軟弱圍巖下鐵路隧道支護結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測與分析

黃 赫，周丁恒，李鳳嶺

(1. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 軌道交通院, 北京 100037；2. 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 城市軌道交通設(shè)計處，北京 102600)

0 引 言

隨著我國鐵路建設(shè)快速發(fā)展，在軟弱巖體中修筑鐵路隧道不可避免，隨之而來的軟弱巖體特殊工程地質(zhì)問題成為鐵路隧道工程建設(shè)中的熱點與難點。

新奧法是隧道工程修筑的最主要方法，其核心原則之一是通過對圍巖和支護結(jié)構(gòu)監(jiān)控、量測來指導(dǎo)隧道設(shè)計、施工，尤其是對軟弱圍巖隧道，現(xiàn)場監(jiān)測意義極其重要?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及反饋信息修正設(shè)計參數(shù)，以保證設(shè)計合理、設(shè)計高效，同時現(xiàn)場監(jiān)測決定了二次襯砌的施工時間。

目前對軟弱圍巖中鐵路隧道現(xiàn)場試驗或監(jiān)測研究[1-3]主要集中于地質(zhì)類型多樣的寶蘭客運專線多條隧道上。分別針對黃土、泥巖等類型隧道，通過現(xiàn)場監(jiān)測，研究了隧道受力隨時間變化規(guī)律及空間分布特征；此外，還應(yīng)用可靠度法或容許應(yīng)力法及相關(guān)數(shù)據(jù)對實際工程安全狀態(tài)進行評估。高地應(yīng)力對隧道支護結(jié)構(gòu)受力影響很大，李鵬飛等[4]通過現(xiàn)場監(jiān)測，得到高地應(yīng)力條件下隧道圍巖壓力與初期支護體系各子構(gòu)件的力學(xué)特性，討論了其隨時間的演化特性和沿隧道橫斷面的空間分布規(guī)律。此外，也有學(xué)者[5-7]將現(xiàn)場監(jiān)測作為數(shù)值計算補充或結(jié)合手段，研究了鐵路隧道圍巖與支護體系受力特征。與上述研究針對單個隧道不同，房倩等[8]依托多個鐵路隧道，對不同級別圍巖條件下初支、二襯間接觸壓力進行了現(xiàn)場監(jiān)測，深入分析了二襯結(jié)構(gòu)受力特點?，F(xiàn)有成果很少考慮不同施工步驟的影響，且只是以單個斷面[9-10]為數(shù)據(jù)樣本分析，缺乏全面性。因此，筆者依托朱家山隧道，分別選取Vb級和IVb級這2個斷面比較分析，開展支護體系進行現(xiàn)場試驗，對施工過程進行安全性評價。

1 工程概況

寶蘭客運專線是我國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中徐蘭客運專線西段，也是國家鐵路“四縱四橫”客運專線網(wǎng)重要組成部分。作為其控制性工程的朱家山隧道，全長14 947.77 m，屬于特長隧道。隧道分進口、4座斜井、出口工作面同時施工，最大、最小埋深分別約為370、30 m。隧區(qū)位于隴西系旋卷構(gòu)造體系的瑪雅雪山-會寧旋回褶帶南端與祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系前弧西翼之復(fù)合部位。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，區(qū)域地層支離破碎。隧道穿越大神仙梁山，洞身通過了震旦系片巖夾千枚巖地層、第三系泥巖段，全長范圍穿越了3處斷層(F4、F6和F13斷層)，斷層帶內(nèi)為泥夾角礫，斷層兩側(cè)片巖巖體極為破碎，對隧道施工影響較大。片巖為云母質(zhì)，薄層、軟質(zhì)；受斷層構(gòu)造影響節(jié)理、裂隙發(fā)育；傾斜巖層、構(gòu)造偏壓顯著；受黃土地層層面地下水影響，片巖層面有滲水。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗概況

針對隧道軟質(zhì)、薄層、破碎和滲水片巖特點，根據(jù)現(xiàn)場情況不同圍巖條件、支護參數(shù)及施工方法，選取DK837+915和DK838+560斷面進行現(xiàn)場試驗，2個試驗斷面隧道頂部埋深分別約為179、206 m，均采用三臺階七步法施工，試驗段面測點布置如圖1。

