基于應力監(jiān)測的軟巖隧道支護結構穩(wěn)定性分析

陳錦濤，韓愛果，任光明

隨著我國資源開發(fā)和基礎設施建設的不斷發(fā)展，隧道建設進入了快速發(fā)展時代。在軟弱圍巖地區(qū)修建鐵路隧道也屢見不鮮，隧道施工在種種惡劣條件下給研究人員和施工人員提出更高的要求。近年來，在軟弱圍巖隧道的施工和運營過程中不斷出現各種圍巖失穩(wěn)問題，對軟巖隧道圍巖的應力監(jiān)測、研究十分必要。Karmen F B等［1］采用三維收斂測量方法對斯洛文尼亞某公路隧道斷面襯砌和圍巖應力及位移監(jiān)測，分析NATM施工支護的穩(wěn)定性。陳耕野等［2］對噴層應力與錨桿軸力進行了監(jiān)測，基于此對韓家?guī)X隧道圍巖穩(wěn)定性進行評估。雷軍等［3］對烏鞘嶺隧道圍巖及襯砌結構進行了多項應力及變形監(jiān)測，監(jiān)測成果有效反映了圍巖—襯砌系統(tǒng)應力和位移的變化規(guī)律，基于監(jiān)測成果初步探討了該隧道圍巖擠壓大變形的形成機制。黃強［4］綜合采用監(jiān)測技術和數值模擬對江西某公路隧道圍巖及初襯的應力變化規(guī)律進行了研究。周藝等［5］基于支護參數優(yōu)化，對5種方案施工過程進行三維數值模擬，并與現場監(jiān)測值對比分析，研究施工過程中隧道結構的安全性和圍巖穩(wěn)定性。熊安祥等［6］通過對相鄰已建隧道的監(jiān)測，對其進行支護加固及施工方案的優(yōu)化，確保新楊柳灣隧道安全的施工。李維華等［7］從隧道設計、施工工藝方面分析噴錨襯砌在無二襯支護的卡邁爾公路隧道中的應用。陳遠志等［8］通過對河北省某高速公路隧道圍巖多項應力監(jiān)測，基于監(jiān)測成果分析發(fā)現初支結構和圍巖相互協(xié)調，共同制約圍巖變形。王樹英等［9］針對圍巖流變大變形，對支護結構參數進行了調整，通過支護結構應力監(jiān)測分析結構穩(wěn)定性。劉建美等［10］基于數值計算，并根據工程地質情況對照監(jiān)測數據分析深圳某地鐵隧道下穿既有地鐵站變形規(guī)律。宋桂鋒等［11］根據現場監(jiān)測結果分析云南某上穿公路隧道的圍巖和支護結構的變形及受力特點。鄧洪亮等［12］通過有限元分析軟件和現場監(jiān)測，研究了黃董坡隧道圍巖位移及應力變化規(guī)律，并總結出隧道開挖過程中重點支護部位。魏龍等［13］運用FLAC3D軟件及現場應力量測，對甘肅省某隧道支護結構多項應力、位移變化規(guī)律進行研究，從而分析破碎圍巖支護結構穩(wěn)定性。隧道圍巖開挖后應力釋放，在應力重分布的影響下，圍巖應力、應變表現出各種變化狀態(tài)，所以在施工過程中進行適時的應力監(jiān)測并及時進行數據整理、分析、反饋是動態(tài)設計和動態(tài)施工的主要依據。本文根據西南地區(qū)某鐵路隧道現場應力監(jiān)測工作，對在建隧道施工洞段支護結構的受力發(fā)展規(guī)律進行研究，從而分析支護結構穩(wěn)定性，其成果可為本隧道后續(xù)的設計變更和安全施工提供科學依據，也可為今后類似工程的深入研究提供參考。

1 區(qū)域地質條件

該隧道為一傍山隧道（見圖1），最大埋深約750 m，地處川西北高山峽谷區(qū)，地勢總體北高南低；隧道段出露三疊統(tǒng)雜谷腦組（T2z）、侏倭組（T3zh）、新都橋組（T3x）地層，主要巖性為砂巖、板巖及千枚巖。區(qū)域構造復雜，地處由龍門山斷裂、西秦嶺褶皺斷裂和岷江斷裂組成的“A”字形構造地帶；地下水類型為基巖裂隙水及少量巖溶水，受大氣降水及地表水補給；應力實測結果表明：隧址區(qū)以NW—SE向擠壓應力為主，洞身附近最大水平主應力約15 MPa，隧址區(qū)屬于典型的高地應力區(qū)。復雜的地質背景，多期強烈構造活動的先后作用，加之汶川地震的顯著影響，使隧道軟硬互層圍巖極為破碎，圍巖完整性差、強度低、自穩(wěn)能力弱。

