地铁隧道工程的应力监测
摘要: 本文利用应变电测法, 对天津地铁隧道工程进行现场应力监测, 为保证施工安全和优化工程设计, 提供了可靠测试数据.
关键词: 地铁隧道; 应变电测法; 钢弦式应变计; 应力监测
1 前言
地铁一号线工程为天津市重点工程, 全长26. 2 公里. 该地铁工程需穿过水深约为5m 左右的子牙河, 因此需建造一条横贯子牙河床底部的地铁隧道. 该隧道采取明挖法施工, 基坑开挖深度约为15m , 因而横贯子牙河需要建造钢板桩围堰并用钢支撑予以支护. 围堰净宽为12m , 长度沿河宽方向约为214m , 沿钢板桩围堰深度每隔3m 安装一层钢支撑, 共安装五层钢支撑.
在地铁隧道基坑的开挖过程中, 钢板桩在水压、土压力作用下发生弯曲变形, 将产生很大的弯曲应力, 钢支撑也将受到很大轴向压力的作用. 为保证施工安全和工程质量, 并为设计部门提供数据, 以便优化工程设计, 因此在地铁隧道施工过程中, 应用电测技术, 对钢板桩弯曲应力及钢支撑的轴向压应力, 跟踪开挖过程进行实时监测.
2 测试原理及方法
钢板桩的应力监测采用电阻应变测试法, 为了提高测试精度, 选用电阻值为3508 (并具有温度自补偿功能的电阻应变片. 由于钢板桩沿纵向可以近似看作单向应力状态, 所以每个测点纵横粘贴4 个应变片并且组成全桥, 其测点应变与应变仪读数的关系为:
Ε应变仪= 2(1 + Λ) Ε测点这样提高了测试灵敏度2(1+ Λ) 倍, 从而提高了测试精度. 电阻应变仪采用智能型带有微处理器的YJ 222 型静态应变测量处理仪, 该仪器带有接口与微机相联, 可对测试应变数据自动进行测量和储存. 钢板桩应力测试系统见图1 所示.
图1 钢板桩应力测试系统示意图
钢板桩长约18m , 在其中的4 根钢板桩上, 沿钢板桩长度的不同位置, 共设置20 个测点, 应变片粘贴在钢板桩的内侧, 见图2 所示. 由于钢板桩需要打入地下, 因此对粘贴在钢板桩上的应变片采取了防潮、防水及防碰撞的措施. 粘贴应变片的钢板桩打入地下后, 即可以开始监测地铁隧道在施工过程中, 钢板桩应力变化情况.
钢支撑长约12m , 为双工字钢和钢管两种形式, 第4、5 道支撑采用钢管支撑, 钢支撑的应力监测采用钢弦式表面应变计. 由于钢支撑还要受到弯曲应力的作用, 因此每根钢支撑沿水平中性轴位置左右对称安装2 个钢弦式表面应变计, 以便根据2 个应变计的测试值, 得出轴向应力和轴力.
钢弦式表面应变计安装方便, 能随工程进度与钢支撑一起安装. 可以及时方便监测在施工过程中钢支撑应力变化情况. 钢弦式表面应变计标距为100mm , 测试灵敏度为±3ΛΕ.
图2 测点位置示意图
3 监测结果分析
整个监测时间长达3 个多月. 从表1 的监测结果看出钢支撑最大应力值为-101. 7M Pa, 发生在距钢板桩顶部为12. 5m 深处的第4 道支撑上. 钢板桩最大应力值为-179. 5M Pa, 钢板桩另外较大的应力值分别为-170. 4M Pa, -170. 2M Pa. 均发生在距钢板桩顶部为12. 5m 和13. 8m 深处测点的钢板桩上, 说明此处的土压力和水压力对钢支撑、钢板桩的影响最大, 这也是和设计相符合的.
表1 部分测点最大应力值
(a) ( 第四道圆管支撑桩号614) (b) ( 第三道双工字钢支撑桩号674)
图3 钢支撑应力曲线图 图3 为钢支撑应力曲线图, 图4 为钢板桩应力曲线图. 从应力曲线图可以看出, 在开始基坑土方开挖过程中, 随着基坑开挖深度的迅速增加, 钢支撑及钢板桩应力值增长很快. 此后在施工过程中由于围堰漏水, 减小了基坑的压力, 使钢支撑和钢板桩受力减小, 可以看出钢支撑及钢板桩应力值有明显的、不同程度的减小. 此后随着围堰漏水的抽干, 应力值开始增大. 在基坑土方开挖基本完成后, 应力曲线变化不大, 基本在水平位置上波动. 以后由于地下隧道的施工, 需要绑扎钢筋和浇注混凝土, 因而陆续拆除第五道钢支撑. 由图3、图4 可以看出钢支撑及钢板桩应力值又有不同程度的增加, 甚至大于在基坑土方开挖过程中的最大应力值. 这种现象说明了在隧道工程施工末期, 工程的监测仍然很重要, 因此应该注意各种测试数据的变化, 以便采取相应的措施.
(a) ( 桩号659 距桩顶-12. 5m 处) (b) ( 桩号659 距桩顶-13. 8m 处) 图4 钢板桩应力曲线图
4 结论
电测技术为土木工程结构在建设中的监测, 提供了有效的手段, 使得设计和施工更加科学、合理. 电阻应变和钢弦式应变测量方法已经成为土木工程结构应力、应变测量的主要方法. 同时使用带有微处理器, 并有接口与微机相联的测试仪器. 可对测试数据自动采集和处理, 更适合于现场实时监测的需要.
参考文献:
[1 ] 夏才初, 李永盛编著. 地下工程测试理论与监测技术[M ]. 上海: 同济大学出版社, 1999. 8.
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[3 ] 刘宝有编. 钢弦式传感器极其应用[M ]. 北京: 中国铁道出版社, 1986. 3.