圖1 試驗斷面測點布置Fig. 1 Layout of monitoring points of the test section

2.2 圍巖地質(zhì)情況

DK837+915斷面圍巖等級為IVb，DK837+560斷面圍巖等級為Vb。DK837+915斷面處于斷層破碎帶，原巖為震旦系變質(zhì)砂巖夾片巖，灰黑色弱風(fēng)化，片理化極發(fā)育，受構(gòu)造影響極嚴(yán)重，圍巖呈破碎狀，褶曲發(fā)育，圍巖軟硬不均，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體整體破碎，地下水不發(fā)育。DK838+560斷面掌子面揭露圍巖為變質(zhì)細(xì)砂巖夾片巖地層，灰黑色，弱風(fēng)化，薄層，節(jié)理、裂隙很發(fā)育，巖層結(jié)構(gòu)面不連續(xù)，局部地層呈現(xiàn)尖滅特征，掌子面局部小型褶曲發(fā)育，節(jié)理面間多見灰白色石英條帶充填；受構(gòu)造作用影響嚴(yán)重，變質(zhì)砂巖呈壓碎巖特征，片巖片理化發(fā)育，巖體整體較破碎，邊墻易片幫、收斂；地下水不發(fā)育，狀態(tài)分級為Ⅰ級。

3 支護結(jié)構(gòu)形態(tài)分析

3.1 圍巖壓力

圍巖壓力時程曲線如圖2；圍巖壓力穩(wěn)定值空間分布如圖3。

從圖2、3可看出：① 隧道開挖后圍巖壓力釋放較為明顯，對初期支護壓力也較大，圍巖有較為明顯的向洞內(nèi)擠壓趨勢；② 2個斷面受施工步影響，部分測點圍巖壓力存在波動特征，DK837+915斷面以施工步6(仰拱開挖支護、二襯及填充)影響最為明顯，該施工步下左右墻腳處壓力迅速增大至0.29、0.174 MPa，隨著掌子面繼續(xù)推進，應(yīng)力釋放，2個位置處壓力迅速回落。不同于DK837+915斷面，DK838+560斷面部分測點壓力波動性更強，不同施工步多次擾動影響，其中以下臺階開挖支護對拱頂、左右拱腳壓力影響最為明顯，拱頂壓力最大達(dá)到了0.467 MPa；③ 拱墻二襯施做后，各測點圍巖壓力測值趨于穩(wěn)定，但左墻中穩(wěn)定時間較其他測點要長。

總體而言，圍巖壓力穩(wěn)定后，DK837+915斷面左側(cè)圍巖壓力要大于右側(cè)圍巖壓力，最大出現(xiàn)在左墻中(0.167 MPa)，拱頂壓力較小；DK837+560斷面圍巖壓力整體要比DK837+915斷面要大，且左右較對稱，仰拱左墻腳處壓力最大，其次是拱頂處，分別達(dá)到0.234、0.183 MPa。對比圖3(a)、(b)可知：墻腳以上，DK837+560斷面圍巖壓力大于DK837+915斷面；墻腳以下，DK837+560斷面要稍小于DK837+915斷面。

圖2 圍巖壓力時程曲線Fig. 2 Time history curve of surrounding rock pressure

圖3 圍巖壓力穩(wěn)定值分布Fig. 3 Distribution of stable value of surrounding rock pressure

