一种隧道支护结构受力监测装置及方法

摘要

本发明涉及一种隧道支护结构受力监测装置及方法，监测装置包括钢筋应变计(11)、第一土压力计(12)、第一混凝土应变计(13)、表面应变计(14)、第二土压力计(21)和第二混凝土应变计(22)，所述的钢筋应变计(11)监测锚杆应变，所述的第一土压力计(12)监测初期支护与围岩之间的接触压力，所述的第一混凝土应变计(13)监测喷射混凝土环向应变，所述的表面应变计(14)监测型钢轴向应变，所述的第二土压力计(21)监测二次衬砌与初期支护之间的接触压力，所述的第二混凝土应变计(22)监测二次衬砌混凝土环向应变。与现有技术相比，本发明装置埋设位置合理、量测结果能相互验证、相互修正，提高了量测结果的精确性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道施工、测量装置及方法，尤其是涉及一种隧道支护结构 受力监测装置及方法。

背景技术

隧道施工过程中，隧道初期支护，是确保施工安全的关键，它能充分发挥围 岩自身的承载能力，迅速封闭围岩，避免围岩因为长时间的裸露，受水、空气等影 响发生风化、水化而发生坍塌；二次衬砌是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模 筑混凝土或钢筋混凝土衬砌。

二次衬砌与初期支护共同组成复合式衬砌隧道初期支护，承担荷载。因此， 获取初期支护和二次衬砌的应力和应变状态、结构与围岩之间的相互作用力、初期 支护和二次衬砌之间的相互作用力，以及围岩、初期支护、二次衬砌的位移变化过 程，对隧道施工相关围岩力学和结构受力特性研究具有重要意义。

当前隧道施工力学研究中，基础数据多来源于结构表面位移监测，对支护结 构受力状态，支护结构和围岩、二次衬砌和初期支护的接触应力以反分析为主，加 大了与实际结果的偏差。而对于土工仪器的监测方法，多以仪器厂商的埋设经验为 主，而仪器厂商对监测结果的计算分析水平有限，影响了计算结果的准确性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种仪器埋设位 置科学合理、监测结果可信度高、计算结果准确的隧道支护结构受力监测装置及方 法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种隧道支护结构受力监测装置，其特征在于，包括：

初期支护受力监测单元，包括钢筋应变计、第一土压力计、第一混凝土应变计 和表面应变计，所述的钢筋应变计设置在锚杆上，所述的第一土压力计设置在初期 支护与围岩之间，所述的第一混凝土应变计设置在初期支护喷射混凝土中，所述的 表面应变计设置在初期支护的型钢上；

二次衬砌受力监测单元，包括第二土压力计和第二混凝土应变计，所述的第二 土压力计设置在二次衬砌钢筋网与初期支护之间，所述的第二混凝土应变计设置在 二次衬砌混凝土与二次衬砌的钢筋网之间。

所述的初期支护的型钢为“工”型，每块型钢上设置两个表面应变计，所述的 两个表面应变计对称布置在型钢的两个翼板内侧，用于监测型钢翼板在隧道环切向 应变。

所述的第一混凝土应变计轴线位于两个表面应变计的对称平面上，且轴向与隧 道环向切线平行。

所述的第一土压力计埋设在围岩中并垂直于围岩表面，所述的第二土压力计埋 设在初支混凝土中并垂直于初支混凝土表面，第一土压力计和第二土压力计分别用 压力盒托架固定。

所述的第二混凝土应变计设有两个，所述的两个第二混凝土应变计对称设置在 二次衬砌的两层钢筋网内侧，第二混凝土应变计轴向与隧道环切线平行。

一种使用所述的隧道支护结构受力监测装置进行隧道支护结构受力监测的方 法，其特征在于，包括以下步骤：

S01，记录监测装置中各计量仪器出厂时的参数和初始数值大小；

S02，布置初期支护结构和初期支护受力监测单元中的各计量仪器，其中钢筋 应变计设置3个，分别设置在锚杆1/4、1/2、3/4的部位，并记录各计量仪器量测 值，以及两个表面应变计之间的距离；

