先隧后站荷载释放工况下隧道结构的监测研究
2015-05-27
因采用先隧后站技术，施工段盾构成型隧道（管片块装嵌而成）在地铁站开挖施工过程中，因成型隧道上部荷载（土方量）的改变使管片块的受力发生变化，可能导致成型隧道管片块变位，出现施工及隧道结构的质量问题。为了及时了解和掌握地铁车站开挖施工过程对成型隧道可能造成的不利影响，有必要对涉及的成型隧道段管片及其结构进行实时监测。
一、 监测的方法和内容
1、监测方法
本次监测采用工程测试中的应变电测技术。应变电测技术是用电测方法测量应变的一种测试技术。电测技术的基本组成是传感器元件（电阻式应变片、应变计等）和测试仪器，原理是将结构应变机械量转换成电量信号，经仪器接收、放大和量化等系统处理后示出应变量值。应变电测技术具有能效高、测量准确、远距离遥测和数图采集等优势，在材料、结构工程领域的应变测试中被广泛的应用。监测主要有电阻应变片、电阻式位移计、电阻式测力传感器；应变测试系统（手持应变仪TC31K、电阻应变仪YJ26）。[1]
2、 监测内容
根据被监测结构体与受力概况，选定轨道交通五号线某一车站基坑开挖区下成型隧道左幅：309、315、321、327、333、339管片环，右幅：315、319、324、329、333、337管片环作为监测部位。
监测部位为：
① 管片块间连接螺栓受力（螺栓受力监测点）；② 管片环内壁顶部混凝土受力应变（管顶应变监测点）；③ 管片间间隙变位（片块变位监测点）。
（1） 螺栓受力监测
在螺栓杆中间位置凹凸两面开浅槽（深2mm），并沿螺栓杆轴线靠固定螺帽端开线槽。在浅槽中心位置粘贴电阻应变片组，引导线，环氧密封。在电测法的基础上，通过现场实验校准，获得螺栓应变值换算成螺杆力值关系式，得到螺杆受力值，实现监测管片（块）间承压力变化状况。
（2） 管顶应变监测
隧道混凝土管片受力应变监测，采用电阻应变电测法。在监测盾构隧道内壁的顶部混凝土管片（块）上，沿平行隧道方向粘贴电阻应变片，实现监测盾构隧道上方挖土施工过程中，管片（块）混凝土应变（应力）的变化状况。
（3） 片块变位监测
在监测管面上选择有代表性管片（块）间（垂直间隙方向）粘贴特制表座，安放电阻式位移计，实现监测隧道混凝土管片间间隙变位。
二、 现场监测数据采集
经过6个月的现场监测、数据采集及其整理，获得了成型隧道上部土方量改变工况下，隧道管片环内壁顶部混凝土受力应变、管片块间连接螺栓受力和间隙变位等数值。
2.“-H”“-Q”“-Z”表示离杨箕站较前的监测点为“-Q”，靠后为“-H”，中间的为“-Z”。
3. “-1”“-2”表示人站立时面向杨箕站(开挖区)的左右先后定义1、2。
左幅339环监测点位置布置图 左幅337环监测点位置布置图 管片块间连接螺栓受力和间隙变位监测 螺栓“应变力值换算――关系式”现场实验校定
三、 监测数据综合分析
1、监测目的
在车站开挖施工过程中，因成型隧道上部土方的逐渐挖除荷载陆续减小，定会造成管片环与环之间、片与片之间的受力发生变化，可能导致成型隧道管片发生变位留下成型隧道质量问题。为了及时了解和掌握地铁车站开挖过程中对成型隧道可能造成的不利影响，有必要对其数据变化进行采集分析。从而通过分析数据作出有效预防措施。[2]
2、数据分析
①螺栓受力分析
螺栓受力监测是通过在电测法的基础上，将获得的螺栓应变值换算成螺杆受力值。从7月17日第一次数据采集到最后一次1月9日采集的全部数据，左线制图后分析发现：
⑴开挖第一层土的缓慢变化阶段：
