基于支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的鐵路隧道圍巖膨脹性分級方法

鄧興安,龔 倫,凌 昊

基于支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的鐵路隧道圍巖膨脹性分級方法

鄧興安1,龔 倫2,凌 昊2

(1.中鐵二十一局集團(tuán)有限公司,蘭州 730000;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室土木工程學(xué)院,成都 610031)

采用室內(nèi)試驗(yàn)方法建立隧道膨脹性圍巖含水量、加載壓力與膨脹率的關(guān)系,以及自由膨脹率與無荷膨脹率、有荷膨脹率的關(guān)系;采用數(shù)值方法模擬新建山西中南部鐵路線上莊1號隧道的施工過程,計(jì)算得到了不同膨脹率條件下各施工步序支護(hù)結(jié)構(gòu)各截面的彎矩和軸力,從而計(jì)算出安全系數(shù);基于隧道施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算,建立不同線膨脹率與隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的關(guān)系并得到其計(jì)算公式,進(jìn)而根據(jù)自由膨脹率、50 kPa荷載下有荷線膨脹率將膨脹土劃分為Ⅰ～Ⅳ級。研究成果為類似膨脹土隧道的修建提供參考,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

鐵路隧道;膨脹率;巖性分級;安全系數(shù);評定標(biāo)準(zhǔn)

隨著我國交通建設(shè)的發(fā)展,在膨脹巖地區(qū)修建的隧道越來越多。膨脹巖隧道在開挖后由于應(yīng)力重分布與水的作用等原因,膨脹性巖土反復(fù)遇水膨脹、失水收縮,使隧道產(chǎn)生了向隧道內(nèi)的擠壓和位移,嚴(yán)重時(shí)達(dá)百余厘米,造成圬工開裂或底板隆起導(dǎo)致工程災(zāi)害的發(fā)生。如受膨脹性軟巖的影響,襄渝線董家溝隧道和七里溝隧道在施工中均出現(xiàn)了嚴(yán)重的坍塌冒頂災(zāi)害,西嶺雪山隧道的二次襯砌混凝土局部塌落、斷面開裂和隆起、洞內(nèi)滲漏水現(xiàn)象[1-2]。

本文依托新建山西中南部鐵路上莊1號隧道,圍繞膨脹性軟巖帶來的施工難題,研究含水量、加載壓力與膨脹率的關(guān)系,以及膨脹率與隧道襯砌安全系數(shù)的關(guān)系,從而提出基于膨脹率和襯砌結(jié)構(gòu)安全性的膨脹性軟巖分級,為工程實(shí)踐中采取針對性的對策措施提供借鑒。

1 工程概況

新建山西中南部鐵路上莊1號隧道位于河南省安陽市境內(nèi),隧道全長1 387m,洞身最大埋深為26m。隧道圍巖為灰白色N2h3泥灰?guī)r,具中等膨脹性,具有膨脹力大、強(qiáng)度低、遇水易崩解、穩(wěn)定性差等特性,施工過程中需及時(shí)封閉掌子面及底板,減少暴露時(shí)間。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募巴翗又苽鋄3]

通過室內(nèi)試驗(yàn),得到膨脹巖的基本力學(xué)參數(shù),建立自由膨脹率與線性膨脹率的關(guān)系。試驗(yàn)土樣共分為2個(gè)類型,一類是取自依托工程的土樣,根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》要求制作了5個(gè)不同含水量的土樣;另一類是配出不同自由膨脹率的土樣15組。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 應(yīng)力-膨脹本構(gòu)關(guān)系

試驗(yàn)得到了5組不同初始含水率的膨脹軟巖在不同壓力下的膨脹規(guī)律[4],如表1和圖1所示。可以看出,當(dāng)含水量一定時(shí),隨著加載壓力的增大,試樣的膨脹率不斷減小并趨于穩(wěn)定;而當(dāng)加載壓力一定時(shí),含水量越小,試樣的膨脹率越大。

