公路隧道施工监控量测中几个问题的探讨
陈建勋1，2 胡 健3
（1长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室 西安 710064；2北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044；3江苏现代路桥有限责任公司 南京 210049）
摘 要 本文通过公路隧道监控量测布置与实施过程中碰到的一些问题，结合现场监控量测的经验和隧道结构的受力特点，对量测探头量程的选定、型钢钢架应力测试方法及格栅钢架应力量测钢弦式钢筋应力计焊接方法的选择3个问题进行了思考和探讨；并进一步提出了量测探头量程选定的依据，推荐了型钢钢架应力测试方法和格栅钢架应力量测钢弦式钢筋应力计的焊接方法。
关键词 公路隧道 监控量测 问题 量程 测试方法
大量公路隧道的修建，尤其是特长公路隧道的修建，大大促进了新奥法在我国公路隧道建设中的推广。新奥法是把设计、施工与监测三者结合为一体，参考已建工程的设计参数进行初选设计后，再通过施工过程中围岩的量测分析对原有结构设计和施工流程进行修正。因此，量测工作是监视设计、施工是否正确的眼睛，是监视围岩是否安全稳定的手段，它伴随着施工的全过程，是新奥法构筑隧道非常重要的一个环节。本文针对公路隧道监控量测布置与实施过程中普遍存在的几个问题进行详细探讨，提出了自己的一些想法，以供大家商榷。
1 量测探头量程的选定
监控量测实施过程中，探头量程的选定很重要，若量程选定过大或过小，就有可能发生量测读数误差变大，量测结果失真。
1．1 压力盒量程选定
（1）围岩压力量测压力盒量程的选定
根据铁路、公路隧道设计规范规定，其围岩松驰荷载（围岩接触压力）按式（1）计算：
式中，q为垂直均布压力，kPa；s为围岩级别；γ为围岩容重，kN/m3；ω为宽度影响系数ω＝1＋i（B－5），其中B为隧道开挖宽度（m），i为宽度影响系数，i＝0．1。
以开挖宽度12 m为例，各级围岩垂直及水平压力计算结果见表1。
表1 各级围岩垂直及水平压力
注：表中e为围岩水平均布压力，侧压力系数取的最大值。
参考表1中的围岩垂直和水平压力值可以确定围岩压力量测压力盒的量程，表2给出了不同级别围岩压力盒的量程选取参考，表中所列量程参考值是由垂直和水平围岩压力求合力的基础上，并乘以1．5的系数后取整得出的。
表2 各级围岩压力量测压力盒的量程
（2）初期支护与二次衬砌间的接触压力量测压力盒量程的选定
根据《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）第9．2．5条，通过释放荷载设置系数控制初期支护和二次衬砌的受力，以使初期支护和二次衬砌能较为合理地分担比例，共同承受释放荷载的作用。复合式衬砌的二次衬砌用于Ⅰ～Ⅲ级围岩时，由于初期支护作为永久结构可使围岩保持稳定，因而不必进行荷载分担。Ⅳ，Ⅴ级围岩荷载分担比例见表3。
表3 释放荷载分担比例表［1］
根据这条规定，考虑最不利因素，二次衬砌分担比例取大值。可知不同级别围岩条件下二次衬砌承担的荷载，并以此作为参考确定初期支护与二次衬砌间的接触压力量测压力盒的量程，见表4。表中所列量程仅供参考，特殊地段压力盒量程可以根据此表相应加大。
表4 各级围岩初期支护与二次衬砌间的接触压力量测压力盒的量程
1．2 其他量测探头量程的选定
由于型钢钢架在隧道工程中一般都受压，而钢材的屈服极限应变在1 700～1 800με。根据这一屈服极限应变乘以1．5的系数可得型钢钢架应力量测表面应变计量程的参考标定值，为－2 700～1 000με；格栅钢架应力量测的钢筋应力计量程的选取要和格栅的主筋设计参数相匹配，例如采用相同直径的钢筋应力计；混凝土应变计的量程选定最好是预计压力的2～3倍或按混凝土标号确定；量测锚杆的量程选取要和锚杆的设计参数相匹配。
2 型钢钢架应力测试方法的选择
目前型钢钢架应力量测流行较多的方法有表面应变计法、千分表法和钢筋应力计法3种。
图1 表面应变计测试法示意图
2．1 表面应变计法
在型钢钢架的上下缘安装钢弦式表面应变计，通过量测钢架受力后发生的应变来推算钢架的内应力。其测试示意如图1所示。这种方法的优点是：表面应变计紧密地安装在型钢钢架的表面，所测为型钢钢架两点间的变形，内部的波纹管灵敏度较高［2］，即使是微小的变形也能测出。表面应变计安装完后，扣一薄皮铁盒，这不仅可以避免表面应变计敏感部位与喷射混凝土直接接触而损坏应变计，而且还可以和喷射混凝土分开，与型钢钢架的变形一致，能比较真实地反映钢架的应变和受力。钢弦式表面应变计还具有在型钢钢架上安装方便、快捷（安装时只要将底座用电焊直接焊在被测的型钢钢架上）和长距离测试方便、不受电缆受潮的影响、精度和灵敏度高、长期稳定性好等优点［3～5］。
图2 千分表测试法示意图
2．2 千分表法
采用千分表法，即量测钢架在测点处受力后沿径向及切向发生的位移及曲率的相对变化，即图2中AB的弦长L及矢高F的变化，来推算钢架的内应力。实际测试中往往忽略拱高F的变化，其理由是量测距离短，型钢钢架曲率小，只考虑弦长L的变化。然后由式（2）计算出应力：