S03，喷射初期支护混凝土；

S04，布置二次衬砌钢筋网和二次衬砌受力监测单元中的各计量仪器，并记录 量测值；

S05，浇筑二次衬砌混凝土；

S06，浇筑完成后再次读取初期支护受力监测单元和二次衬砌受力监测单元中 各计量仪器的量测值；

S07，根据钢筋应变计、第一土压力计、第一混凝土应变计、表面应变计、第 二土压力计、第二混凝土应变计的应变计算结果，分别对应得到锚杆应变、初期支 护与围岩之间的接触压力σ_初、喷射混凝土环向应变、型钢翼板在隧道环切向的应 变、二次衬砌与初期支护之间的接触压力σ_二、二次衬砌混凝土环向应变；

S08，根据步骤S07的结果，分别计算喷射混凝土和二次衬砌在隧道径向、环 切向和纵向三个方向的应力，具体如下：分别计算喷射混凝土和二次衬砌在隧道径 向、环切向和纵向三个方向的应力应变，具体如下：

${ϵ}_{xi}=\frac{1}{E_i}[{\sigma }_{xi}-{\mu }_i({\sigma }_{yi}+{\sigma }_{zi})]$

${\sigma }_{yi}=\frac{E_i{\mu }_i}{(1+{\mu }_i)(1-2{\mu }_i)}({ϵ}_{xi}+{ϵ}_{yi}+{ϵ}_{zi})+\frac{E_i}{(1+{\mu }_i)}{ϵ}_{yi}$

${\sigma }_{zi}=\frac{E_i{\mu }_i}{(1+{\mu }_i)(1-2{\mu }_i)}({ϵ}_{xi}+{ϵ}_{yi}+{ϵ}_{zi})+\frac{E_i}{(1+{\mu }_i)}{ϵ}_{zi}$

式中，E_i为弹性模量，μ_i为泊松比，σ_xi为径向应力，其中喷射混凝土的径向 应力二次衬砌的径向应力σ_yi为环切向应力，σ_zi为纵 向应力，ε_xi为径向应变，ε_yi为环切向应变，ε_zi为纵向应变，ε_zi＝0，式中各符号 下标i＝0或1，其中0代表喷射混凝土，1代表二次衬砌，通过求解三元一次方程 组可获得所有混凝土应力应变信息。

所述的锚杆应变M₁求解计算式为：

M₁＝E₂·ε

其中，E₂为锚杆钢筋的弹性模量，ε为三个钢筋应变计的应变计算结果的均 值。

所述的型钢翼板在隧道环切向的应变包括型钢轴力F_轴、型钢弯矩M和旋转中 心，所述的旋转中心为两个表面应变计的对称中心，所述的型钢轴力F_轴和型钢弯 矩M计算式为：

其中，E为型钢的弹性模量，ε₁为第一个表面应变计应变计算结果，ε₂为第二 个表面应变计应变计算结果，h₀为型钢腹板长度，A_翼为型钢翼板面积，A_腹为型钢 腹板面积。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)提出了适用于系统监测隧道衬砌结构应力应变的土工仪器埋设方案：初 期支护中，采用钢筋应变计监测锚杆应变，土压力盒监测初期支护与围岩接触压力， 混凝土应变计监测喷射混凝土环向应变，表面应变计监测初支型钢轴向应变；二次 衬砌中，采用土压力盒监测二次衬砌与初期支护接触压力，混凝土应变计监测二次 衬砌混凝土环向应变。装置埋设位置合理，量测结果能相互验证、相互修正。

(2)提出了受力监测结果获取的方法及修正后的应变计算公式，例如，初期 支护的径向应变为第一土压力计和第二土压力计监测结果的均值；型钢的旋转中 心、轴力和弯矩通过联立对称设置的表面应变计的监测结果求解；对于靠近初期支 护一侧的第二混凝土应变计，应变为第二土压力计量测结果，而对于靠近隧道净空 一侧的第二混凝土应变计，应变取0。通过联立求解和修正计算，提高了量测结果 的精确性和可靠性。

