弦应力与振动频率的关系：

其中，f为钢弦振动频率；L为钢弦长度；ρ为钢弦的密度；σ为钢弦所受的应力。

2)测试内容与方法。

a.钢支撑应力应变量测:将表面应变计固定在工字钢的腹板上，通过读数可读出相对应频率，经过换算可得出钢拱架应力和应变的大小，由此可了解围岩作用在钢拱架上的压力变化，从而评价钢拱架的间距，钢拱架型号的合理性以及分析初支混凝土层的实际工作状态，判断隧道是否受偏压影响。通过测量钢支撑所受压力判断钢支撑的工作状态。确定在此压力下钢支撑的安全系数[4]，根据实际情况确定是否需要采取额外加固措施。

b.锚杆轴力量测：当隧道开挖到埋设元件断面时，用钢筋计模拟锚杆，在施作初期支护时用比钢筋计直径较大的钻头在边墙以及拱顶所要测的各点钻孔，然后将钢筋计放入钻孔内(如不塌孔可在钢筋计前端放一定量锚固剂以稳定钢筋计)用以测量钢筋计所受轴力的变化规律。

c.初支与围岩之间接触压力量测：将压力盒埋置在初期支护与围岩之间,测量围岩在稳定过程中进行应力释放中施加给初期支护混凝土结构上的压力。

d.初期支护与二次衬砌之间的接触压力量测:初期支护与二次衬砌之间埋置压力盒，研究初支和二衬在结构稳定过程中分担荷载比例。

e.混凝土应力应变量测：在现场浇筑二衬和仰拱前，将混凝土应变计埋设到设计的测量点，量测仪器数据来计算混凝土衬砌的应变值进而分析二衬和仰拱混凝土内力大小[5]。

3)测试元件现场埋设注意事项。

在施工现场进行元件埋设布置前，应对所有元件进行检验，包括引线质量，以及引线标号是否清晰。应进行初读数数次，看是否具有稳定性，对于初读数数次变化较大的测试元件应分析原因，若是其本身材料加工等质量问题则不应采用。

在固定钢筋表面计时一般用电焊焊接的方式固定支座，这就需要在安装表面计时应及时给支座降温，保证核心部件不受损坏。在钢筋计放入已经钻好的钻孔时应及时迅速缩短时间防止塌孔，尤其黄土隧道在水钻钻孔时极易塌孔。对于已经塌孔的情况应再次钻孔切不可强硬将钢筋计推入孔内，致使引线断裂。在埋设压力盒时小心谨慎正确安装两边受力面所对应的体系。混凝土应变计埋设时应将其绑在钢筋上，保证在混凝土浇筑过程中不偏离原位置过大，同时固定混凝土应变计的扎丝等不能用力过大，防止非混凝土作用下出现较大误差。断面布置如图3,图4所示。

4)现场测试数据整理。

采集数据依据测试频率及时，测试时间有针对性、对比性。将测试原始数据记录，随后将记录数据输入计算机根据相关软件对数据计算处理，分析施工工序，以及测试数据时所对应的施工阶段对结果的影响，并归纳分析围岩与支护结构的受力与变形规律[6，7]。分析过程中若发现测量值超出警戒值应及时通知施工单位，监理和业主单位进行及时处理。整个测试阶段完成后，总结归纳数据的变化规律，为研究隧道的支护结构受力与变形情况提出参考与依据。

4 结语

由于本隧道断面大，围岩条件差，浅埋等特点，且隧道所处地理位置重要，建设方对隧道沉降要求严格，故本隧道设计了一套严格的原位测试系统，施工过程中很好的监视了结构的受力及变形情况，及时反馈并优化了设计参数，很好的控制了地面沉降。最终给以后的相类似的工程提供资料与积累经验。为浅埋黄土大断面隧道的设计与施工提供理论依据和实例。同时也可为城市地铁隧道的设计施工带来借鉴经验。

[1] 李玉文，王 联.三车道公路隧道的设计与施工[J].世界隧道,1995(5)：57-59.

[2] 吴梦军，刘新荣.特大断面隧道施工方法试验研究[J].重庆建筑大学学报，2006(15)：98-100.

[3] 王 兵.双车道公路隧道复合衬砌应用研究[J].中国公路学报，1997，10(4)：77-79.

[4] 夏才初,李永胜.地下工程测试理论与监测技术[M].上海：同济大学出版社，1998.

[5] 王新野.浅埋大断面黄土隧道支护结构受力性状研究[D].西安：长安大学硕士学位论文，2013.

[6] 赵占厂，谢永利，杨晓华,等.黄土公路隧道衬砌受力特性测试研究[J].中国公路学报，2004，17(1):66-70.

[7] 陈建勋，杨 忠，袁雪戡.秦岭终南山特长公路隧道大埋深段施工监测及分析[J].建筑科学与工程学报，2006，23(3):71-75.

The in-situ test research on shallow buried large section loess tunnel

WANG Xin-ye1FAN Wen-jun2BAI Yong-sheng3

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China; 2.ChangchunMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Changchun130033,China; 3.ShaanxiYan’anNewDistrictManagementCommittee,Yan’an716000,China)

Combining with an engineering example, this paper introduced the construction technology of shallow buried large section loess tunnel, based on the working principle and test method of test originals, analyzed the in-situ test contents in construction and the matter needing attention in site bury, and established a set of test method to the tunnel, accumulated experience for future similar construction.

tunnel, in-situ test, construction technology

1009-6825(2014)28-0191-02

2014-08-01

王新野(1987- )，男，硕士，助理工程师； 范文军(1987- )，男，助理工程师； 白永胜(1985- )，男，助理工程师

U451.5

A