寶蘭客專(zhuān)第三系泥巖隧道圍巖變形規(guī)律研究

張欽鵬，梁慶國(guó)，王新東

(1．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070;2．中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

寶蘭客專(zhuān)第三系泥巖隧道圍巖變形規(guī)律研究

張欽鵬1，梁慶國(guó)1，王新東2

(1．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070;2．中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

以寶雞到蘭州客運(yùn)專(zhuān)線安定隧道為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，研究了隧道拱頂下沉、水平收斂、圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力的變化規(guī)律，并與有限元軟件Midas/GTS模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明:隧道已完成了大部分變形并趨于穩(wěn)定;圍巖壓力增長(zhǎng)較快，左側(cè)壓力整體大于右側(cè)，但最終都趨于穩(wěn)定;鋼拱架應(yīng)力波動(dòng)較大，左邊墻處應(yīng)力大于其他部位，鋼拱架應(yīng)力的整體分布規(guī)律與圍巖壓力近似。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表明，下部泥巖飽水軟化后仰拱出現(xiàn)明顯底鼓現(xiàn)象，可能與下部泥巖飽水后受力不均勻有關(guān)。

泥巖隧道;圍巖壓力;拱頂下沉;水平收斂;數(shù)值模擬

1　工程概況

寶蘭客專(zhuān)東起寶雞，西至蘭州，全長(zhǎng)400.74 km。安定隧道位于甘肅省定西市，全長(zhǎng)3 092 m，相對(duì)高差220～270 m，最大埋深270 m。該隧道洞身通過(guò)的地層主要為第三系上新統(tǒng)泥巖，成巖作用差，開(kāi)挖后地下水滲出，仰拱處泥巖易被水泡軟呈飽水狀態(tài)，圍巖以Ⅳ～Ⅴ級(jí)為主。拱頂處圍巖為老黃土，中下部為第三系泥巖。隧道按新奧法臺(tái)階法施工，初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)，以鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土共同組成聯(lián)合支護(hù)體系，鋼拱架為I20a型鋼，間距0.5 m。二次襯砌為模筑鋼筋混凝土。

2　監(jiān)測(cè)斷面布置與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1監(jiān)測(cè)斷面布置

監(jiān)測(cè)斷面選在IDK941+474處，斷面位于第三系泥巖與老黃土交界處。依據(jù)規(guī)范［1-2］相關(guān)要求，測(cè)試項(xiàng)目有拱頂下沉、水平收斂、圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力。根據(jù)隧道開(kāi)挖工序沿?cái)嗝婀膊贾?個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)元件。元件分別采用振弦式高精度雙膜土壓力計(jì)和鋼拱架表面應(yīng)變計(jì)。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。其中:GD為拱頂沉降觀測(cè)點(diǎn)，使用全站儀量測(cè);SL1-SL2為凈空收斂觀測(cè)點(diǎn)，使用收斂?jī)x量測(cè)。

圖1　測(cè)點(diǎn)布置

2.2監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.2.1拱頂下沉和水平收斂

拱頂下沉?xí)r程曲線見(jiàn)圖2(a)。拱頂累計(jì)下沉量隨時(shí)間推移逐漸增大，第5.5 d開(kāi)始下沉速率明顯增大，到第18 d后下沉逐漸趨于平穩(wěn)，第5.5 d到第18 d的下沉量約占最終累計(jì)下沉量的75%左右，拱頂累計(jì)下沉值最終穩(wěn)定在48.9 mm。

圖2　拱頂下沉和圍巖水平收斂時(shí)程變化曲線

水平收斂時(shí)程曲線見(jiàn)圖2(b)。隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力釋放較為明顯，水平收斂量隨著時(shí)間推移逐漸增大(最大水平收斂36.23 mm出現(xiàn)在第5.5 d)，然后趨于平穩(wěn)，最終穩(wěn)定在27.90 mm。

2.2.2圍巖壓力

下部泥巖處于飽水狀態(tài)下圍巖壓力時(shí)程變化曲線見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，左邊墻的圍巖壓力釋放較為明顯，數(shù)值遠(yuǎn)大于其它部位，穩(wěn)定后達(dá)到了939.03 kPa;仰拱拱頂和仰拱左拱腳處數(shù)值也相對(duì)較大，穩(wěn)定后分別為390.17 kPa和279.18 kPa，其余各點(diǎn)數(shù)值相對(duì)較小;拱頂壓力波動(dòng)較大并且仍有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，后期應(yīng)特別注意?？傮w而言，圍巖壓力隨時(shí)間先急劇增大，然后增長(zhǎng)幅度變緩，最后趨于穩(wěn)定［3］。從圍巖變形穩(wěn)定后的壓力分布(圖4)可以看出，左右圍巖壓力不對(duì)稱(chēng)，左側(cè)壓力遠(yuǎn)大于右側(cè)，尤其是左下部和仰拱拱頂處圍巖壓力明顯偏大。這很可能與下部泥巖飽水軟化后受力不均勻有關(guān)。