附图说明

图1为本实施例初期支护受力监测单元埋设位置主视示意图；

图2为本实施例初期支护受力监测单元埋设位置左右二等轴测示意图；

图3为本实施例初期支护受力监测单元埋设位置等轴测示意图；

图4为本实施例二次衬砌受力监测单元埋设位置主视示意图；

图5为本实施例二次衬砌受力监测单元埋设位置等轴测示意图；

图6为混凝土微元体示意图；

附图标记：11为钢筋应变计；12为第一土压力计；13为第一混凝土应变计； 14为表面应变计；21为第二土压力计；22为第二混凝土应变计；31为环向钢筋； 32为纵向钢筋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

实施例

如图1～5所示，一种隧道支护结构受力监测装置，包括初期支护受力监测单元 和二次衬砌受力监测单元。

其中初期支护受力监测单元包括钢筋应变计11、第一土压力计12、第一混凝 土应变计13和表面应变计14。如图2所示，初期支护的型钢为“工”型，每块型 钢上设置两个表面应变计14，两个表面应变计14对称布置在型钢的两个翼板内侧， 用于监测型钢翼板在隧道环切向应变。钢筋应变计11设置3个，分别设置在锚杆 1/4、1/2、3/4的部位。第一土压力计12设置在初期支护与围岩之间，埋设在围岩 中，并垂直于围岩表面。第一混凝土应变计13设置在初期支护喷射混凝土中，轴 线位于两个表面应变计14的对称平面上，且轴向与隧道环向切线平行。

二次衬砌受力监测单元包括第二土压力计21和第二混凝土应变计22，第二土 压力计21设置在二次衬砌钢筋网与初期支护之间，埋设在初支混凝土中并垂直于 初支混凝土表面，第一土压力计12和第二土压力计21分别用压力盒托架固定。第 二混凝土应变计22设置在二次衬砌混凝土与二次衬砌的钢筋网之间，设有两个， 呈对称设置在二次衬砌的两层钢筋网内侧，第二混凝土应变计22轴向与隧道环切 线平行。具体方向参考图5中环向钢筋31和纵向钢筋32的位置。

一种隧道支护结构受力监测方法，包括以下步骤：

S01，记录所述的隧道支护结构受力监测装置中各计量仪器出厂时的参数和初 始数值大小；

S02，布置初期支护结构和初期支护受力监测单元中的各计量仪器，并记录各 计量仪器量测值，以及两个表面应变计14之间的距离；

S03，喷射初期支护混凝土；

S04，布置二次衬砌钢筋网和二次衬砌受力监测单元中的各计量仪器，并记录 量测值；

S05，浇筑二次衬砌混凝土；

S06，浇筑完成后再次读取初期支护受力监测单元和二次衬砌受力监测单元中 各计量仪器的量测值；

S07，根据钢筋应变计11、第一土压力计12、第一混凝土应变计13、表面应 变计14、第二土压力计21、第二混凝土应变计22的应变计算结果，分别对应得到 锚杆应变、初期支护与围岩之间的接触压力σ_初、喷射混凝土环向应变、型钢翼板 在隧道环切向的应变、二次衬砌与初期支护之间的接触压力σ_二、二次衬砌混凝土 环向应变；

S08，根据步骤S07的结果，分别计算喷射混凝土和二次衬砌在隧道径向、环 切向和纵向三个方向的应力，具体如下：

${ϵ}_{xi}=\frac{1}{E_i}[{\sigma }_{xi}-{\mu }_i({\sigma }_{yi}+{\sigma }_{zi})]$

${ϵ}_{yi}=\frac{1}{E_i}[{\sigma }_{yi}-{\mu }_i({\sigma }_{xi}+{\sigma }_{zi})]$

${ϵ}_{zi}=\frac{1}{E_i}[{\sigma }_{zi}-{\mu }_i({\sigma }_{xi}+{\sigma }_{yi})]$

式中，E_i为弹性模量，σ_xi为径向应力，σ_yi为环切向应力，σ_zi为纵向应力，ε_xi为径向应变，ε_yi为环切向应变，ε_zi为纵向应变，μ_i为泊松比，下标i＝0或1，其中 0代表喷射混凝土，1代表二次衬砌；

