白堊系全風(fēng)化紅砂巖深埋隧道初期支護(hù)受力特性與荷載模式

夏 勇

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

蒙華鐵路是目前國內(nèi)一次建成的最長重載貨運(yùn)鐵路，陽城隧道作為蒙華鐵路控制性工程之一，地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越大量紅砂巖地層，其遇水易崩解軟化、水穩(wěn)性極差，因此支護(hù)、降水措施稍不到位，極易出現(xiàn)諸如襯砌開裂、初期支護(hù)大變形等問題。

圍巖壓力與初期支護(hù)受力特性已有部分學(xué)者研究。文獻(xiàn)［1-3］總結(jié)歸納了現(xiàn)行主流圍巖壓力計(jì)算方法，并給出了相應(yīng)的適用范圍；文獻(xiàn)［4-7］針對不同地質(zhì)情況，通過現(xiàn)場監(jiān)測得到隧道圍巖壓力與初期支護(hù)的力學(xué)特性；文獻(xiàn)［8-10］通過監(jiān)控量測、數(shù)值模擬等手段對不同地質(zhì)情況下隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制進(jìn)行了研究。但以往文獻(xiàn)針對隧道穿越局部富水紅砂巖地層的研究較少，因此本文以蒙華鐵路陽城隧道現(xiàn)場試驗(yàn)段為研究對象，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，將實(shí)測值與目前主流的3種不同圍巖壓力計(jì)算公式所得計(jì)算值進(jìn)行對比，探討適用于紅砂巖深埋隧道圍巖壓力的計(jì)算公式與分布模式。

1 工程概況

陽城隧道位于陜西省榆林市靖邊縣龍洲鄉(xiāng)雙城村附近，隧道全長7 108.25 m，最大埋深207 m。隧址區(qū)地形復(fù)雜，V 字形沖溝發(fā)育，呈樹枝狀分布，溝壑縱橫，沿線主要穿越白堊系全風(fēng)化紅砂巖和第四系砂土互層。選取DK245+301—DK245+331 段為現(xiàn)場試驗(yàn)段。試驗(yàn)段總長30 m，局部富水。埋深約120 m，洞身凈跨度11.6 m，凈高11.5 m。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析

考慮到全風(fēng)化紅砂巖在不同含水率下性質(zhì)差異較大，試驗(yàn)段共布設(shè)6個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)12個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)布設(shè)壓力盒、鋼筋計(jì)等。各監(jiān)測斷面圍巖壓力分布見圖1。

圖1 各監(jiān)測斷面圍巖壓力分布（單位：kPa）

由圖1 可知：①紅砂巖的含水率對圍巖壓力影響較大，富水區(qū)域圍巖壓力大。監(jiān)測斷面DK245+301 與DK245+313 由于全風(fēng)化紅砂巖地層上部富水，巖性較差，圍巖無自穩(wěn)能力，因此拱頂處圍巖壓力較大；監(jiān)測斷面DK245+319—DK245+331 段由于隧道右側(cè)富水，導(dǎo)致兩側(cè)圍巖壓力不對稱，左拱肩、左拱腰以及右拱腳處圍巖壓力較大，出現(xiàn)明顯偏壓現(xiàn)象。②各監(jiān)測斷面拱腰（70°～90°）處圍巖壓力相對較小。可能是采用超前深孔真空降水時(shí)中臺階處出現(xiàn)明顯溜砂現(xiàn)象，導(dǎo)致中臺階處圍巖不密實(shí)或部分脫空。

3 圍巖壓力計(jì)算方法

3.1 計(jì)算參數(shù)的確定

為全面研究圍巖的工程特性，在陽城隧道試驗(yàn)段6 個(gè)監(jiān)測斷面分別取土進(jìn)行了顆粒密度試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。所得物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 全風(fēng)化紅砂巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算方法的確定

深埋隧道圍巖壓力計(jì)算主要依據(jù)普氏理論、太沙基理論、TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦方法以及卡柯公式。由于采用卡柯公式計(jì)算時(shí)要用到塑性松動(dòng)壓力，而塑性圈半徑難以測得，不確定性較大，因而不予考慮。

將表1 中數(shù)據(jù)以及斷面設(shè)計(jì)參數(shù)代入3 種理論圍巖壓力計(jì)算公式，得到理論計(jì)算值。先將實(shí)測圍巖壓力最大值分解為豎向圍巖壓力和水平圍巖壓力，然后將其與理論計(jì)算值進(jìn)行對比，見表2?？芍翰捎肨B 10003—2016 推薦的計(jì)算方法所得的豎向圍巖壓力與實(shí)測最大值偏差太大；普氏理論、太沙基理論的計(jì)算值與實(shí)測最大值偏差幅度接近，但綜合豎向與水平圍巖壓力來看，太沙基理論更為接近。因此，依據(jù)太沙基理論計(jì)算全風(fēng)化紅砂巖深埋隧道圍巖壓力。