圖1 隧道縱斷面圖

2 隧道施工監(jiān)測與分析

2．1 監(jiān)測方案

為研究施工期間隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性，支護結構是否安全、合理，在隧道Ⅴ級圍巖洞段布設6組斷面進行現場監(jiān)測，限于篇幅，本文選擇最具有代表性的DK220＋580斷面進行分析研究，測點布置如圖2所示。隧道支護結構的受力狀態(tài)是圍巖穩(wěn)定性的直接表現，因此在支護結構方面開展的監(jiān)測項目有圍巖壓力、錨桿軸力、初支噴射混凝土應力、鋼拱架應力和二襯混凝土應力，除圍巖壓力其余項目數據均表現為拉正壓負。量測儀器采用四川金馬科技有限公司SCJM振弦測試儀，各監(jiān)測項目均每天一次，直至基本穩(wěn)定為止。

圖2 各項目測點布置圖

2．2 監(jiān)測結果及分析

2．2．1 圍巖壓力

圍巖壓力監(jiān)測是為了判斷隨著隧道圍巖開挖的進行，圍巖與噴射混凝土之間的相互作用，分析初期支護的承載作用。如上圖2所示，分別在拱頂，左右拱肩、邊墻、拱腳及仰拱埋設8個測點，根據監(jiān)測數據做出圍巖壓力圖（見圖3），由圖3分析可知：圍巖初期支護接觸壓力的最大值為1．82 MPa；圍巖初期支護接觸壓力分布不均勻，拱肩及拱頂相對較大，左拱肩約為 1．06 MPa，右拱肩約為 1．82 MPa，存在偏壓；圍巖初期支護接觸壓力在邊墻和仰拱底部較小，因此現階段不存在仰拱鼓起現象。

圖3 圍巖壓力圖（單位：MPa）

2．2．2 錨桿軸力

隧道施工中采用錨桿能最大限度的利用和發(fā)揮圍巖的自承能力。由錨桿軸力圖4分析可知：拱頂及右拱肩處錨桿基本受壓，左拱肩及兩側邊墻處錨桿基本受拉；左邊墻處錨桿最大拉應力約為18．63 MPa，右拱肩處錨桿最大壓應力約為12．1 MPa，均在錨桿安全強度值范圍內；左拱肩及邊墻錨桿處于受拉狀態(tài)，右拱肩處錨桿處于受壓狀態(tài)，能夠有效阻止支護結構變形。同時由錨桿受拉和受壓，可以看出圍巖變形的拉壓性質隨深度的變化規(guī)律。

圖4 錨桿軸力圖（單位：MPa）

2．2．3 鋼拱架應力

鋼拱架的施作能夠在噴射混凝土作用前支撐圍巖、對噴射混凝土進行補強，同時與錨桿、噴射混凝土共同發(fā)揮初期支護作用。由鋼拱架受力圖5分析可知：鋼拱架應力分布不均勻，拱頂及右墻角應力較大，均為受壓狀態(tài)；鋼拱架外側壓應力較大，拱頂處壓應力約為 363．28 MPa，右墻腳處壓應力約為388．25 MPa；鋼拱架內側壓應力大，拱頂處內側壓應力約為206．41 MPa，右墻腳處內側壓應力約為 490．77 MPa，由此可知鋼拱架支護結構右墻腳處壓應力大于《鋼結構設計規(guī)范》［14］（GB 50017—2003）中規(guī)定的 Q235 鋼材的抗拉、抗壓極限強度375 MPa；在施工過程中，鋼拱架除左墻腳一個測點為較小拉應力外，其余全部為壓應力，由此可知鋼拱架結構處于受壓狀態(tài)。

圖5 鋼拱架受力圖（單位：MPa）

2．2．4 初支噴射混凝土應力

初支噴射混凝土可以和錨桿在隧道開挖后對圍巖變形起到及時的控制約束作用。由圖6分析可知：初期支護主要為受壓狀態(tài)，拱部混凝土壓應力較大，兩拱肩處最大壓應力約為31．57 MPa，壓應力相對較大，噴射混凝土可能有壓潰、剝落等現象發(fā)生，因此需要增加監(jiān)測頻率，注意觀察，仰拱處初期支護噴射混凝土壓應力較小。

