高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力及二襯受力特征研究

田　鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力及二襯受力特征研究

田鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

為研究高地應(yīng)力條件下軟巖隧道圍巖壓力作用規(guī)律及二襯受力特征，依托蘭新鐵路第二雙線大梁隧道，分別對(duì)隧道圍巖與初期支護(hù)、初期支護(hù)與二次襯砌之間的接觸壓力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，得出上述壓力隨時(shí)間變化規(guī)律和沿隧道橫斷面分布特征，基于實(shí)測圍巖壓力對(duì)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。研究結(jié)果表明：初支圍巖壓力和初支與二襯接觸壓力隨時(shí)間發(fā)展呈不同變化規(guī)律;圍巖壓力在空間分布上表現(xiàn)出“兩側(cè)大、拱頂小”的側(cè)向擠壓特征；二次襯砌圍巖壓力分擔(dān)比例平均值在45.0%～70.3%；實(shí)測圍巖壓力較規(guī)范圍巖壓力計(jì)算出的二襯內(nèi)力更符合實(shí)際。

鐵路隧道；高地應(yīng)力；圍巖壓力；現(xiàn)場監(jiān)測；受力特征

近年來，隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，高速鐵路、公路網(wǎng)已經(jīng)逐漸向西部山嶺重丘地區(qū)擴(kuò)展。在此過程中，長大、深埋、地質(zhì)條件復(fù)雜的越嶺隧道大量涌現(xiàn)，隧道工程建設(shè)中遇到的諸如高地溫、高地應(yīng)力等問題也越來越多。高地應(yīng)力軟巖隧道的設(shè)計(jì)和施工一直是隧道工程建設(shè)中的難題[1]，在施工中出現(xiàn)了很多初支變形不收斂、鋼架屈服破壞甚至二襯開裂等事故。這些問題表明高地應(yīng)力軟巖隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法與工程實(shí)踐還存在一些差異，圍巖壓力及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系還有待進(jìn)一步了解。因此，圍繞圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，開展高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力與二次襯砌受力特征的研究是十分必要的。

關(guān)于高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力及襯砌受力的研究，國內(nèi)外學(xué)者通常采用現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)合理論分析的方式進(jìn)行。沙鵬等[2]對(duì)層狀地層隧道圍巖壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了現(xiàn)場測試，得到了層狀地層隧道圍巖壓力的作用規(guī)律，王明年[3]等對(duì)鄭西客專大斷面深埋黃土隧道圍巖壓力進(jìn)行了現(xiàn)場量測，并對(duì)比了不同圍巖壓力計(jì)算理論在黃土地層中的適應(yīng)性。陳志敏[4]推導(dǎo)出了基于原巖應(yīng)力和隧道位移的高地應(yīng)力軟巖隧道形變壓力計(jì)算公式。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，依托蘭新鐵路第二雙線大梁隧道，以初支圍巖壓力、初支與二襯接觸壓力現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值計(jì)算手段，對(duì)高地應(yīng)力條件下軟巖隧道圍巖壓力演化規(guī)律及二次襯砌結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行討論。

1　工程背景

新建蘭新鐵路第二雙線大梁隧道位于青海省門源縣境內(nèi)，隧道穿越了海拔三千多米的祁連山中高山區(qū)，隧址區(qū)內(nèi)溝壑發(fā)育，部分基巖呈裸露狀。隧道平均海拔3 600～4 200 m，最高海拔為4 430 m，設(shè)計(jì)為雙線鐵路隧道。隧道全長6 550 m，最大埋深超過800 m，通過地層主要為奧陶系砂巖、灰?guī)r、板巖及二疊系砂巖，穿越斷層破碎帶1處，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。

表1為大梁隧道斜井工區(qū)水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果，據(jù)此可知斜井工區(qū)最大水平主應(yīng)力為 23.04～25.14 MPa， 最小水平主應(yīng)力為12.95～13.77 MPa，豎向主應(yīng)力為 12.00～12.30 MPa。研究區(qū) 3 個(gè)方向的主應(yīng)力之間的關(guān)系為σH>σh>σv，水平構(gòu)造應(yīng)力控制強(qiáng)烈，且最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向與隧道軸線交角較大，對(duì)隧道穩(wěn)定性極為不利。由室內(nèi)試驗(yàn)得到此段隧道圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度為20 MPa左右，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax=0.796，根據(jù)我國《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[5]，此段隧道處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。

