蘭州軌道交通區(qū)間暗挖隧道初支受力狀態(tài)研究

曹小平,孫壽榜,張文學(xué)

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730000；2.蘭州市軌道交通有限公司,甘肅 蘭州 730000)

蘭州軌道交通區(qū)間暗挖隧道初支受力狀態(tài)研究

曹小平1,孫壽榜1,張文學(xué)2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730000；2.蘭州市軌道交通有限公司,甘肅 蘭州 730000)

通過對(duì)蘭州軌道交通區(qū)間暗挖隧道圍巖壓力和鋼拱架軸力的測(cè)量和分析，掌握了蘭州軌道交通新近堆積黃土中暗挖隧道施工時(shí)隧道初期支護(hù)的受力特點(diǎn)以及初支軸力和圍巖壓力之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在暗挖隧道的拱頂部位，圍巖壓力一般有最大值，且該部位黃土容易產(chǎn)生塑性變形；同時(shí)，鋼拱架軸力和圍巖壓力具有相關(guān)性，圍巖壓力較大的部位鋼拱架軸力也相應(yīng)較大。

軌道交通；暗挖；圍巖壓力；初期支護(hù)

0　引　言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)的全面快速發(fā)展，以交通為主的基礎(chǔ)建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行，大量的隧道在我國各地正在不斷地建成?！?015中國（上海）隧道與地下工程技術(shù)研討會(huì)”上指出，我國已成為世界隧道及地下工程建設(shè)規(guī)模和建設(shè)速度第一大國。據(jù)截至2013年底的統(tǒng)計(jì)，我國已有公路隧道11359座，總長9606km；我國已有運(yùn)營鐵路隧道11074座，總長達(dá)8939km。

在城市軌道交通修建中，盾構(gòu)法和淺埋暗挖法是目前常用的兩種方法，其中淺埋暗挖法對(duì)地層的適應(yīng)性相對(duì)較好，而且施工過程比盾構(gòu)法經(jīng)濟(jì)而被廣泛應(yīng)用。同時(shí)，在城市軌道交通隧道的施工中，安全性一直是建設(shè)者們十分關(guān)注的問題，隧道的初支作為同圍巖一起變形的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，在隧道的安全初期和后期的安全中都發(fā)揮著重要的作用[1-2]。因此，廣大學(xué)者對(duì)隧道襯砌的受力狀態(tài)以及穩(wěn)定性等方面做了大量的研究工作，積累了豐富的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[3-10]。

蘭州軌道交通區(qū)間暗挖隧道位于黃河階地，圍巖大部分均為新近堆積黃土，隧道穿越城市繁華區(qū)，埋深最淺處僅有10余米。因此，選擇蘭州軌道交通1號(hào)線東崗淺埋暗挖段，對(duì)初襯鋼拱架軸力、初襯與圍巖接觸壓力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，研究并分析了初支的受力特性以及初支軸力和圍巖壓力之間的關(guān)系，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和施工都具有一定的參考價(jià)值。

1　工程概況

蘭州市軌道交通中心城區(qū)線網(wǎng)由1、2、3號(hào)線組成，總長約90km，其中地下段約51km，地上段約39km，共設(shè)67座車站，其中高架站28座，地下站39座，1、2號(hào)線為線網(wǎng)主干線，3號(hào)線為輔助線，具體如圖1所示。

圖1　蘭州軌道交通區(qū)間圖

蘭州地鐵1號(hào)線經(jīng)過東崗鎮(zhèn)區(qū)段為暗挖施工段，焦家灣至東崗區(qū)間沿東崗東路布設(shè)，向西連接焦家灣站，向東沿東崗東路經(jīng)蘭州市第三十二中學(xué)、穿魚兒溝、甘肅供銷儲(chǔ)運(yùn)公司辦公樓及家屬樓、酒泉鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司至東崗車站。該區(qū)間為地下區(qū)間，施工方法采用礦山法，場(chǎng)地西高東低。

焦家灣至東崗區(qū)間礦山法施工主體結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)里程為：左線ZDK33+170.666～ZZDK33+551.866，全長381.43m；右線YDK33+237.066～YDK33+ 551.866，全長314.8m；其余 YDK33+170.726～YDK33+237.066段為明挖區(qū)間，位于焦家灣出入線下方。

2　儀器布設(shè)

圍巖壓力和鋼支撐內(nèi)力量測(cè)是隧道監(jiān)控量測(cè)的選測(cè)項(xiàng)目，只有在圍巖變形較大或者圍巖級(jí)別較高時(shí)才進(jìn)行測(cè)量。在初襯和圍巖之間安裝土壓力盒，選擇有代表性的斷面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量4個(gè)以上斷面，每個(gè)斷面安裝壓力盒不少于5個(gè)，鋼筋計(jì)不少于5個(gè)。

壓力盒布設(shè)在圍巖與初襯之間，本次測(cè)量中，壓力盒和鋼筋計(jì)布設(shè)在隧道的左、右墻角，左、右拱腰和拱頂部位（見圖2）。各測(cè)點(diǎn)處沿徑向布設(shè)壓力盒，用頻率計(jì)測(cè)定圍巖作用于襯砌的壓力，掌握圍巖的變形特性。為襯砌的強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析提供數(shù)據(jù)，并指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)施工。

