既有公路擴(kuò)挖隧道初支、二襯受力特性研究

謝支鋼， 鄒大成， 楊 俊， 丁雪菲， 梁 勇

(1.宜昌市夷陵區(qū)公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心 湖北 宜昌 443100；2.三峽大學(xué) 湖北 宜昌 443002)

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，原有隧道已不能適應(yīng)交通量日益增長的需求。由于運輸機(jī)械的大型化和原有隧道的老舊化，并且其中一些舊隧道局部掉塊、滲水情況嚴(yán)重，已不能滿足交通運輸需求，這就需要將既有公路隧道擴(kuò)挖為更大斷面隧道。關(guān)于既有隧道擴(kuò)挖技術(shù)的研究，國內(nèi)外雖有涉及，但文獻(xiàn)不多，在既有隧道二次襯砌的設(shè)計和施工過程中還有許多問題需要解決，因此開展既有公路擴(kuò)挖隧道初支、二襯受力特性的研究具有重要意義。

學(xué)者們開展了一系列研究，如張成良[1]利用監(jiān)控測量數(shù)據(jù)反演分析中獲得的蠕變參數(shù)，研究軟巖大斷面隧道巖體的變形規(guī)律和支護(hù)時機(jī)之間的關(guān)系；伍超[2]研究了室內(nèi)模擬隧道在運營過程中承受的圍巖壓力，得到了大斷面公路隧道二次襯砌受力、變形及破壞規(guī)律。劉國慶[3]對蘭渝鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道的受力變形特點及二次襯砌的施作時機(jī)進(jìn)行了研究分析，提出了具體建議，并對其安全性進(jìn)行了模擬計算。房倩[4]對鐵路隧道不同級別圍巖條件下初支、二襯間的接觸壓力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，認(rèn)為二襯所受的荷載是初支傳遞過來的圍巖形變壓力。

然而這些研究多是針對新建隧道的初支與二次襯砌的受力特性分析，對于既有隧道的擴(kuò)挖施工不一定適用。因為既有隧道擴(kuò)挖與新建隧道擴(kuò)挖的邊界條件不同。既有隧道擴(kuò)挖是在圍巖應(yīng)力釋放到一定程度后進(jìn)行的，在此之前，圍巖已完成了蠕變變形，對外力的抵抗作用減小。相關(guān)施工研究成果中無成熟的設(shè)計方法和隧道擴(kuò)挖施工技術(shù)，理論研究也較少涉及，既有隧道擴(kuò)挖的二次襯砌支護(hù)設(shè)計和二次襯砌澆筑的施工時機(jī)沒有成熟的理論和方法可以借鑒。為了研究既有公路擴(kuò)挖隧道的初支、二襯受力特性[5]，本文以木魚槽隧道為例，以監(jiān)控數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用“荷載結(jié)構(gòu)法”進(jìn)行建模，分析出在Ⅲ級圍巖中，隧道初支和二襯的受力特性，為今后的既有公路隧道擴(kuò)挖的二次襯砌支護(hù)參數(shù)設(shè)計及二次襯砌施工的施作時機(jī)提供參考。

1 工程概況

宜昌市夷陵區(qū)木魚槽隧道、天柱山隧道和黃山洞隧道擴(kuò)挖改造工程，位于宜巴公路。其中木魚槽隧道全長556.5 m，最大埋深約120 m。隧道洞內(nèi)路面及邊溝破損嚴(yán)重，靠近出口段路面潮濕，基巖裂隙水發(fā)育，襯砌有滴水現(xiàn)象。隧道工程區(qū)地層區(qū)劃隸屬揚子地層區(qū)，主要為元古界震旦系上統(tǒng)燈影組(Z2dn)地層，為一套厚度較大的碳酸鹽巖系，上部為灰白色中-厚層狀微-細(xì)-中晶白云巖，下部為灰黑色厚層狀硅質(zhì)灰?guī)r，與下伏陡山沱組呈整合接觸，節(jié)理裂隙較發(fā)育，可見溶槽、溶蝕裂隙。區(qū)內(nèi)雨量充沛，給地下水的儲存創(chuàng)造了有利條件，地下水的活動對巖土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，使其穩(wěn)定性降低，進(jìn)而造成各種地質(zhì)災(zāi)害及環(huán)境地質(zhì)問題。夷陵區(qū)木魚槽隧道地區(qū)的地下水類型主要是第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水，工程區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育。隧道穿越地段圍巖級別為III～I(xiàn)V，洞口段為典型的淺埋偏壓地段，地質(zhì)條件較復(fù)雜。另外，木魚槽隧道改造過程中，既有襯砌結(jié)構(gòu)的破除和巖體開挖仍采用鉆爆法，爆破振動對圍巖的擾動較大。