表1 _不同初始含水量下壓力-膨脹率試驗(yàn)

圖1 不同初始含水量壓力膨脹率關(guān)系曲線

2.1.2 自由膨脹率-線膨脹率關(guān)系

不同自由膨脹率的土樣15組,分別進(jìn)行自由膨脹率、無荷線性膨脹率、有荷(根據(jù)隧道埋深選取:50 kPa)線性膨脹率之間關(guān)系試驗(yàn),得出試驗(yàn)結(jié)果詳見表2,其關(guān)系曲線見圖2?？梢钥闯?隨著自由膨脹率的增大,試樣的無荷膨脹率和50 kPa荷載膨脹率不斷增大,近似呈線性關(guān)系[5-6]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,擬合得到自由膨脹率δef與有荷線膨脹率δep的關(guān)系為:δep= 0.054δef-2.24。

表2 自由膨脹率及無荷線性膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

圖2 自由膨脹率有荷(50 kPa)線性膨脹率關(guān)系

3 膨脹軟巖在隧道工程中的分級

3.1 分級標(biāo)準(zhǔn)

隧道規(guī)范中給出了根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)所受彎矩和軸力計(jì)算安全系數(shù)的方法,參見文獻(xiàn)[7-8]。本文以隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)作為膨脹軟巖分級標(biāo)準(zhǔn),見表3。

表3 隧道膨脹軟巖分級標(biāo)準(zhǔn)(結(jié)構(gòu)安全系數(shù))

3.2 計(jì)算模型

3.2.1 有限元模型

模型上表面取至地表,埋深25 m,模型寬120m,模型高85.5m;隧道支護(hù)采用BEAM3單元模擬,圍巖采用Plane 42單元模擬,膨脹圍巖采用Plane13單元模擬。左右邊界受水平方向約束,垂直方向底面受豎向約束,頂面為自由面。有限元模型見圖3和圖4[9-10]。

支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù):初期支護(hù)厚0.3 m;二次襯砌厚0.6m(其中仰拱部分為0.7m);錨桿直徑22mm,長度4.5 m。

3.2.2 計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

有限元模型計(jì)算參數(shù)如表4所示。

圖3 整體模型

圖4 隧道局部模型

表4 混凝土的物理力學(xué)參數(shù)

3.2.3 計(jì)算工況

施工方法采用工程實(shí)際中采用的工法,即三臺(tái)階預(yù)留核心土法,線膨脹率(此處為有荷膨脹率)選用范圍是:0.02%～2.5%,計(jì)算工況見表5。

表5 膨脹軟巖分級計(jì)算工況列表

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1 不同線膨脹率結(jié)果

限于篇幅,在此僅列出線膨脹率為0.15%的計(jì)算圖表,其余工況以統(tǒng)計(jì)表列出[11-13]。

(1)線膨脹率為0.15%

線膨脹率為0.15%工況下,下臺(tái)階初期支護(hù)及二次襯砌施作完成后初期支護(hù)內(nèi)力見圖5、圖6,各施工步下內(nèi)力檢算見表6。

圖5 下臺(tái)階初支施作后初期支護(hù)內(nèi)力圖

_表6 各施工步最不利部位結(jié)構(gòu)內(nèi)力檢算

圖6 二次襯砌施作后初期支護(hù)內(nèi)力圖

在線膨脹率為0.15%雙線鐵路隧道在各施工步中的結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)為4.2。

(2)各種線膨脹率的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)對各線膨脹率的計(jì)算,得出膨脹軟巖雙線鐵路隧道在不同線膨脹率下的最小安全系數(shù),據(jù)此繪制線膨脹率-安全系數(shù)關(guān)系曲線見圖7。

圖7 不同線膨脹率安全系數(shù)關(guān)系曲線

膨脹軟巖線膨脹率小于0.15%時(shí),膨脹力不是隧道結(jié)構(gòu)受力的主要因素,隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力受一般地層壓力的控制;當(dāng)膨脹率超過0.15%后,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨膨脹率的增加而降低。