表1　大梁隧道斜井工區(qū)水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果

2　現(xiàn)場監(jiān)測方案

為了確定大梁隧道斜井工區(qū)初支圍巖壓力及初支與二襯接觸壓力，在隧道DK331+890～DK331+910里程段布設(shè)了3個(gè)初支圍巖壓力及初支與二襯接觸壓力監(jiān)測斷面(為便于敘述，后文中 “接觸壓力”皆指初支圍巖壓力和初支與二襯接觸壓力的統(tǒng)稱)。每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)置7對(duì)監(jiān)測點(diǎn)，如圖 1 所示。接觸壓力監(jiān)測采用ZX-510BT振弦式雙模土壓力盒進(jìn)行量測，儀器量程為2.0 MPa，靈敏度為0.01 MPa，過載承受能力為150%，儀器可在-20～110 ℃環(huán)境溫度下工作。壓力盒數(shù)據(jù)通過CDGL便攜式頻率讀數(shù)儀進(jìn)行采集，此儀表能直接讀取和保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)，并可以通過USB數(shù)據(jù)線導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。式(1)為接觸壓力計(jì)算公式

(1)

式中，F(xiàn)為接觸壓力，MPa；K為測試元件標(biāo)定系數(shù)，MPa/Hz2；f為實(shí)測頻率，Hz；f0為儀器測得初始頻率，Hz。

圖1　接觸壓力測點(diǎn)布置斷面

大梁隧道采用三臺(tái)階七步法施工，初支圍巖壓力監(jiān)測儀器在隧道開挖到相應(yīng)部位施作鋼拱架時(shí)安裝，根據(jù)隧道開挖步驟，拱頂和左、右拱腰處的壓力盒同時(shí)安裝，然后依次安裝左、右拱腳處的壓力盒，最后安裝左、右邊墻部位。初支與二襯接觸壓力監(jiān)測儀器在澆筑二次襯砌之前綁扎鋼筋籠時(shí)一次性安裝。為了讓接觸壓力均勻地傳遞到儀器上從而獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，須使壓力盒與圍巖或初支密切。因此，在儀器安裝之前，須采用錘擊或其他方式將圍巖或初支表面處理平整，并用水泥砂漿將其抹平，然后進(jìn)行儀器安裝。安裝儀器時(shí)，將壓力盒放置于預(yù)制的剛性支座上，同時(shí)保證壓力盒與圍巖全面積密切，然后將支座焊接在鋼拱架或鋼筋網(wǎng)上，焊接時(shí)應(yīng)注意保護(hù)好壓力盒與測試導(dǎo)線。為避免施工機(jī)械等對(duì)測試導(dǎo)線造成破壞，在安裝完成后應(yīng)將導(dǎo)線放置到柔性PVC管中作為保護(hù)，并將其沿隧道邊墻部位固定在初支表面上，待二襯施工完成后引入二襯內(nèi)側(cè)預(yù)留的集線箱內(nèi)。壓力盒現(xiàn)場安裝見圖2。

圖2　壓力盒現(xiàn)場安裝

3　接觸壓力測試結(jié)果分析

3.1接觸壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

隧道各監(jiān)測斷面接觸壓力隨時(shí)間變化規(guī)律較為一致，限于篇幅，以DK331+900斷面為例進(jìn)行分析， DK331+900測試斷面初支圍巖壓力及初支與二襯接觸壓力時(shí)程變化曲線如圖3(a)、圖3(b)所示。