2 現(xiàn)場監(jiān)控量測

2.1 初支與二次襯砌接觸壓力測點布置

木魚槽隧道現(xiàn)場初支與二次襯砌接觸壓力監(jiān)控量測儀器采用常州市巖泰傳感器公司的振弦式土壓力計，該壓力計的計算范圍為0～2.0 MPa，使用范圍為-25 ℃～60 ℃，防滲水壓力為0.5 MPa，讀數(shù)儀器采用振弦式讀數(shù)儀[6-8]。

初支與二襯接觸壓力的計算公式為[9，10]

P=K(fi2-fo2)

(1)

式中：K為標(biāo)定系數(shù)(kpa/Hz2)；P為接觸壓力(kpa)；fi為本次讀數(shù)(Hz)；fo為初始讀數(shù)(Hz)。

在木魚槽隧道K27+281的橫斷面上布置5個壓力盒，木魚槽隧道現(xiàn)場量測點布置如圖1所示。

圖1 木魚槽隧道初支與二次襯砌接觸壓力測點布置

由于壓力盒緊貼Eva防水板，所以可以認(rèn)為壓力盒的讀數(shù)即為初支與二次襯砌接觸壓力。

2.2 初支與二襯接觸壓力數(shù)據(jù)分析

木魚槽隧道采用新奧法進(jìn)行全斷面擴(kuò)挖施工，在完成初噴、錨桿支護(hù)、立鋼拱架、復(fù)噴這些步驟后，隨后進(jìn)行二次襯砌的澆筑施工。根據(jù)圖1在監(jiān)控斷面上埋設(shè)振弦式壓力盒進(jìn)行監(jiān)控量測。實時測量出二次襯砌的受力情況，以此來指導(dǎo)施工二次襯砌最佳時機(jī)[10]。

現(xiàn)場量測木魚槽隧道K27+281斷面的初支與二次襯砌接觸壓力隨時間變化如圖2所示。

圖2 木魚槽隧道初支與二次襯砌接觸壓力數(shù)據(jù)

通過對木魚槽隧道K27+281斷面不同位置的接觸壓力測量結(jié)果，我們可以得出：

(1)初支與二次襯砌接觸壓力在支模后總體呈現(xiàn)迅速增加的趨勢，在第二天拆模后接觸壓力迅速減小，隨后逐漸緩慢增加，最終趨于平緩。

(2)左側(cè)接觸壓力大于右側(cè)接觸壓力，邊墻處接觸壓力均大于拱頂處、拱腰處接觸壓力，接觸壓力最小值出現(xiàn)在拱頂部位。

(3)拱腰處接觸應(yīng)力在支模和拆模后應(yīng)力變化幅度最大，其接觸應(yīng)力在支模后達(dá)到了250 kpa,拆模后應(yīng)力降到30 kpa，變化了幾乎220 kpa；拱頂處應(yīng)力變化幅度較小。

2.3 初支與二次襯砌接觸壓力機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)場實測的初支與二次襯砌接觸壓力，將25天后穩(wěn)定的接觸壓力沿環(huán)向分布，畫出其在隧道掌子面上的分布情況示意圖(如圖3所示)。

圖3 木魚槽隧道初支與二次襯砌接觸壓力分布(單位：kpa)

初期支護(hù)與二次襯砌接觸壓力在初期呈現(xiàn)迅速增加趨勢，其原因是混凝土發(fā)生水化反應(yīng)，混凝土剛度迅速增加，接觸壓力也迅速增加。隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，在拆模前其接觸壓力達(dá)到最大值，此時二次襯砌處于復(fù)雜的三向受力狀態(tài)。將二次襯砌臺車撤走后，二次襯砌處于單向受力狀態(tài)[11]，二襯臺車不再提供支反力，接觸壓力迅速減小。隨著支反力的移除，由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)來承受圍巖的重分布應(yīng)力，由于巖石的蠕變性質(zhì)，隨著時間的推移巖石緩慢變形，因此接觸壓力緩慢增加并趨于穩(wěn)定。