圖2　壓力及鋼筋計(jì)安裝位置示意圖

埋設(shè)方式：在量測(cè)斷面處，二次襯砌施工之前在初期支護(hù)與圍巖之間布設(shè)振弦式土壓力盒，要求土壓力盒與二襯正面接觸；安裝鋼筋計(jì)時(shí)，須將格柵拱架主筋切斷后再將鋼筋計(jì)對(duì)接（搭接）并牢固焊接在兩端鋼筋上，測(cè)試元件的導(dǎo)線須進(jìn)行妥善保護(hù)，引入墻角附近接入數(shù)據(jù)采集儀并進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試元件的布設(shè)及對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)如圖3～圖6所示。

圖3　土壓力盒安裝

圖4　鋼筋計(jì)安裝

圖5　對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)

圖6　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

3　測(cè)量及分析

針對(duì)蘭州軌道交通淺埋暗挖段的特點(diǎn)，選擇ZDK33+503、ZDK33+520和ZDK33+5323個(gè)斷面的圍巖壓力和初支內(nèi)力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7　ZDK33+503斷面土壓力測(cè)量值

圖8　ZDK33+503斷面拱架軸力測(cè)量值

圖9　ZDK33+520斷面土壓力測(cè)量值

圖10　ZDK33+520斷面鋼筋計(jì)測(cè)量值

圖11　ZDK33+532斷面土壓力測(cè)量值

圖12　ZDK33+532斷面鋼筋計(jì)測(cè)量值

由圖7～圖12可以看出，3個(gè)測(cè)量斷面上的土壓力和拱架內(nèi)力在安裝初期增長較快，10～20d后變化趨于穩(wěn)定，說明圍巖在開挖并進(jìn)行初期支護(hù)2～3周后變形趨于穩(wěn)定。從3個(gè)斷面上的數(shù)值可以看出，在隧道拱頂部位，圍巖和初支的接觸壓力最大，相應(yīng)地，在第一、第三2個(gè)斷面上拱頂部位鋼拱架內(nèi)力也最大，因此可以看出，圍巖壓力和鋼拱架內(nèi)力之間具有相關(guān)性。

4　結(jié)　語

圍巖接觸壓力和鋼拱架內(nèi)力的測(cè)量是隧道監(jiān)控量測(cè)的選測(cè)項(xiàng)目，一般在軟弱圍巖的暗挖隧道施工中須進(jìn)行測(cè)量。本文在蘭州軌道交通1號(hào)線東崗暗挖區(qū)間選擇性地對(duì)圍巖壓力和鋼拱架內(nèi)力進(jìn)行了測(cè)量，得出以下結(jié)論：

（1）圍巖壓力和鋼拱架內(nèi)力可以反映該區(qū)段圍巖變形特征和初期支護(hù)的變形以及力學(xué)特征，為驗(yàn)證初支設(shè)計(jì)的合理性和進(jìn)一步優(yōu)化提供有力的依據(jù)。

（2）圍巖壓力和鋼拱架內(nèi)力之間有一定的相關(guān)性，即圍巖壓力增加或減小，鋼拱架內(nèi)力也隨之增加或者減小，圍巖壓力大即表明該段變形較大，鋼拱架內(nèi)力也大。

（3）在暗挖隧道的拱頂部位，圍巖壓力最大，所以拱頂部位的黃土圍巖易產(chǎn)生塑性變形，在施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧道的監(jiān)控量測(cè)，注意施工安全。

[1]JTJD70—2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2]TB10003—2005，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3]趙占廠,謝永利,楊曉華,等.黃土公路隧道襯砌受力特性測(cè)試研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2004，17(1)：66-69.

[4]沈才華,童立元.鋼拱架柔性支撐穩(wěn)定性預(yù)測(cè)判別方法探討[J].土木工程學(xué)報(bào),2007，40(3):88-91.

[5]來弘鵬,林永貴,謝永利,等.支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)軟弱圍巖公路隧道力學(xué)特征影響的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009，31(3)：390-395.

[6]李鵬飛,趙勇,張頂立,伍冬,等.基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的隧道圍巖壓力分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013，32(7)：1392-1399.

[7]徐林生.大斷面高速公路隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，28(3):528-530.

[8]蔣樹屏，趙陽.復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道圍巖監(jiān)控量測(cè)與非確定性反分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004,23(20):3460-3464.

[9]劉學(xué)增,羅仁立.大跨度公路隧道圍巖豎向壓力分布特征探討[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012,38（12）:1741-1745.

[10]孫克國,李術(shù)才,張慶松,李樹忱,李景龍,劉斌,等.特長山嶺隧道襯砌監(jiān)測(cè)及模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(S2): 4465-4470.

U455.4

B

1009-7716（2016）11-0147-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.042

2016-07-28

蘭州軌道交通區(qū)間隧道暗挖施工變形控制及預(yù)測(cè)預(yù)警研究項(xiàng)目（2015-02）

曹小平（1971-），男，甘肅定西人，博士，副教授，主要從事巖土工程的教學(xué)和科研工作。