其中，喷射混凝土的径向应力二次衬砌的径向应力ε_zi＝0，通过求解三元一次方程组可获得所有混凝土应力应变信息。

所述的锚杆应变M₁求解计算式为：

M₁＝E₂·ε

其中，E₂为锚杆钢筋的弹性模量，ε为三个钢筋应变计11的应变计算结果的 均值。

所述的型钢翼板在隧道环切向的应变包括型钢轴力F_轴、型钢弯矩M和旋转中 心，所述的旋转中心为两个表面应变计14的对称中心，所述的型钢轴力F_轴和型钢 弯矩M计算式为：

其中，E为型钢的弹性模量，ε₁为第一个表面应变计14应变计算结果，ε₂为 第二个表面应变计14应变计算结果，h₀为型钢腹板长度，A_翼为型钢翼板面积，A_腹为型钢腹板面积。

钢筋应变计11设置在锚杆1/4、1/2、3/4的部位，施工过程中，应适当提高钻 孔直径，并注意加大对钢筋应变计仪器导线的保护。

一种对隧道支护结构受力监测装置采集的数据进行分析的方法，该方法具体 为：

1)埋设前，记录各计量仪器出厂时的各项参数，各仪器埋设前的初始数值大 小，以及两个表面应变计14的轴心相对距离。

2)然后将各计量仪器埋设在各自对应位置，埋设完成后，记录各计量仪器的 量测值；再浇筑混凝土，浇筑完成后，拆除模板，按短期内高频率测量、稳定后低 频率测量的方式进行数据读取。

3)通过记录钢筋应变计11、第一土压力计12、第一混凝土应变计13、表面 应变计14、第二土压力计21和第二混凝土应变计22采集的数据，分别获取锚杆 应变、初期支护与围岩之间的接触压力、喷射混凝土环向应变、型钢轴向应变、二 次衬砌与初期支护之间的接触压力以及二次衬砌混凝土环向应变。

初期支护土压力计在设计时非接触面采用了约5mm的橡胶包裹，对混凝土的 位移起到了限制作用，在土压计受力时，橡胶结构对压力计限制较小，可认为其处 于无侧限状态。故其量测结果即为接触应力。

在量测结果计算时，需对模型进行如下假设：①初期支护监测单元和二次衬砌 受力监测单元埋设处的剪应力很小，可以忽略不计，土压力计处于三向受力状态， 将隧道纵向、径向和环切向作为主应力方向。②初期支护混凝土各向同性且处于弹 性变形阶段；③测量仪器与混凝土钢架协同变形，没有相对位移。

各应变具体计算方法如下：

a)锚杆应变力与钢筋应变计11数据的关系为：

M₁＝E₂·ε

其中，E₂为锚杆钢筋的弹性模量，ε为3个钢筋应变计11的应变计算结果的 均值。

b)型钢轴向应变中，型钢的旋转中心、轴力和弯矩通过联立对称设置的表面 应变计14的监测结果求解，联立求解可减小误差，提高精度，以确定初支型钢支 架横断面轴力和弯矩，确保初支结构不发生拉、压和失稳破坏。具体计算式如下：

F_轴——型钢轴力；

E——型钢弹性模量；

ε₁——第一个表面应变计14应变计算结果；

ε₂——第二个表面应变计14应变计算结果。

M——型钢弯矩；

h₀——型钢腹板长度；

A_翼——型钢翼板面积；

A_腹——型钢腹板面积。

c)第一混凝土应变计13和第二混凝土应变计22的频率量测结果在转换为应 力过程中，采用修正计算来消除其它方向受力的影响。

二次衬砌的测量结果修正过程中，靠近初期支护的混凝土径向应力为第二土压 力计21监测结果，靠隧道净空一侧的混凝土径向应力为0；混凝土的横断面轴向 应变和弯曲应变通过分析两个第二混凝土应变计22的监测结果来确定。

初期支护的测量结果修正过程中，假定衬砌结构未发生纵向应变，初期支护喷 射混凝土径向应变为第一土压力计12和第二土压力计21监测结果的均值。

第一混凝土应变计13量测结果为在埋设方向的初期支护喷射混凝土应变，由 于其处于三向受力状态，传统的σ＝E·ε的计算公式不适用，须进行修正计算。以 初期支护为例，取微元体如图6所示。