圖3　大梁隧道DK331+900接觸壓力時(shí)程曲線

(1)由圖3(a)可知：初支圍巖壓力隨時(shí)間增長呈現(xiàn)“快速增長→緩慢增長→趨于穩(wěn)定”的變化規(guī)律。其中大部分測點(diǎn)前10 d圍巖壓力快速增長，10～40 d緩慢增長，40 d后基本趨于穩(wěn)定，其中前10 d的圍巖壓力增長占到最終值的50%～70%。同時(shí)注意到由于試驗(yàn)段采用三臺(tái)階七步法分步開挖，而初支圍巖壓力監(jiān)測儀器是在施作初支時(shí)安裝，故在后續(xù)施工過程中會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)或局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而測到的圍巖壓力呈上下波動(dòng)狀，但總體波動(dòng)不大。

(2)由圖3(b)可知：初支與二砌接觸壓力隨時(shí)間增長呈現(xiàn)“急劇增長→快速減小→緩慢增長→趨于穩(wěn)定”的變化規(guī)律。在監(jiān)測前4 d內(nèi)接觸壓力經(jīng)歷了急劇增長到快速減小的過程，此后緩慢增加，在20 d左右即趨于穩(wěn)定。造成這一變化的原因是：在隧道二襯澆筑完成后，隨著混凝土強(qiáng)度與剛度的提高，加上模板臺(tái)車的支撐作用，二次襯砌受力在短時(shí)間達(dá)到一個(gè)峰值，此后隨著隧道圍巖應(yīng)力的釋放和初支二襯應(yīng)力重新調(diào)整，隧道初支和二襯之間的接觸壓力減小。在二襯模板臺(tái)車移除之后，初支和二襯之間接觸壓力緩慢增長，直至趨于穩(wěn)定。

3.2接觸壓力空間分布特征

隧道各監(jiān)測斷面不同位置處的接觸壓力監(jiān)測結(jié)果見表2及表3，接觸壓力分布如圖4(a)～圖4(f)所示。

表2　實(shí)測初支圍巖壓力　kPa

表3　實(shí)測初支二襯接觸壓力　kPa

由表2、表3和圖4可得出如下結(jié)論。

(1)從空間分布來看，大梁隧道初支圍巖壓力在洞周不同部位相差較大，但總體上呈拱腰>拱腳>拱頂>邊墻，表現(xiàn)出了“兩側(cè)大、拱頂小”的特征。隧道初支圍巖壓力在拱腰及拱腳部位較大，最大圍巖壓力值也多出現(xiàn)在這兩處，初支與二襯間接觸壓力空間分布規(guī)律與初支圍巖壓力分布規(guī)律相似。圍巖壓力在橫斷面上還表現(xiàn)出了左右不對(duì)稱的現(xiàn)象，多數(shù)監(jiān)測斷面右側(cè)壓力大于左側(cè)，表明試驗(yàn)段所處位置存在一定偏壓作用。總的來說，大梁隧道圍巖壓力空間分布形態(tài)與一般地應(yīng)力條件下的隧道圍巖壓力分布形態(tài)差別較大，表現(xiàn)出了明顯的側(cè)向擠壓特征，表明圍巖壓力分布受區(qū)域水平構(gòu)造應(yīng)力影響較大，從現(xiàn)場觀察到的初期支護(hù)開裂也多發(fā)生在隧道拱腰和拱腳處，與圍巖壓力在這些部位集中有關(guān)。

圖4　大梁隧道接觸壓力空間分布(單位：kPa)

(2)從監(jiān)測到的圍巖壓力量值上來看，隧道不同部位初支圍巖壓力平均值在370.0～788.0 kPa(表2)，其中DK330+910斷面右拱腰處圍巖壓力值達(dá)999.0 kPa。初支與二襯接觸壓力平均值在182.7 kPa～369.7 kPa(表3)，最大值達(dá)554.0 kPa，出現(xiàn)在DK330+910斷面右拱腳處。在我國《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算深埋隧道襯砌結(jié)構(gòu)荷載時(shí)，圍巖壓力按照松散土壓力考慮[6]，按照依托工程圍巖參數(shù)計(jì)算得出深埋隧道豎向壓力為264.5 kPa，明顯小于實(shí)測值。筆者認(rèn)為，對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道而言，實(shí)測圍巖壓力不僅包含松散壓力，還包含了形變壓力，且應(yīng)以形變壓力為主，所以規(guī)范中的圍巖壓力計(jì)算方式不適用于高地應(yīng)力軟巖隧道。