式中，ΔL为量测距离的型钢钢架变形量；L为量测的距离；E不钢的弹性模量。
测试探头安设方法是将测杆底座和表座焊在钢架（工字钢）内缘上，测杆（φ22钢筋）焊于测杆底座上，千分表固定在表座上，触头顶在测杆上［6］。
采用这种方法测试型钢钢架变形存在以下缺点，如图3所示：
图3 千分表测试法缺点分析示意图
①这种方法测试型钢钢架的变形存在一定误差，因其所测为圆弧拱弦的变形，并不能代替圆弧拱的变形，如图4所示。这种方法是用ΔL＝ΔL1＋ΔL2来代替弧的变形Δl＝l2－l1，显然Δl＞ΔL。忽略拱高F的变化也是不正确的，因为钢材的弹性模量很大，以普通工字钢为例，其弹性模量E＝210 GPa，所以即使发生微小的变化，应力的变化也是明显的。
图4 千分表测试法探头的安装示意图
②探头的安装比较烦琐，另外可以看出这种方法只能测试型钢钢架内缘的变形，无法测试外缘变形。
③采用的测杆较长（750 mm），若在喷混凝土前安设，则测杆的保护工作比较困难；若在喷混凝土后安设，则前期的钢架变形就无法测到。
④千分表测试为机械式测试，不便远距离测试，设于拱部和侧墙高处的测点，必须搭设架子量测，安全性差，对施工干扰大［4］。
图5 钢筋应力计测试法示意图
2．3 钢筋应力计法
将钢筋应力计直接焊在型钢钢架内缘上直接测型钢钢架的变形，测试示意如图5所示。这种方法和千分表法很相似，也是用弦的变化来代替圆弧拱的变化。钢筋应力计一般采用优质钢材，其强度较高，焊接后对所测部位的型钢钢架起到了加固作用，故所测变形并不是型钢钢架本身受力的变形，而是两者共同受力产生的变形。
通过以上分析，在型钢钢架应力量测中建议采用安装钢弦式表面应变计这种方法。
3 格栅钢架应力量测的钢弦式钢筋应力计的焊接方法选择
钢弦式钢筋应力计的焊接方法主要有以下两种：
①将钢弦式钢筋应力计与格栅的主筋进行串联轴对轴焊接（双面焊），并使应力计与钢筋同心，示意图如图6所示。
图6 串联轴对轴焊接安装示意图
②将钢弦式钢筋应力计与格栅的主筋并联平行焊接（单面焊），示意图如图7所示。
图7 并联平行焊接安装示意图
由这两种焊接安装方法可以看出，并联平行焊接法明显存在偏心的问题，钢弦式钢筋应力计由轴心受压（受拉）状态变为偏心受压（受拉）状态，所测读数就会失真。若假设两种焊接法钢弦式钢筋应力计所测频率对应的轴力都为N，格栅主筋与钢筋应力计的直径都为d，由这一已知条件分析与其焊接的格栅主筋的受力情况如图8、图9所示。轴对轴串联焊接法格栅主筋所受应力分布如图10所示，并联平行焊接法格栅主筋所受应力分布如图11所示。从两图对比可以看出，要使两种焊接法所测得的频率一致，并联平行焊接法格栅主筋的所受应力就应是串联轴对轴焊接法格栅主筋所受应力的7～9倍，由此可见若格栅主筋在同一受力情况下，两种焊接法钢弦式钢筋应力计的读数偏差显而易见。
图8 串联轴对轴焊接格栅主筋受力分析示意图
图9 并联平行焊接格栅主筋受力分析示意图
图10 串联轴对轴焊接格栅主筋所受应力分布图
图11 并联平行焊接格栅主筋所受应力分布图
从这两种焊接安装方法对比可以看出，建议采用轴对轴串联焊接法进行安装钢弦式钢筋应力计。焊接时要采用冷却措施，以防温度过高损坏电磁激励线圈和改变钢弦的性能。
4 结 论
①建议Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ级围岩压力量测压力盒量程分别为0～0．2，0～0．3，0～0．5，0～0．9 MPa；Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ级围岩初期支护与二次衬砌间的接触压力量测压力盒的量程分别为0～0．2，0～0．4，0～0．8 MPa；表面应变计的量程为－2 700～1 000με；混凝土应变计的量程通过选择与混凝土标号一致的混凝土应变计来确定；钢筋应力计量程通过选择与钢筋设计参数相匹配的钢筋应力计来确定，例如采用与设计钢筋相同直径的钢筋应力计；测力锚杆的量程通过选择与锚杆设计参数相匹配的测力锚杆来确定，例如采用与设计锚杆相同直径的测力锚杆。
②建议型钢钢架应力测试采用安装表面应变计的方法。
③建议钢筋应力计的焊接采用轴对轴串联焊接。
［1］中华人民共和国行业标准．公路隧道设计规范（JTG D70—2004）［S］．北京：人民交通出版社，2004．
［2］刘宝有．钢弦式传感器及其应用［M］．北京：中国铁道出版社，1986．
［3］陈建勋，马建秦．隧道工程试验检测技术［M］．北京：人民交通出版社，2004．
［4］李晓红．隧道新奥法及其量测技术［M］．北京：科学技术出版社，2002．
［5］夏才初，李永盛．地下工程测试理论与监测技术［M］．上海：同济大学出版社，1999．
［6］李德武，李培天，高峰，等．黄土隧道钢拱架受力量测与有限元分析［J］．公路，2005（8）：180-183．
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