σ_x0——初期支护径向应力，由于初期支护结构具有二个受力阶段，即初期支 护结构单独支护阶段和初期支护二次衬砌支护结构共同支护阶段，初期支护与围岩 接触应力为σ_初，初期支护与二次衬砌接触应力为σ_二，其值分别由相应土压力计量 测得出，二次衬砌未施作时σ_二＝0。初期支护混凝土应变计13埋设于初期支护结构 中平面，平面两侧径向应力分别为σ_衬、σ_二，近似认为中平面处径向应力为：

ε_y0——初期支护环向应变，其值由表面应变计量测得到；

ε_z0——初期支护纵向应变，对于隧道结构，ε_z＝0。

由：

${\sigma }_{x0}=\frac{E_0{\mu }_0}{(1+{\mu }_0)(1-2{\mu }_0)}({ϵ}_{x0}+{ϵ}_{y0}+{ϵ}_{z0})+\frac{E_0}{(1+{\mu }_0)}{ϵ}_{x0}$

可求得：

${ϵ}_{x0}=\frac{(1+{\mu }_0)(1-2{\mu }_0)}{(1-{\mu }_0)E_0}{\sigma }_{x0}-\frac{{\mu }_0}{1-{\mu }_0}{ϵ}_{y0}$

又：

${\sigma }_{x0}=\frac{E_0{\mu }_0}{(1+{\mu }_0)(1-2{\mu }_0)}({ϵ}_{x0}+{ϵ}_{y0}+{ϵ}_{z0})+\frac{E_0}{(1+{\mu }_0)}{ϵ}_{x0}$

${\sigma }_{y0}=\frac{E_0{\mu }_0}{(1+{\mu }_0)(1-2{\mu }_0)}({ϵ}_{x0}+{ϵ}_{y0}+{ϵ}_{z0})+\frac{E_0}{(1+{\mu }_0)}{ϵ}_{y0}$

${\sigma }_{z0}=\frac{E_0{\mu }_0}{(1+{\mu }_0)(1-2{\mu }_0)}({ϵ}_{x0}+{ϵ}_{y0}+{ϵ}_{z0})+\frac{E_0}{(1+{\mu }_0)}{ϵ}_{z0}$

${ϵ}_{x0}=\frac{1}{E_0}[{\sigma }_{x0}-{\mu }_0({\sigma }_{y0}+{\sigma }_{z0})]$

${ϵ}_{y0}=\frac{1}{E_0}[{\sigma }_{y0}-{\mu }_0({\sigma }_{x0}+{\sigma }_{z0})]$

${ϵ}_{z0}=\frac{1}{E_0}[{\sigma }_{z0}-{\mu }_0({\sigma }_{x0}+{\sigma }_{y0})]$

其中：

E₀——初期支护混凝土弹性模量；

μ₀——初期支护混凝土泊松比；

通过以上计算可求得初期支护混凝土应力应变状态中的ε_x0、σ_y0、σ_z0。

对于第二混凝土应变计22，其受力状态与第一混凝土应变计13相似，只是混 凝土结构径向应力的确定方式有些许差异，对于靠近初期支护一侧的第二混凝土应 变计22，应变为第二土压力计21量测结果，而对于靠近隧道净空一侧的第二混凝 土应变计22，应变取0。其他计算公式与初期支护喷射混凝土应变计算相同。

本实施例中，监测装置的仪器为振弦式钢筋应变计、振弦式混凝土应变计、振 弦式表面应变计、振弦式土压力计。埋设前和埋设完成后，分别记录各计量仪器的 量测值；混凝土浇筑完成后，拆除模板，按短期内高频率测量、稳定后低频率测量 的方式进行数据读取。此数据记录方法能保证数据样本的代表性，且不会造成人力 物力浪费，施工过程中具有较高可行性。

本实施例可用于监测隧道施工过程中支护结构的受力状态和变形特征，获取围 岩荷载释放规律，初支、二次衬砌的荷载分担比，为支护结构优化，结构加固，施 工时机掌控提供依据，为施工安全提供保障。