表2 圍巖壓力理論值與實(shí)測最大值對比

4 圍巖壓力分布規(guī)律

4.1 豎向圍巖壓力分布

取6個(gè)監(jiān)測斷面各測點(diǎn)實(shí)測豎向圍巖壓力的平均值，并以拱頂處豎向圍巖壓力平均值作為基準(zhǔn)值，計(jì)算得出豎向圍巖壓力在不同測點(diǎn)的分布比例（某點(diǎn)位豎向圍巖壓力平均值/拱頂豎向圍巖壓力平均值），見表3。

表3 各測點(diǎn)豎向圍巖壓力平均值及分布比例

由表3可知：隧道拱頂至左右30°范圍內(nèi)豎向圍巖壓力平均值較大，到拱肩時(shí)豎向圍巖壓力達(dá)到最大值，此后逐漸減小，左右80°處豎向圍巖壓力平均值較小，分布比例趨近于0。

依據(jù)表3中分布比例，考慮安全余量，得到深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道豎向圍巖壓力分布見圖2。該圖式對稱于隧道中心線，拱頂處豎向圍巖壓力為依據(jù)太沙基理論計(jì)算得到的豎向圍巖壓力q，左右30°處取1.2q ～1.4q，左右60°～ 90°取0.4q ～0.6q，呈山峰狀。

圖2 深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道豎向圍巖壓力分布

4.2 水平圍巖壓力分布

取6個(gè)監(jiān)測斷面各測點(diǎn)實(shí)測水平圍巖壓力的平均值，并以左右30°處水平圍巖壓力平均值作為基準(zhǔn)值，計(jì)算得出水平圍巖壓力在不同測點(diǎn)的分布比例（某點(diǎn)位水平圍巖壓力平均值/左右30°處水平圍巖壓力平均值），見表4。

表4 各測點(diǎn)水平圍巖壓力均值及分布比例

由表4可知：隧道水平圍巖壓力呈上小下大趨勢，隧道左右30° ～110°水平圍巖壓力分布較為均勻，從左右110°～135°水平圍巖壓力逐漸增大。

依據(jù)表4中分布比例，考慮安全余量，得到深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道水平圍巖壓力分布見圖3。以依據(jù)太沙基理論計(jì)算得到的水平圍巖壓力e為基準(zhǔn)，拱頂至左右 110°水平圍巖壓力取 1.0e～1.2e，左右 110°～135°呈線性遞增，左右135°至仰拱水平圍巖壓力取1.5e～1.8e。

圖3 深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道水平圍巖壓力分布

5 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算

現(xiàn)行鐵路隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算一般采用TB 10003—2016 中推薦的計(jì)算方法。通過ANSYS 軟件，建立荷載-結(jié)構(gòu)模型，圍巖壓力分別采用本文給出的深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道計(jì)算方法與規(guī)范推薦的方法進(jìn)行計(jì)算。

初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)：彈性模量31.55 GPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3。

初期支護(hù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見圖4?？芍?種計(jì)算方法所得到的初期支護(hù)內(nèi)力分布基本一致，但本文給出的計(jì)算方法所得內(nèi)力較規(guī)范推薦方法所得內(nèi)力大，彎矩最大值出現(xiàn)在左右60°、左右135°，是初期支護(hù)的薄弱點(diǎn)。這與現(xiàn)場實(shí)際情況相吻合。

圖4 初期支護(hù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

2 種計(jì)算方法所得的隧道初期支護(hù)安全系數(shù)對比見表5。可知：2種方法所得的安全系數(shù)最大值均出現(xiàn)在左右兩側(cè)30°（拱肩），而拱頂、拱腰（左右60°）、拱腳（左右135°）、仰拱的安全系數(shù)都較??；本文給出的計(jì)算方法所得安全系數(shù)較規(guī)范推薦計(jì)算方法小。此時(shí)安全系數(shù)若能滿足要求，則規(guī)范推薦計(jì)算方法必定也能滿足要求?？紤]到紅砂巖地層物理性質(zhì)較差，屬于Ⅵ級圍巖。因此，從偏保守考慮，建議初期支護(hù)采用本文推薦的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表5 安全系數(shù)對比

6 結(jié)論

1）含水率對深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道圍巖壓力影響顯著。在局部富水或真空降水不完全區(qū)域圍巖壓力較大，使得圍巖壓力分布不均勻，最大值出現(xiàn)位置不確定。

2）深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道圍巖壓力計(jì)算推薦采用太沙基理論計(jì)算公式。依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)給出了深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道圍巖壓力分布計(jì)算方法。豎向圍巖壓力呈中間小、兩頭大分布，兩頭峰值壓力1.2q～1.4q。水平圍巖壓力呈上部小、下部大分布，左右110°以上部位取1.0e～1.2e，左右135°至仰拱取1.5e～1.8e。

3）本文給出的深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道圍巖壓力計(jì)算方法相比規(guī)范推薦的計(jì)算方法所得的初期支護(hù)安全系數(shù)更小?？紤]到紅砂巖地層的物理性質(zhì)較差，建議采用本文給出的計(jì)算方法設(shè)計(jì)。