圖3　泥巖飽水狀態(tài)下圍巖壓力時(shí)程變化曲線(單位:kPa)

圖4　泥巖飽水狀態(tài)下圍巖變形穩(wěn)定后的壓力分布(單位:kPa)

2.2.3鋼拱架應(yīng)力

下部泥巖處于飽水狀態(tài)下鋼拱架應(yīng)力時(shí)程變化曲線見(jiàn)圖5。負(fù)號(hào)表示受壓，正號(hào)表示受拉。由圖5可見(jiàn):除左拱腳和右邊墻處初期處于受拉狀態(tài)外，其他位置都處于受壓狀態(tài);左邊墻處應(yīng)力一直大于其他部位應(yīng)力，穩(wěn)定后應(yīng)力數(shù)值達(dá)到了247.80 MPa;左拱腳處應(yīng)力也相對(duì)較大，穩(wěn)定后應(yīng)力數(shù)值達(dá)到了179.91 MPa。整體來(lái)看，應(yīng)力隨時(shí)間先急劇增大，然后增長(zhǎng)幅度變緩，最后趨于穩(wěn)定。從鋼拱架變形穩(wěn)定后鋼拱架應(yīng)力分布(圖6)可以看出:左右鋼拱架應(yīng)力也不對(duì)稱(chēng)，左側(cè)應(yīng)力大于右側(cè)，其中左邊墻處鋼拱架應(yīng)力明顯偏大，這與圖4中的圍巖壓力分布相似，但安設(shè)鋼拱架后，支護(hù)結(jié)構(gòu)改善了圍巖壓力的分配，并形成了穩(wěn)定的環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)，有效減小了左邊墻的應(yīng)力集中現(xiàn)象［4］。

圖5　泥巖飽水狀態(tài)下鋼拱架應(yīng)力時(shí)程變化曲線(單位:MPa)

圖6　泥巖飽水狀態(tài)下鋼拱架變形穩(wěn)定后鋼拱架應(yīng)力分布(單位:MPa)

3　隧道開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值模擬

3.1計(jì)算模型

隧道開(kāi)挖后，圍巖會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布，但只有周?chē)?～5倍孔徑范圍內(nèi)的巖體會(huì)受到影響。因隧道開(kāi)挖輪廓尺寸為12.2m(寬)×8.68 m(高)，故模型橫向左右邊界分別距離隧道中心5倍洞徑，即模型的總寬度為122m;上邊界距離隧道頂部40 m;下邊界距離隧道底部為4倍洞徑，即模型的總高度為83.40 m。計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

模擬開(kāi)挖步驟:①開(kāi)挖前設(shè)置圍巖初始應(yīng)力場(chǎng);②拱頂環(huán)向開(kāi)挖，安設(shè)鋼拱架，噴錨支護(hù);③左側(cè)中臺(tái)階開(kāi)挖，安設(shè)鋼拱架，噴錨支護(hù);④右側(cè)中臺(tái)階開(kāi)挖，安設(shè)鋼拱架，噴錨支護(hù);⑤左側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖，安設(shè)鋼拱架，噴錨支護(hù);⑥右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖，安設(shè)鋼拱架，噴錨支護(hù);⑦預(yù)留核心土開(kāi)挖;⑧仰拱開(kāi)挖，安設(shè)鋼拱架，噴射混凝土;⑨二襯模筑混凝土;⑩仰拱回填。

3.2計(jì)算參數(shù)

圍巖材料采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系中的莫爾-庫(kù)倫模型，混凝土材料則按照線彈性本構(gòu)關(guān)系處理，同時(shí)采用梁?jiǎn)卧M鋼拱架［5-8］。建立模型時(shí)，定義上部圍巖為黃土層，中部為天然狀態(tài)泥巖，下部為飽水和天然2種狀態(tài)泥巖。查閱相關(guān)規(guī)范［9］和文獻(xiàn)［8］并結(jié)合工程實(shí)際情況選取模型材料的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖7　計(jì)算模型

表1　數(shù)值模型材料物理力學(xué)參數(shù)

3.3計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1鋼拱架應(yīng)力

下部泥巖在不同狀態(tài)下鋼拱架關(guān)鍵部位應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)，不同狀態(tài)下隧道均未出現(xiàn)明顯的偏壓情況，左右側(cè)應(yīng)力基本對(duì)稱(chēng)。下部泥巖在飽水狀態(tài)下鋼拱架各部位應(yīng)力與實(shí)測(cè)值較為接近，而且均明顯大于下部為天然狀態(tài)泥巖時(shí)的應(yīng)力值。尤其是在仰拱拱頂處，飽水后的應(yīng)力數(shù)值是天然狀態(tài)時(shí)的5倍。

