一种隧道支护结构受力监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] -种隧道支护结构受力监测装置，其特征在于，包括：
[0008] 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；
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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：
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] S03，喷射初期支护混凝土；
[0018] 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；
[0019] S05，浇筑二次衬砌混凝土；
[0020] 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；
[0021] 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 ^、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 二次衬砌混凝土环向应变；
[0022] 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：
[0026] 式中，Ei为弹性模量，μ i为泊松比，σ χι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
^为环切向应力，σ ζι为纵向应力，ε χι 为径向应变，εη为环切向应变，ε ζι为纵向应变，ε ζι=〇,式中各符号下标i=〇或1，其 中〇代表喷射混凝土，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。
[0027] 所述的锚杆应变I求解计算式为：
[0028] Mi= Ε2 · ε
[0029] 其中，Ε2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。
[0030] 所述的型钢翼板在隧道环切向的应变包括型钢轴力F#、型钢弯矩Μ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#和型钢弯矩Μ计算式 为：
[0033] 其中，E为型钢的弹性模量，ε 第一个表面应变计应变计算结果，ε 2为第二个 表面应变计应变计算结果，h。为型钢腹板长度，A s为型钢翼板面积，Affi为型钢腹板面积。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0035] (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。
[0036] (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】
[0037] 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；
[0038] 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；
[0039] 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；
[0040] 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；
[0041] 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；
[0042] 图6为混凝土微元体示意图；
[0043] 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】
[0044] 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