地鐵隧道工程的應力監測
摘要: 本文利用應變電測法, 對天津地鐵隧道工程進行現場應力監測, 為保證施工安全和優化工程設計, 提供了可靠測試數據.
關鍵詞: 地鐵隧道; 應變電測法; 鋼弦式應變計; 應力監測
1 前言
地鐵一號線工程為天津市重點工程, 全長26. 2 公里. 該地鐵工程需穿過水深約為5m 左右的子牙河, 因此需建造一條橫貫子牙河床底部的地鐵隧道. 該隧道采取明挖法施工, 基坑開挖深度約為15m , 因而橫貫子牙河需要建造鋼板樁圍堰并用鋼支撐予以支護. 圍堰凈寬為12m , 長度沿河寬方向約為214m , 沿鋼板樁圍堰深度每隔3m 安裝一層鋼支撐, 共安裝五層鋼支撐.
在地鐵隧道基坑的開挖過程中, 鋼板樁在水壓、土壓力作用下發生彎曲變形, 將產生很大的彎曲應力, 鋼支撐也將受到很大軸向壓力的作用. 為保證施工安全和工程質量, 并為設計部門提供數據, 以便優化工程設計, 因此在地鐵隧道施工過程中, 應用電測技術, 對鋼板樁彎曲應力及鋼支撐的軸向壓應力, 跟蹤開挖過程進行實時監測.
2 測試原理及方法
鋼板樁的應力監測采用電阻應變測試法, 為了提高測試精度, 選用電阻值為3508 (并具有溫度自補償功能的電阻應變片. 由于鋼板樁沿縱向可以近似看作單向應力狀態, 所以每個測點縱橫粘貼4 個應變片并且組成全橋, 其測點應變與應變儀讀數的關系為:
Ε應變儀= 2(1 + Λ) Ε測點這樣提高了測試靈敏度2(1+ Λ) 倍, 從而提高了測試精度. 電阻應變儀采用智能型帶有微處理器的YJ 222 型靜態應變測量處理儀, 該儀器帶有接口與微機相聯, 可對測試應變數據自動進行測量和儲存. 鋼板樁應力測試系統見圖1 所示.
圖1 鋼板樁應力測試系統示意圖
鋼板樁長約18m , 在其中的4 根鋼板樁上, 沿鋼板樁長度的不同位置, 共設置20 個測點, 應變片粘貼在鋼板樁的內側, 見圖2 所示. 由于鋼板樁需要打入地下, 因此對粘貼在鋼板樁上的應變片采取了防潮、防水及防碰撞的措施. 粘貼應變片的鋼板樁打入地下后, 即可以開始監測地鐵隧道在施工過程中, 鋼板樁應力變化情況.
鋼支撐長約12m , 為雙工字鋼和鋼管兩種形式, 第4、5 道支撐采用鋼管支撐, 鋼支撐的應力監測采用鋼弦式表面應變計. 由于鋼支撐還要受到彎曲應力的作用, 因此每根鋼支撐沿水平中性軸位置左右對稱安裝2 個鋼弦式表面應變計, 以便根據2 個應變計的測試值, 得出軸向應力和軸力.
鋼弦式表面應變計安裝方便, 能隨工程進度與鋼支撐一起安裝. 可以及時方便監測在施工過程中鋼支撐應力變化情況. 鋼弦式表面應變計標距為100mm , 測試靈敏度為±3ΛΕ.
圖2 測點位置示意圖
3 監測結果分析
整個監測時間長達3 個多月. 從表1 的監測結果看出鋼支撐最大應力值為-101. 7M Pa, 發生在距鋼板樁頂部為12. 5m 深處的第4 道支撐上. 鋼板樁最大應力值為-179. 5M Pa, 鋼板樁另外較大的應力值分別為-170. 4M Pa, -170. 2M Pa. 均發生在距鋼板樁頂部為12. 5m 和13. 8m 深處測點的鋼板樁上, 說明此處的土壓力和水壓力對鋼支撐、鋼板樁的影響最大, 這也是和設計相符合的.
表1 部分測點最大應力值
(a) ( 第四道圓管支撐樁號614) (b) ( 第三道雙工字鋼支撐樁號674)
圖3 鋼支撐應力曲線圖 圖3 為鋼支撐應力曲線圖, 圖4 為鋼板樁應力曲線圖. 從應力曲線圖可以看出, 在開始基坑土方開挖過程中, 隨著基坑開挖深度的迅速增加, 鋼支撐及鋼板樁應力值增長很快. 此后在施工過程中由于圍堰漏水, 減小了基坑的壓力, 使鋼支撐和鋼板樁受力減小, 可以看出鋼支撐及鋼板樁應力值有明顯的、不同程度的減小. 此后隨著圍堰漏水的抽干, 應力值開始增大. 在基坑土方開挖基本完成后, 應力曲線變化不大, 基本在水平位置上波動. 以后由于地下隧道的施工, 需要綁扎鋼筋和澆注混凝土, 因而陸續拆除第五道鋼支撐. 由圖3、圖4 可以看出鋼支撐及鋼板樁應力值又有不同程度的增加, 甚至大于在基坑土方開挖過程中的最大應力值. 這種現象說明了在隧道工程施工末期, 工程的監測仍然很重要, 因此應該注意各種測試數據的變化, 以便采取相應的措施.
(a) ( 樁號659 距樁頂-12. 5m 處) (b) ( 樁號659 距樁頂-13. 8m 處) 圖4 鋼板樁應力曲線圖
4 結論
電測技術為土木工程結構在建設中的監測, 提供了有效的手段, 使得設計和施工更加科學、合理. 電阻應變和鋼弦式應變測量方法已經成為土木工程結構應力、應變測量的主要方法. 同時使用帶有微處理器, 并有接口與微機相聯的測試儀器. 可對測試數據自動采集和處理, 更適合于現場實時監測的需要.
參考文獻:
[1 ] 夏才初, 李永盛編著. 地下工程測試理論與監測技術[M ]. 上海: 同濟大學出版社, 1999. 8.
[2 ] 張如一, 沈觀林, 李朝締. 應變電測與傳感器[M ]. 北京: 清華大學出版社, 1999. 1.
[3 ] 劉寶有編. 鋼弦式傳感器極其應用[M ]. 北京: 中國鐵道出版社, 1986. 3.