3.2 鋼架應(yīng)力

鋼架應(yīng)力時程曲線如圖4；鋼架應(yīng)力穩(wěn)定值空間分布如圖5。

從圖4、5可知(負(fù)號表示受拉，正號表示受壓)：① DK837+915斷面右拱腰處鋼架應(yīng)力在施工步3(中臺階左側(cè)開挖支護)開始后迅速上升至400 MPa左右，但表面應(yīng)變計被破壞，無法量測該位置后期受力情況。左拱腰、右墻中位置鋼架處基本一直處于受拉狀態(tài)，且隨時間發(fā)展呈“S”型，穩(wěn)定值在-300 MPa左右。右拱腳處鋼架受施工步6影響最為明顯，該施工步下，鋼架受拉迅速轉(zhuǎn)為受壓。其他位置處鋼架應(yīng)力表現(xiàn)為緩慢增長至穩(wěn)定；②與DK837+915斷面類似，右拱腳出鋼架受下臺階開挖步影響大，該臺階開挖后迅速接近600 MPa并趨于穩(wěn)定；右拱腰處初期存在波動變化，在拱墻二次襯砌施做后變化也較為明顯，升至445 MPa左右后趨于穩(wěn)定。其他位置表現(xiàn)為緩慢增長至穩(wěn)定；③ 2個斷面各測點在拱墻二次襯砌施做后不久基本就處于穩(wěn)定狀態(tài)。

整體而言，鋼架應(yīng)力隨時間發(fā)展基本按照“急劇增大→增大放緩→趨于穩(wěn)定”的變化過程，即鋼架應(yīng)力在支護后即開始顯著增大，隨著變形穩(wěn)定，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，鋼架總體都處于受壓狀態(tài)。DK837+915斷面左拱腰、右拱腳及右墻中處鋼架應(yīng)力大，受力均勻性一般；DK838+560斷面拱頂、左拱腳處鋼架壓力遠(yuǎn)大于其他位置，分別達(dá)到252、215.4 MPa，鋼架受力非常不均勻。故在施工中，應(yīng)注意左拱腳至拱頂?shù)姆€(wěn)定。對比圖5(a)、(b)可知：墻腳以上，DK837+560斷面鋼架應(yīng)力大于DK837+915斷面；墻腳以下，DK837+560斷面要稍小于DK837+915斷面。

圖4 鋼架應(yīng)力時程曲線Fig. 4 Time history curve of steel frame stress

圖5 鋼架應(yīng)力穩(wěn)定值分布Fig. 5 Distribution of stable value of steel frame stress

3.3 初支混凝土應(yīng)力

在初期支護混凝土中埋設(shè)混凝土應(yīng)變計，量測混凝土應(yīng)變，再以單向應(yīng)變按胡克定律估算得到混凝土應(yīng)力，由此判斷初支的安全性。朱家山隧道初支噴射混凝土采用C25，彈性模量為28 GPa，軸線抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為16.7 MPa，設(shè)計值為11.9 MPa；軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1.78 MPa，設(shè)計值為1.27 MPa。初支混凝土應(yīng)力時程曲線如圖6；混凝土應(yīng)力穩(wěn)定值空間分布如圖7。

由圖6、7可看出：① DK837+915斷面左拱腰處應(yīng)力在施工步1(上臺階開挖支護步)工作面推進中迅速增大，在后續(xù)施工步中在0.75 MPa范圍內(nèi)波動。右拱腳應(yīng)力在量測初期迅速增大，施工步4(下臺階左側(cè)開挖支護)中變化不大，但下臺階右側(cè)開挖后再次增大，直到施工步6(仰拱開挖支護、二襯及填充)后回落并趨于穩(wěn)定。其他位置應(yīng)力隨時間發(fā)展存在“急劇增大→增大放緩→趨于穩(wěn)定”的演化過程，在這個過程中部分位置量測后一段時間內(nèi)表現(xiàn)為拉應(yīng)力，但均小于C25混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，略大約設(shè)計值；②與DK837+915斷面不同，DK838+560斷面各位置應(yīng)力隨時間發(fā)展過程可歸結(jié)為“臺階式增長→趨于穩(wěn)定”形式，其中穿插有部分施工步中的回落階段。右拱腳、右墻中位置在施工過程中一直保持拉應(yīng)力狀態(tài)，尤以右拱腳最為突出，施工中最大拉應(yīng)力超過了20 MPa，遠(yuǎn)大于抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值；③ 拱墻二襯施做后，2個斷面各測點初支混凝土應(yīng)力測值趨于穩(wěn)定，但仰拱穩(wěn)定時間較其他測點要長。