基坑上方第一层土开挖后螺栓受力变化不大，曲线变化较小（车站开挖是从编号300环向编号339环的方向进行掘土）。根据现场开挖的顺序，在8月6日前掘土到监测区上方时基本上只开始开挖第一层土。从图5的曲线变化可以看出此时螺栓受力情况变化较小，变化值范围在1－10KN之间。但也有个别点由于力的集中受压出现负值被压紧，且变化较大如Z327－3Q的监测点。
⑵分段分层陆续开挖到第三层土的迅速变化阶段：
随着分段分层的开挖顺序，8月6日至8月23日逐段逐层的开挖到Z304环的第三层土时。通过曲线图可以看出曲线迅速往上然后又迅速回落，变化值在5－50KN之间差值较大。监测数据说明开挖卸载第二、第三层土时螺栓受力变化最大。
⑶至开挖完成后的稳定变化阶段：
随着开挖的继续进行，上部土方陆续掘除直至荷载全部卸载完成。从图上看出该阶段9月1日到1月9日期间曲线变化较为平坦，变化值在5KN左右。这样说明在挖出第三道支撑后螺栓受力变化已趋于稳定。
②各测点同一时间不同阶段与前次测量变化的螺栓受力分析
⑴从图上可以看出7月29日为前段开挖期间，属于缓慢变化阶段，变化值在－2.5KN至2.2KN之间变化；
⑵9月8日这段时间刚好在开挖第二、第三段支撑的过程之中，图中变化值较大在－10KN至1.1KN之间变化；
⑶9月30日及10月8日开挖为稳定变化阶段，变化值在0KN至1.7KN和－3.2KN至－0.7KN之间变化；
⑷以上说明在开挖过程中，越是接近开挖第二、三道支撑时间的时候，各测点本次与上次螺栓受力变化差值越大；
⑸且各阶段同一时间各测点越接近开挖端本次与上次螺栓受力变化差值越大。
③各测点同一时间不同阶段与第一次测量变化的螺栓受力分析：（见图7）
⑴从图7蓝色（7月29日）和红色（9月8日）两条曲线可以看出，两条曲线变化较大；
⑵9月30日和10 月8日两条曲线相对比较缓和；
⑶通过分析认为该图可以佐证在开挖第二、三道支撑的过程中螺栓受力变化迅速，该过程中开挖对于成型隧道的影响较大。
④管顶拉伸微应变数据分析：
隧道混凝土管片受力应变监测，是采用电阻应变电测法。主要是通过惠斯登电桥原理来测量应变所引起的电阻变化的微小信号，经过电容器极板间充满电介质时, 电容增大的倍数来获得管片混凝土微小变化的状况。本图通过收集7月29日到年1月8 日的监测数据绘成图表后总结出以下几点：
⑴基坑从开挖到结束，管片拉伸应变曲线走向总体向下发展，到开挖完成后大部分测点的拉伸变量达到最大；
⑵从Z315环及Z309环的曲线可以看出在开挖第三、四道支撑的过程中（9月30日）单次混凝土应变量最大；
⑶随着基坑开挖完成，混凝土管片最终的应变量越接近基坑中部的环号其变量越大；
小结：随着基坑开挖管片上方土方越来越少的情况下，混凝土的应变量与上部土方量减小成反比，即土方减少应变量增加。另在开挖第三及第四道支撑时单次变量最大。
⑤管片块、环之间位移数据分析：
基坑开挖一般采用分段分层逐级掘土的方式，杨箕站基坑开挖其方式相同。当前段开挖完成后暴露的管片就会先拆除。从车站开挖和拆除的顺序可以总结以下几点内容：
⑴在车站管片上部开挖土方时，管片的片与片之间、环与环之间位移有少量变化但变量不大；
⑵从施工日期和图表上可以看出当对已开挖出的管片进行拆除后（9月6日），大部分管片位移量全部有较大变量；
⑶随着上部土方的逐渐挖除及前段管片逐环拆除后，位移量不断变化最终累积位移最大值；
⑷从图中可看出数值有正值也有负值，这种情况认为是受力不均引起的挤压变化。
总结：
1、通过了解地铁5号线某车站基坑开挖全过程的数据分析，先隧道后车站的施工工艺流程中，施工过程风险最大的就可能是在开挖第二，第三道支撑时的风险最大。如能在该过程中加以控制及采取有效措施，对成型隧道的影响就会减小到最低限度。
2、管片的片与片、环与环之间的位移主要变化还是在拆除管片后引起的位移最大。