3.3二襯分擔(dān)圍巖壓力比例

隧道初期支護(hù)與二次襯砌所受圍巖壓力比例一直是業(yè)內(nèi)學(xué)者們關(guān)注的問題，根據(jù)實(shí)測初支圍巖壓力和二襯接觸壓力可以得出大梁隧道試驗(yàn)段二次襯砌分擔(dān)比例，其計(jì)算方法如下

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算得出大梁隧道各試驗(yàn)斷面二襯壓力分擔(dān)比例見表4。

表4　大梁隧道二襯分擔(dān)圍巖壓力比例統(tǒng)計(jì)　%

由表4可以看出，大梁隧道不同部位圍巖壓力分擔(dān)比例平均值在45.0%～70.3%。其中大部分位置分擔(dān)比例平均值在50%左右。而此時(shí)隧道變形在可控范圍內(nèi)，可以正常施工?？芍诟叩貞?yīng)力軟巖隧道中，初始地應(yīng)力導(dǎo)致了較大的圍巖壓力，此時(shí)不能僅僅依靠初期支護(hù)提供支護(hù)阻力，二次襯砌也要承擔(dān)大量圍巖壓力，不能只作為安全儲(chǔ)備。

4　二次襯砌受力分析

4.1計(jì)算模型及參數(shù)

運(yùn)用Midas-GTS有限元軟件，采用荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行二次襯砌受力分析。根據(jù)荷載結(jié)構(gòu)模型理論，在計(jì)算中用梁單元來模擬隧道二次襯砌，用均布于襯砌外側(cè)的徑向彈簧單元來模擬地層反力，徑向彈簧采用具有非線性功能的單向彈簧單元進(jìn)行模擬，僅考慮彈簧的受壓能力，以真實(shí)地模擬襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用關(guān)系[7]。

因各斷面實(shí)測接觸壓力分布規(guī)律相似，選取DK331+900斷面實(shí)測初支二襯接觸壓力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)實(shí)測圍巖壓力與規(guī)范計(jì)算圍巖壓力作用下二襯內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析，其中規(guī)范計(jì)算圍巖壓力根據(jù)大梁隧道圍巖參數(shù)計(jì)算得到豎向壓力為264.5 kPa，水平壓力為132.3 kPa。計(jì)算中采用的參數(shù)見表5，計(jì)算模型見圖5。

表5　計(jì)算參數(shù)

圖5　計(jì)算模型

4.2計(jì)算結(jié)果分析

實(shí)測壓力和規(guī)范計(jì)算壓力下二次襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖6　實(shí)測壓力作用下二次襯砌內(nèi)力

圖 7　規(guī)范計(jì)算壓力作用下二次襯砌內(nèi)力

由圖6、圖7可得出如下結(jié)論。

(1)實(shí)測壓力作用下二次襯砌所受彎矩呈現(xiàn)較大的離散性、隧道左右側(cè)彎矩不對(duì)稱，右側(cè)彎矩明顯大于左側(cè)，分析認(rèn)為此斷面存在一定的偏壓作用。最大正、負(fù)彎矩分別出現(xiàn)在右拱腰和拱頂，彎矩值分別為386.27 kN·m和-361.92 kN·m；軸力均為壓力，基本呈均勻分布，下部略大；二襯危險(xiǎn)截面位于右拱腰。

(2)計(jì)算壓力作用下二次襯砌所受的最大正、負(fù)彎矩分別出現(xiàn)在拱頂和拱腰，彎矩值分別為 298.03 kN·m和-267.68 kN·m；二次襯砌的軸力均為壓力，軸力由拱頂至仰拱呈逐漸增大趨勢；二襯危險(xiǎn)截面位于拱頂。

