矿法隧道预制仰拱复合衬砌施工期力学响应与变形演化——基于多指标现场监测的时空特征分析

《Buildings》：Mechanical Response and Deformation Evolution of Composite Linings with Prefabricated Inverts in Mining-Method Tunnels During Construction

　　

为解决矿山法隧道（mining-method tunnels）中由预制仰拱（precast inverts）与现浇拱墙（cast-in-place arches and walls）组成的复合衬砌（composite linings）施工期整体变形与局部力学响应关系不清的问题，该研究以药坡村隧道（Yaopocun Tunnel）为工程案例，采用三个典型截面的现场监测数据，考虑仰拱节段拼装、基底注浆以及拱墙二次衬砌（secondary lining）浇筑等关键施工阶段，分析仰拱与垫层间接触压力（contact pressure）、二次衬砌与初期支护（primary support）间接触压力、拱墙钢筋应力（reinforcement stress）、由混凝土应变（concrete strain）换算的应力以及截面变形（cross-sectional deformation）的时空演化。结果表明，仰拱基底接触压力变化与施工设备加载及后续二次衬砌浇筑存在时间关联；两类界面接触压力呈显著非均匀分布，后期平均监测压力分别约为30.39–36.47 kPa和52.67–85.16 kPa；后期拱墙钢筋以受压为主，外侧绝对平均压应力为内侧的1.32–1.99倍，墙脚（wall feet）压应力尤为显著；尽管由应变换算的混凝土名义应力以受压为主，但仍识别出局部受拉响应，最大计算名义拉应力约2.34 MPa；三个截面最终冠顶沉降（crown settlement）为27.50–33.76 mm。基于归一化变化率准则（normalized rate-of-change criterion），截面变形在仰拱开挖和快速拼装后约4–5 d进入缓变阶段，而界面接触压力和衬砌材料应力在后续二次衬砌浇筑后约24–40 d进入缓变阶段；这些特征时间参照不同施工事件，并不表示力学状态完全稳定。研究结果说明，预制仰拱复合衬砌的整体变形与局部力学响应具有明显的阶段性演化特征；整体变形逐渐稳定并不必然意味着局部力学响应的后续调整已经结束。因此施工中应在控制整体变形的同时关注墙脚及局部受拉区的应力变化。

论文主体解读：该文针对矿山法隧道（mining-method tunnels）中预制仰拱（precast inverts）与现浇拱墙复合衬砌（composite linings，由预制仰拱和现浇拱墙二次衬砌组合形成的支护结构）施工期的力学响应问题展开研究。既有研究已通过足尺试验、数值分析、接头试验和现场监测讨论预制仰拱的生产、吊装、连接及早期衬砌行为，例如Wang等揭示预制仰拱养护与吊装阶段应力变化，Liu Jingtang等比较节段数量、厚度和宽度对变形与损伤的影响；但不同监测指标之间的空间对应关系、整体变形与后续局部应力调整的时间关系仍不清楚。具体而言，两类界面接触压力（interface contact pressure，结构界面法向接触应力）与拱墙内外侧钢筋、混凝土应力之间是否一致，整体变形趋缓能否代表后续现浇二次衬砌（secondary lining）内力已经稳定，均需多指标交叉核验。因此，该研究以药坡村隧道（Yaopocun Tunnel）预制仰拱施工段为案例，基于三个代表性截面S1、S2、S3的归档现场监测数据和施工记录，综合解释施工阶段界面压力、材料应力和截面变形的演化，为复合衬砌施工期监测策略提供依据。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究采用现场监测系统，在药坡村隧道复合衬砌段三个截面布设压力盒、钢筋应力计和埋入式混凝土应变计，并用SZDQ-ZH综合读数仪采集数据；仰拱–垫层界面设5个测点，二次衬砌–初期支护（primary support）界面设7个测点，并在拱墙内外侧同步监测钢筋应力和混凝土应变，另设冠顶沉降（crown settlement）和上、中、下台阶水平收敛（horizontal convergence）测线。样本来源于该隧道55 m预制仰拱复合衬砌段，S1、S2、S3分别位于ZK20+732、ZK20+772、ZK20+783，首末监测截面间距51 m。分析按台阶开挖、仰拱拼装、基底注浆、二次衬砌浇筑等阶段组织；界面压力取测点算术平均，混凝土名义应力按σ_c=E_cε_c换算并取E_c=32.5 GPa，采用归一化变化率R_j,i≤0.10连续三个有效监测间隔且至少7 d、截面至少80%测点满足的准则判定缓变阶段。