總體來看，二襯混凝土應(yīng)力最大值出現(xiàn)在仰拱底部，分別為22.379、28.681 MPa，均超過C25混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值；噴混凝土另一個受力特征是出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力區(qū)，DK837+915、DK838+560斷面分別主要集中于圍巖壓力較大的左墻中和右拱腳位置；其中：DK838+560斷面右拱腳位置初支混凝土拉應(yīng)力達(dá)到了12.052 MPa，遠(yuǎn)大于C25混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。在施工過程中右噴混凝土開裂掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，側(cè)拱部和邊墻多次發(fā)生小坍塌，可考慮修改初期支護設(shè)計參數(shù)，如增大噴射混凝土厚度、改變型鋼型式或布置間距等措施。

圖6 初支混凝土應(yīng)力時程曲線Fig. 6 Time history curve of the initial support concrete stress

圖7 初支混凝土應(yīng)力穩(wěn)定值分布Fig. 7 Distribution of stable value of the initial support concrete stress

3.4 初支與二襯接觸壓力

初支與二襯接觸壓力時程曲線如圖8；壓力穩(wěn)定值沿隧道襯砌空間分布如圖9。

由圖8、9可知：初支與二襯接觸壓力的分布規(guī)律不同于圍巖壓力和鋼架應(yīng)力：① 二襯施做后，2個斷面多個位置(DK837+915斷面拱頂及左右墻中和DK838+560斷面的拱頂、左墻中及右拱腰拱腳)的壓力迅速升高至最大值，然后隨著二襯結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強度及拱頂上方圍巖壓力重分布后逐漸降低并趨于平穩(wěn)。其中拱頂處壓力最大值明顯大于其他位置的壓力最大值，其數(shù)值分別達(dá)到了1.367、1.124 MPa；② DK837+915 斷面右拱腰、DK838+560斷面左拱腰處壓力發(fā)展趨勢與前幾個位置類似，先增大再降低至穩(wěn)定，但最大值小于0.3 MPa；③ 除上述位置外，其他位置均是施做二襯后緩慢增長至平穩(wěn)，且壓力均在0.2 MPa內(nèi)變化。

圖8 初支與二襯接觸壓力時程曲線Fig. 8 Time history curve of contact pressure between primary and inner lining

整體來看，DK837+915斷面初支與二襯接觸壓力測值穩(wěn)定后，右側(cè)明顯大于左側(cè)，說明隧道處于偏壓狀態(tài)；DK838+560斷面拱腳以上左側(cè)壓力大于右側(cè)，拱腳以下右側(cè)壓力大于左側(cè)，隧道同樣處于偏壓狀態(tài)。在二襯施做后，各測點壓力急劇增大，這可能與DK837+915斷面砂巖夾千枚巖遇水泥化和DK838+560斷面砂巖夾泥遇水軟化有關(guān)，且壓力存在一定的波動，但各測點測值最終都趨于平穩(wěn)。對比圖9(a)、(b)可知：墻腳以上，DK837+560斷面初支與二襯接觸壓力大于DK837+915斷面；墻腳以下，DK837+560斷面要稍小于DK837+915斷面。

圖9 初支與二襯接觸壓力穩(wěn)定值分布Fig. 9 Distribution of stable value ofcontact pressure betweenprimary and inner lining

3.5 二襯混凝土應(yīng)力

在二次襯砌中埋設(shè)混凝土應(yīng)變計，量測混凝土應(yīng)變，再以單向應(yīng)變按胡克定律估算得到混凝土應(yīng)力，由此判斷二次襯砌的安全性。朱家山隧道二次襯砌按照環(huán)境等級H1、H2分別采用C35、C40混凝土，試驗斷面均采用C35，彈性模量為31.5 GPa，軸線抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為23.4 MPa，設(shè)計值為16.7 MPa；軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為2.2 MPa，設(shè)計值為1.57 MPa。二襯混凝土應(yīng)力時程曲線如圖10；應(yīng)力穩(wěn)定值沿隧道襯砌空間分布如圖11。

