大斷面泥砂巖隧道圍巖變形與支護作用探究

李永康 杜耀輝 席康力 范長海 陳志敏,3

（1.中鐵七局集團路橋工程有限公司，陜西 寶雞 721000；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

一、工程概況

黑莊坪隧道位于甘肅省定西市秦祁鄉(xiāng)境內(nèi)，左線長度1710.2m，最大埋深為175m。洞身主要穿越V級軟弱泥砂巖層。

二、現(xiàn)場測試點布置

埋深最大處的YK36+580.0里程為監(jiān)測斷面，在斷面拱頂、拱腰、拱腳處埋設(shè)應(yīng)力和應(yīng)變測試原件。

（一）隧道凈空變化

全站儀監(jiān)測隧道斷面各測點坐標(biāo)，計算拱頂高程及其凈空變化，測點布置如圖1所示。

（二）圍巖壓力與兩支護間壓力

通過振弦式雙膜土壓力盒、傳感器測量圍巖壓力、支護結(jié)構(gòu)間的壓力，各測點布置如圖1所示。

圖1 凈空變化測點布置圖

（三）混凝土應(yīng)力

通過混凝土應(yīng)變計測量二襯和仰拱回填混凝土應(yīng)力。每個斷面布置5個測點，每個測點布設(shè)1個噴射混凝土表面應(yīng)變計，具體如圖2所示。

圖2 噴混凝土與二襯應(yīng)力測點布置圖

（四）錨桿軸力

采用振弦式鋼筋計測量錨桿應(yīng)力，每個斷面設(shè)4個測孔，每個測孔內(nèi)設(shè)3個測點，測孔編號為B-1、2、3。鋼筋計編號為B-11、B-12、B-13，具體如圖3所示。

圖3 錨桿軸力監(jiān)測點布置圖

三、監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)分析

（一）隧道凈空變化

1.斷面拱頂沉降

由圖4可知，在開挖初期1d～4d，拱頂沉降顯著，達15.1mm。掌子面通過測點施做初支后，拱頂沉降略顯緩和。在后期圍巖成拱效應(yīng)作用下，拱頂圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，達到最大值35.8mm。

圖4 拱頂沉降曲線

2.隧道凈空變化

由圖5可知，上測線處拱墻對開挖擾動的敏感性更大。在初期開挖時，上測線收斂曲線斜率最大。其收斂穩(wěn)定值為27.4mm，下測線收斂變形值為10.8mm。因此，重點控制上測線部位圍巖變形。

圖5 隧道凈空變化曲線

（二）圍巖-支護接觸壓力

由圖6可知，初支與圍巖間的接觸壓力在開挖5d～6d后基本穩(wěn)定。其接觸壓力在拱頂處達到最值，為108.22kPa，左拱腰處為88.58kPa，右拱腰處為86.57kPa，左拱腳處93.17kPa，右拱腳處為102.89kPa，拱底為37.58kPa。

圖6 初支—圍巖接觸壓力曲線

由圖7可知，初支與二襯間的接觸壓力在開挖5d～6d后基本穩(wěn)定；拱頂處最大值為66.28kPa，左拱腰處最大值為55.99kPa，右拱腰處最大值為53.42kPa，左拱腳處最大值為63.78kPa，右拱腳處最大值為78.98kPa，拱底最大值為38.06kPa。

圖7 二襯—圍巖壓力曲線

（三）錨桿軸力

由圖8可知，錨桿軸力隨著開挖面的持續(xù)推進逐漸增大；拱頂部位錨桿首先發(fā)揮控制變形作用；錨桿軸力初期增加速率較大，隨著支護結(jié)構(gòu)的施加，在“支護+錨桿”的聯(lián)合加強作用下，圍巖變形速率逐漸緩慢，體現(xiàn)在錨桿軸力曲線上。在開挖后的30d左右，錨桿產(chǎn)生軸力并趨于穩(wěn)定。

圖8 錨桿2m處軸力曲線

四、各結(jié)構(gòu)層變形

由圖9可知，初支混凝土的應(yīng)變在隧道開挖5d左右基本穩(wěn)定。拱腳處混凝土應(yīng)變最大，為126.96μξ、119.24μξ，拱頂次之，其應(yīng)變值為96.36μξ。

圖9 初支混凝土應(yīng)變曲線

由圖10可知，斷面拱腳處二襯混凝土應(yīng)變最大，最大值為67.38μξ，拱頂次之，其應(yīng)變值為34.58μξ，拱腰與拱底位置的應(yīng)變值相差不大，分別為40.93μξ、19.39μξ和42.39μξ。

圖10 二襯混凝土應(yīng)變曲線

五、結(jié)語

掌子面開挖至監(jiān)測斷面時，拱頂發(fā)生顯著沉降。拱墻逐漸產(chǎn)生收斂變形，引發(fā)洞室凈空面積急劇減小，上測線部位收斂變形速率更加劇烈。

泥砂巖變形特征影響支護結(jié)構(gòu)與錨桿系統(tǒng)的力學(xué)性能。掌子面穿過監(jiān)測斷面后，初支、二襯的拱頂、拱墻處接觸應(yīng)力同步發(fā)育，拱腳應(yīng)力有所滯后。支護可有效控制泥砂巖變形。

影響錨桿系統(tǒng)在上拱腰部位呈受拉狀態(tài)，拱腳部位呈受壓狀態(tài)；左右側(cè)錨桿軸力關(guān)于隧道中心軸線對稱分布；錨桿軸力與其埋深呈定性關(guān)系。