研究结果如下。3.1 仰拱与垫层间接触响应：通过三个截面仰拱–垫层接触压力时序和后期横向分布分析发现，压力随施工设备进出和二衬浇筑发生阶段性调整；监测期峰值分别为58.11、66.01、59.09 kPa，后期平均监测压力分别为36.47、30.39、35.27 kPa，局部极值位置因截面而异；因基底注浆处于监测中断期，注浆引起的瞬时压力增量不能独立量化；二衬浇筑后约24、29、25 d进入缓变阶段。3.2 二次衬砌与初期支护间接触压力：通过界面压力时序及后期截面分布分析发现，浇筑后多数测点先快速增大后调整，峰值分别为171.22、83.87、104.25 kPa，后期平均压力分别为85.16、52.67、62.05 kPa；墙脚平均压力23.35–43.24 kPa，低于侧墙70.23–99.47 kPa，空间非均匀显著；约40、30、40 d后进入缓变阶段。3.3 拱墙二次衬砌钢筋应力：通过内外侧钢筋应力时序与后期分布分析发现，钢筋总体受压，后期外侧平均压应力分别为?12.76、?16.65、?15.76 MPa，内侧为?9.65、?11.50、?7.93 MPa，外侧/内侧绝对平均压应力比为1.32、1.45、1.99，墙脚和侧墙压应力较高；约30、40、25 d进入缓变，但最大压应力约在55、55、50 d出现，说明缓变不等于达到最终极值。3.4 拱墙二次衬砌混凝土应力：通过应变换算名义应力分析发现，混凝土以受压为主但存在局部受拉；最大计算压应力约?6.03、?6.70、?6.47 MPa，最大计算拉应力约1.25、2.34、1.43 MPa，分别出现在浇筑后8、8、11 d，后期最大拉应力约1.46 MPa；约40、40、35 d进入缓变；拉应力仅提示需关注区域，不能据此确认开裂。3.5 冠顶沉降与水平收敛：通过沉降、收敛时序及速率分期分析发现，最终冠顶沉降为27.50、33.76、29.15 mm，上台阶水平收敛为30.68、22.29、22.93 mm，下台阶为14.72、12.52、12.24 mm；最大沉降速率2.75、3.12、3.08 mm/d，最大收敛速率3.08、2.16、2.53 mm/d；均低于75 mm控制限，最大沉降和最大收敛分别达控制限的45.0%和40.9%；仰拱开挖和快速拼装后约4、5、5 d沉降进入缓变，水平收敛约5、5、4 d进入缓变。

讨论部分指出，施工事件与界面荷载传递存在时间关联，但仅凭时间对应不能建立因果关系，设备荷载、注浆、围岩与接触条件等因素无法由现有数据单独量化；三个截面压力差异可能受围岩条件、上覆条件、初支约束和局部接触状态等多因素影响。界面接触压力与材料应力空间分布不同，墙脚界面压力较低但钢筋压应力较高，说明界面法向压力不能替代衬砌内部应力评价。变形稳定与应力调整具有不同时间尺度，整体变形缓变后局部应力仍可调整，故不能仅凭变形停止监测。研究同时承认单隧道三截面、无同期现浇仰拱对照等限制，不能据此证明预制仰拱在变形控制或结构性能上的优越性，需多工程、数值分析和试验进一步验证。

研究结论翻译：以Tianlong Railway药坡村隧道（Yaopocun Tunnel）预制仰拱施工段为工程案例，基于三个代表性截面的归档现场监测数据，从界面接触压力、衬砌材料应力和截面变形方面研究预制仰拱与现浇拱墙二次衬砌复合衬砌的力学响应及阶段演化，得到以下结论：（1）预制仰拱复合衬砌界面接触压力呈阶段性调整和显著空间非均匀性；施工设备出现和移除分别与仰拱基底接触压力增大和减小相关，二次衬砌浇筑后压力进一步调整；后期仰拱–垫层界面平均监测压力为30.39–36.47 kPa，二次衬砌–初支界面为52.67–85.16 kPa，最大局部压力位置因截面而异；基底注浆处于监测空档，注浆所致瞬时压力变化不能由现有数据独立量化。（2）衬砌材料应力空间分布与界面接触压力不同；后期全部钢筋测点受压，外侧绝对平均压应力为内侧的1.32–1.99倍，墙脚和侧墙压应力较高；三个截面墙脚接触压力较低而局部钢筋压应力较高，表明界面压力与内部材料应力无简单对应关系，仅凭界面压力不足以表征复合衬砌局部力学状态。（3）二次衬砌混凝土应变换算名义应力以受压为主，局部存在受拉响应；三个截面最大计算拉应力约1.25–2.34 MPa，后期最大约1.46 MPa，提示施工中应关注墙脚、侧墙和冠顶等受拉响应区域；计算拉应力可用于识别潜在关键区，但不足以确认混凝土开裂。（4）复合衬砌整体变形与局部力学响应呈不同阶段演化；三个截面最终冠顶沉降27.50–33.76 mm，上台阶水平收敛22.29–30.68 mm，均低于75 mm控制限；按归一化变化率准则，截面变形在仰拱开挖和快速拼装后约4–5 d进入缓变，界面接触压力和衬砌材料应力在二次衬砌浇筑后约24–40 d进入缓变；因参照施工事件不同，这些时间不宜视为可直接比较的稳定期；缓变变形阶段开始并不必然意味着局部力学调整结束，故不应仅因整体变形缓变而停止监测，仍需持续关注墙脚、侧墙和局部受拉区应力演化。上述结论来自单一隧道工程三个代表性截面的现场监测，且无同期现浇仰拱对照，不能据此建立预制仰拱体系在变形控制或结构性能方面的比较优势；其在不同地质条件、结构构造和施工方法下的适用性仍需独立现场调查、数值分析或试验研究验证。