3.3.2 膨脹軟巖的分級

根據(jù)以上分析,膨脹軟巖的線膨脹率對隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)有直接的影響。

(1)膨脹軟巖線膨脹率小于0.15%時(shí),膨脹力不是隧道結(jié)構(gòu)受力的主要因素,隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力受一般地層壓力的控制,可將該膨脹率的膨脹軟巖劃分為微膨脹軟巖。

(2)線膨脹率大于0.15%時(shí),為了劃分膨脹軟巖的影響程度,通過對圖7中線膨脹率大于0.15%的曲線進(jìn)行擬合,得曲線擬合曲線及公式(圖8)。將膨脹軟巖分級標(biāo)準(zhǔn)代入擬合公式,可將膨脹軟巖根據(jù)不同的線膨脹率劃分為無、弱、中、強(qiáng)4個(gè)等級,線膨脹率及自由膨脹率分級結(jié)果見表7。

圖8 不同線膨脹率安全系數(shù)擬合曲線

表7 膨脹軟巖分級結(jié)果

4 結(jié)論

(1)當(dāng)含水量一定時(shí),隨著加載壓力的增大,試樣的膨脹率不斷減小并趨于穩(wěn)定;而當(dāng)加載壓力一定時(shí),含水量越小,試樣的膨脹率越大。

(2)隨著自由膨脹率的增大,試樣的無荷膨脹率和有荷膨脹率不斷增大,近似呈線性關(guān)系。

(3)依托工程背景,建立了膨脹土的線膨脹率與隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)關(guān)系,并通過擬合得到兩參數(shù)的計(jì)算公式;

(4)根據(jù)線膨脹率和自由膨脹率將膨脹土分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級共4個(gè)等級。

[1] 劉特洪.工程建設(shè)中的膨脹軟巖問題[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[2] 靳麗川.膨脹巖對鐵路隧道的影響及工程措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),1999(8):45-46.

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[8] 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[9] 張國智.ANSYS 10.0熱力學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[10]周坤.膨脹軟巖隧道襯砌膨脹力數(shù)值模擬研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[11]盧愛紅.茅獻(xiàn)彪.濕度應(yīng)力場的數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(S2):2470-2473.

[12]李成江.膨脹性圍巖力學(xué)機(jī)制及其隧洞支護(hù)效應(yīng)的數(shù)值模擬分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué),1988.

[13]王小軍.膨脹巖的判別與分類和隧道工程[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1995(2):44-48.

Grading Method of Dilatability of Railway Tunnel Surrounding Rock Based on Supporting Structure Safety Coefficient

DENG Xing-an1,GONG Lun2,LING Hao2
(1.China Railway 21st Bureau Group Co.,Ltd.,Lanzhou 730000,China;2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Ministry of Education;School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Through lab experiment,the relationships between water content of tunnel swelling surrounding rock,loading pressure and swelling rate were established,also relationships among free swelling rate,swelling rate without load and swelling rate with load were established.Using numerical method,the construction procedure of Shangzhuang No.1 tunnel on the Mid-south Railway of Shanxi province was simulate,and the bending moment and axial force of every cross-section of supporting structure of every construction stage with different swelling rates were calculated respectively.Then the safety coefficient was worked out.On the basis of above-mentioned safety coefficient,and after establishing the relationship between different linear swelling rate and tunnel safety coefficient,the calculation formulawas obtained.Further,according to free swelling rate and linear swelling ratewith the load under50 kPa,the authors divided the swelling rocks intoⅠ～Ⅳlevels.The results could serve as a reference to similar swelling rock tunnel and have a significantmeaning.

railway tunnel;swelling rate;lithology grading;safety coefficient;evaluation standard

U452.1+2

A

1004-2954(2013)07-0094-03

2013-01-26;

2013-03-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178399)

鄧興安(1969—),男,高級工程師,1989年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院建筑管理專業(yè),E-mail:137130042@qq.com。