(3)實(shí)測壓力作用下二襯最大彎矩、軸力均大于計(jì)算壓力，說明在高地應(yīng)力區(qū)，圍巖壓力較大，采用規(guī)范中的計(jì)算荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)不能保證結(jié)構(gòu)安全；由彎矩圖可以看出：實(shí)測壓力作用下隧道拱頂彎矩為負(fù)(外側(cè)受拉)，拱腳彎矩為正(內(nèi)側(cè)受拉)，表現(xiàn)出明顯的側(cè)向擠壓特征，這一點(diǎn)與計(jì)算壓力差異較大，同時(shí)實(shí)測壓力計(jì)算結(jié)果軸力值分布更加均勻，更符合深埋隧道二次襯砌實(shí)際受力狀況。

5　結(jié)論

(1)初支圍巖壓力隨時(shí)間呈“快速增長→緩慢增長→趨于穩(wěn)定”的變化規(guī)律，受后續(xù)施工影響，穩(wěn)定時(shí)間較長；初支與二襯接觸壓力隨時(shí)間呈現(xiàn)“急劇增長→快速減小→緩慢增長→趨于穩(wěn)定”的變化規(guī)律，這是由于二襯混凝土澆筑和模板臺(tái)車移動(dòng)等因素引起，且其穩(wěn)定時(shí)間較短。

(2)隧道實(shí)測圍巖壓力表現(xiàn)出與規(guī)范中深埋隧道設(shè)計(jì)圍巖壓力完全不同的特征。監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，實(shí)測值大于規(guī)范中計(jì)算圍巖壓力值，且表現(xiàn)出“兩側(cè)大、拱頂小”的水平擠壓特征。表明在高地應(yīng)力軟巖隧道中，形變壓力占主導(dǎo)，不能完全按照規(guī)范中的松散壓力來考慮進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要綜合考慮隧道初始地應(yīng)力和實(shí)測圍巖壓力。

(3)大梁隧道實(shí)測二襯不同部位壓力分擔(dān)比例平均值在45.0%～70.3%，可知在高地應(yīng)力軟巖隧道中，二次襯砌不能僅作為安全儲(chǔ)備，而要承擔(dān)相當(dāng)多的圍巖壓力，在施工中要結(jié)合隧道實(shí)際監(jiān)控量測情況，合理確定二襯施作時(shí)機(jī)。

(4)實(shí)測壓力作用下，隧道二襯內(nèi)力(軸力和彎矩)最大值均大于規(guī)范計(jì)算結(jié)果，且兩種工況下二次襯砌內(nèi)力分布規(guī)律存在明顯差異，采用實(shí)測壓力計(jì)算的結(jié)果更能反映高地應(yīng)力軟巖隧道二次襯砌的實(shí)際受力特征。

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Study on Surrounding Rock Pressure and Mechanical Characteristics of Secondary Lining in Weak Rock Tunnel with High Geo-stress

TIAN Peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

In order to study the soft rock pressure and mechanical characteristics of secondary lining in weak rock tunnel with high geo-stress， the Daliang tunnel on the second double-track line of new Lanzhou～Xinjiang railway is based to monitor the contacting pressure on surrounding rock and the initial lining and the contacting pressure between the initial lining and the secondary lining， and the development law over time and the spatial distribution of contacting pressure are obtained. The internal force of the secondary lining structure is calculated based on measured surrounding rock pressure. The study results show that the two kinds of pressures change differently over time; the contacting pressure is larger on both sides， smaller in vault， which indicates an obvious lateral extrusion; the secondary lining bears the average of 45.0%～70.3% of the surrounding rock pressure; the measured surrounding rock pressure is more practical than the internal force of the secondary lining calculated based on specified surrounding rock pressure.

Railway tunnel; High geo-stress; Surrounding rock pressure; In-situ monitoring; Mechanical characteristics

2016-01-29；

2016-02-28

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2009G020-B-1)

田鵬(1976— )，男，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于石家莊鐵

1004-2954(2016)08-0108-05

U451

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.023

道學(xué)院地下工程專業(yè)，主要從事隧道與地下工程的設(shè)計(jì)與研究工作。