3.3.2仰拱拱頂豎向變形

下部泥巖在不同狀態(tài)下仰拱拱頂累計(jì)豎向變形量對(duì)比見(jiàn)圖9。可見(jiàn)，下部泥巖飽水軟化后仰拱拱頂豎向變形量達(dá)到了41.98 mm，底鼓較為明顯，而下部泥巖為天然狀態(tài)時(shí)變形量?jī)H為10.94 mm。

3.3.3圍巖水平收斂

下部泥巖在不同狀態(tài)下圍巖累計(jì)水平收斂量對(duì)比見(jiàn)圖10。可見(jiàn)，下部泥巖在天然狀態(tài)下圍巖最終水平收斂量為6.87 mm，而下部泥巖在飽水狀態(tài)下則達(dá)到了26.64 mm，這與實(shí)測(cè)的圍巖水平收斂量27.90 mm基本一致。

圖8　下部泥巖在不同狀態(tài)下鋼拱架關(guān)鍵部位應(yīng)力對(duì)比(單位:MPa)

圖9　下部泥巖在不同狀態(tài)下仰拱拱頂累計(jì)豎向變形量對(duì)比

圖10　下部泥巖在不同狀態(tài)下圍巖累計(jì)水平收斂量對(duì)比

4　結(jié)語(yǔ)

1)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，下部泥巖飽水后發(fā)生不均勻變形，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)受力不均勻，其中左邊墻、仰拱拱頂受力明顯大于其他區(qū)域。拱頂下沉量相對(duì)較大，圍巖已經(jīng)完成了大部分變形并趨于穩(wěn)定。可以認(rèn)為圍巖在后期的施工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)較大的變形。

2)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比顯示，下部泥巖飽水軟化后仰拱底鼓現(xiàn)象比較明顯，并且鋼拱架應(yīng)力和圍巖水平收斂量明顯增大。故施工中應(yīng)特別注意及時(shí)將洞內(nèi)滲水排出洞外，避免泥巖飽水軟化現(xiàn)象的發(fā)生。

［1］中國(guó)鐵路總公司．Q/CR 9218—2015鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2015．

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10753—2010高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

［3］李鵬飛，田四明，趙勇，等．高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道初期支護(hù)受力特性的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32(增):3509-3519．

［4］扈世民，張頂立，王夢(mèng)?。髷嗝纥S土隧道開(kāi)挖引起的圍巖力學(xué)響應(yīng)［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2011，32(5):50-55．

［5］魏海虹．淺埋偏壓隧道施工過(guò)程數(shù)值分析［J］．鐵道建筑，2015(8):58-60．

［6］趙佃錦，梁慶國(guó)，魯?shù)梦?，等．高地?yīng)力隧道臺(tái)階法施工過(guò)程數(shù)值模擬［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014，10(2):441-448．

［7］左乾坤，李天斌，孟陸波，等．隧道鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征的數(shù)值模擬分析［J］．中外公路，2011，31(4):196-199．

［8］馮忠居，朱登遠(yuǎn)，彭小兵，等．泥巖隧道施工技術(shù)對(duì)圍巖的影響及其數(shù)值模擬分析［J］．公路，2013(12):224-229．

［9］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

(責(zé)任審編 葛全紅)

Study on Deformation Law of Tertiary Mudstone Around Tunnel on Baoji－Lanzhou Passenger Dedicated Railway

ZHANG Qinpeng1，LIANG Qingguo1，WANG Xindong2
(1．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China; 2．China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Based on the engineering background of Anding tunnel on Baoji－Lanzhou passenger dedicated railway，the variation laws of tunnel vault settlement，horizontal convergence，surrounding rock pressure and steel arch stress were studied and com pared with the simulation results calculated by the finite elem ents of tware Midas/GT S through field monitoring measurement．Monitoring data show that most of the deform ations have been completed and this tunnel tends to be stable，the grow th of surrounding rock pressure is rapid and the pressure on left side is greater than pressure on right side as a whole，which are all stable eventually．The steel arch stress fluctuation is obvious，which at the left-side wall is greater than at the other parts and the general distribution law of steel arch stress is similar to surrounding rock pressure．The comparison between monitoring data and numerical simulation results indicates that the bottom d rum phenomenon is obvious in inverted arch after saturated softening of lower mudstone，which may be related to the uneven force of the lower mudstone after saturated softening．

Mudstone tunnel;Surrounding rock pressure;Vault settlement;Horizontal convergence;Numerical sim ulation

U452．1+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．19

1003-1995(2016)11-0073-04

2016-07-10;

2016-09-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(41262010，41562013);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1139)

張欽鵬(1990—)，男，碩士研究生。