由圖10可知：① 2個斷面各測點二襯混凝土應(yīng)力隨時間發(fā)展趨勢基本一致，變化過程均可劃分為快速階段、過渡階段和緩慢及穩(wěn)定階段，快速階段應(yīng)力以較大速率增大，緩慢及穩(wěn)定階段應(yīng)力則以小幅度增大最終趨于穩(wěn)定。其中快速段持續(xù)時間分別為 3～4 d，應(yīng)力變化量約占最終穩(wěn)定值的1/2，過渡段持續(xù)時間為5～6 d；②除個別測點應(yīng)力曲線存在交叉現(xiàn)象外，其他測點應(yīng)力增長為同步狀態(tài)，說明二襯施做后，混凝土應(yīng)力分布形式變化不大，受力狀態(tài)較為單一；③ DK837+915斷面拱頂、左右拱腳及右墻中位置應(yīng)力初期出現(xiàn)負(fù)值(拉應(yīng)力)，除右拱腳處經(jīng)過7 d應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，其他3處短時間內(nèi)應(yīng)力由拉轉(zhuǎn)壓，且各位置拉應(yīng)力最大不超過0.5 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值。

總體來看，2個斷面二襯混凝土應(yīng)力測值穩(wěn)定后二襯處于偏壓狀態(tài)，左墻角至拱頂應(yīng)力大于右墻角至拱頂應(yīng)力。由圖10可知：二襯混凝土應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱頂，分別為20.16、36.54 MPa，前者接近C35混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，后者則超過，兩者均超過了設(shè)計值，故施工中應(yīng)適當(dāng)提高混凝土強度。對比圖11(a)、(b)可知：墻腳以上，DK837+560斷面二襯混凝土應(yīng)力大于DK837+915斷面；墻腳以下兩個斷面差異不大。

圖11 二襯混凝土應(yīng)力穩(wěn)定值分布Fig. 11 Distribution of stable value of second lining concrete stress

4 結(jié) 論

1)Vb級圍巖地質(zhì)條件較差，圍巖壓力整體比IVb級圍巖要大，但沿隧道斷面分布均勻性要比IVb級圍巖好，IVb級圍巖左側(cè)圍巖壓力大于右側(cè)。

2)鋼架整體都處于受壓狀態(tài)，Vb、IVb級圍巖斷面鋼架受力沿隧道斷面分布不均。且Vb級別圍巖斷面不均更為明顯，拱頂及左拱腳處鋼架應(yīng)力超過200 MPa，施工中需密切注意。

3)兩類圍巖初支混凝土應(yīng)力沿隧道斷面分布不均，Vb圍巖右拱腳和IVb部分位置在施工過程中表現(xiàn)為拉應(yīng)力。此外，這2類圍巖仰拱處應(yīng)力較其他位置大很多，超過容許值，需對初支混凝土參數(shù)進行加強設(shè)計。

4)不同圍巖條件下隧道支護受力特征有著一定差異，Vb圍巖較IVb圍巖要差，導(dǎo)致隧道墻腳以上支護體力受力明顯大于IVb圍巖，而墻腳以下，這2類圍巖差異不大，其中圍巖條件稍好下，圍巖壓力、鋼架應(yīng)力及初期支護與二襯接觸壓力略大。

5)從初支與二襯接觸壓力可看出，二襯施做后，部分位置壓力迅速增大后減小，說明隧道處于斷層破碎帶承載降低的問題得到了改善，但存在一定偏壓情況。

6)二襯混凝土應(yīng)力沿隧道斷面分布不均。拱頂、右拱腰及右墻中應(yīng)力較大，尤其是拱頂處應(yīng)力最大，超過混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，施工中應(yīng)特別注意。

7)綜合分析各項量測結(jié)果可知，朱家山隧道所測定斷面的圍巖雖已呈現(xiàn)穩(wěn)定和收斂趨勢，但部分位置鋼架和混凝土受力過大，甚至超過了容許值，故需在隧道設(shè)計參數(shù)和施工方案上采取措施，如增強支護剛度、增設(shè)臨時支撐及優(yōu)化三臺階開挖為CRD法開挖等，從而控制隧道變形及受力狀態(tài)。