圖6 初支噴射混凝土應力圖（單位：MPa）

2．2．5 二次襯砌內力

二次襯砌主要是加固支護，美化外觀。由二次襯砌內力圖7分析可知，拱部混凝土為受拉應力，兩拱肩處及仰拱處為受壓應力，最大拉應力1．1 MPa，最大壓應力1．75 MPa，均較小，因此二次襯砌結構受力安全。

圖7 二次襯砌內力圖（單位：MPa）

3 支護結構穩(wěn)定性數值分析

3．1 模型建立及物理力學參數

根據隧道工程圍巖的性質與特點，隧道圍巖變形穩(wěn)定性的研究可簡化為平面應變問題，由于研究段隧道圍巖產生變形的主體是軟質巖體，故模型材料選用塑性材料，采用Mohr－Coulomb強度破壞準則進行計算。模型建立時，其邊界選取距隧道中心4倍洞徑（降低邊界效應的影響），約束模型的四周邊界，應力場考慮隧道天然應力量值特征選取恒定場，近似模擬開挖隧道的力學響應特征。隧道的初期支護主要考慮錨桿、鋼筋網、混凝土及鋼拱架，二襯統(tǒng)一考慮鋼筋混凝土。根據實際情況，模型中錨桿選用Bolt支護單元，鋼筋網、鋼拱架、混凝土、二襯支護均選用Liner支護單元，同時根據實際施工組合成不同的復合式襯砌（Composite Liner），施加順序為：鋼筋網，鋼拱架，混凝土。由巖石力學試驗及工程地質類比得到圍巖物理力學參數，支護結構參數根據《鐵路隧道設計規(guī)范》［15］（TB 10003—2016）進行取值，具體參數如表1所示。

表1 圍巖和支護物理力學參數

3．2 模擬結果及分析

支護結構除了應滿足有效控制圍巖變形要求外，其本身也應滿足一定的安全要求。由《鐵路隧道設計規(guī)范》［15］（TB 10003—2016）中關于支護結構受荷載組合選用的安全系數的規(guī)定，結合本工程特點，選取的安全系數應滿足 K≥1．5的要求，接下來將對支護結構進行數值驗算?？紤]到鋼拱架及鋼筋混凝土在支護作用中的主導作用，只對二者的安全系數計算分析。如圖為計算得到的鋼筋混凝土（左鋼筋右混凝土）及鋼拱架的安全狀態(tài)圖，圖中包含安全系數為 K＝1．3和 K＝1．5兩條包絡圈，當模型中某點計算得到的相應系數位于某包絡圈內，表示該點的安全系數大于或等于該包絡圈安全系數，即處于安全狀態(tài)。由圖8可知，鋼筋及混凝土的彎矩和剪力點均全部落在 K＝1．5包絡圈范圍內，同時由圖9可知，鋼拱架受剪力安全系數和彎矩安全系數均在K＝1．5包絡圈范圍內。綜上所述，此支護結構的安全系數均大于等于1．5，滿足規(guī)范的設計要求。

4 結 語

本文依據現場應力監(jiān)測資料，結合二維有限元數值計算，分析得到以下三點結論：

（1）從現場應力監(jiān)測數據可以看出，圍巖壓力、錨桿軸力較小，鋼拱架應力大；最大圍巖壓力為1．82 MPa，最大錨桿軸力為18．63 MPa，最大鋼拱架應力外側為 388．25 MPa，壓應力，內側為 490．77 MPa，壓應力，表明初期支護在圍巖變形的支撐過程中，噴射混凝土和錨桿起到協(xié)助作用，而鋼拱架和圍巖自承能力起到主要作用，二次襯砌內力小。

（2）通過數值模擬計算鋼筋混凝土及鋼拱架的安全系數，結果均滿足本工程安全系數 K≥1．5的要求，綜合前面的應力監(jiān)測數值分析，本隧道結構受力基本處于安全狀態(tài)，支護適當。

（3）加強初期支護的應力監(jiān)測工作，及時整理、分析數據，科學、準確地評價支護結構的穩(wěn)定性，為隧道的安全施工保駕護航。

圖8 鋼筋混凝土安全狀態(tài)圖

圖9 鋼拱架安全狀態(tài)圖

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