隧道左側(cè)部分的接觸壓力普遍大于隧道右側(cè)的接觸壓力，這與隧道的地質(zhì)構(gòu)造是密不可分的。并且邊墻處的接觸壓力大于拱腰處的接觸壓力大于拱頂處的接觸壓力，這是由于對于隧道襯砌而言，拱形結(jié)構(gòu)承受荷載作用時，最大壓力出現(xiàn)拱腳處，這與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)規(guī)律是吻合的。

3 既有公路隧道的計算模型

3.1 計算模型簡化

基于2D隧道襯砌荷載結(jié)構(gòu)法，將監(jiān)控量測得到的徑向的接觸壓力作為襯砌荷載，采用Midas GTS NX進(jìn)行二次襯砌的彎矩和軸力的計算。

在建模計算中的二次襯砌采用1D梁單元，初支與襯砌之間節(jié)點采用曲面彈簧連接，且曲面彈簧為非線性結(jié)構(gòu)，假定曲面彈簧處于圍巖與襯砌之間僅受壓，若結(jié)構(gòu)處于受拉時，認(rèn)為圍巖與襯砌分離，無接觸壓力，后處理中求解類型為非線性靜力分析。

3.2 物理力學(xué)參數(shù)

二次襯砌為C30素混凝土澆筑而成，二次襯砌相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

表1 二次襯砌的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場勘測及室內(nèi)試驗結(jié)果，木魚槽隧道K27+281斷面周圍巖體為白云巖，其巖石物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 巖石物理力學(xué)指標(biāo)

3.3 規(guī)范計算荷載作用下計算模型

根據(jù)規(guī)范[12]，III級圍巖計算荷載的公式為

q=0.45×26-sγω

(2)

ω=1+i(B-5)

(3)

e=0.15q

(4)

式中：q為垂直土壓力；r為圍巖重度；s為圍巖等級；w為隧道寬度影響系數(shù)；e為水平土壓力。

在木魚槽隧道K27+281斷面的巖體為白云巖，重度取γ=24 kN/m3，圍巖等級取s=3，最終計算q=117.504 kPa，e=17.625 kPa。木魚槽隧道計算模型如圖4所示[13]。

圖4 木魚槽隧道計算荷載模型

3.4 實測荷載作用下計算模型

采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行Midas GTS NX建立模計算，將實測值作為二次襯砌受到的壓力，建立的模型如圖5所示。

圖5 木魚槽隧道實測荷載模型

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

分別在計算荷載和實測荷載作用下木魚槽隧道的二次襯砌的彎矩和軸力如圖6至圖9所示。

圖6 木魚槽隧道計算荷載軸力圖

圖7 木魚槽隧道計算荷載彎矩圖

圖8 木魚槽隧道實測荷載軸力圖

圖9 木魚槽隧道實測荷載彎矩圖

根據(jù)圖6至圖9中的數(shù)據(jù)，通過對比可知實際荷載作用下的二襯應(yīng)力和計算荷載作用下的二襯應(yīng)力之間存在一定差距，這是由于在理論計算中太過于理想化，而在工程實際中存在各種因素影響，造成兩種荷載作用下的二襯內(nèi)力有誤差；另外在計算荷載作用下的彎矩最大值出現(xiàn)在拱頂處，這和實測情況有所區(qū)別，在實際情況下往往出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位附近；由圖9可知，在實測荷載作用下，在右側(cè)邊墻和右側(cè)拱腰處彎矩值較大，并且二襯的彎矩和軸力均小于計算荷載作用下二襯的彎矩和軸力，這說明規(guī)范中對于深埋Ⅲ級圍巖的地層側(cè)壓力系數(shù)為0.15與實際隧道擴(kuò)挖工程有較大的誤差；在實際荷載作用下右拱腰和右邊墻處的彎矩值較大，可能會造成襯砌的局部開裂，因此可對局部進(jìn)行加筋補強(qiáng)或適當(dāng)增加預(yù)留變形量，提高二次襯砌的安全儲備。

5 結(jié)論

(1)既有公路隧道的初期支護(hù)與二次襯砌接觸壓力在初期呈現(xiàn)迅速增加，在拆模前其接觸壓力達(dá)到最大值。在實際的隧道擴(kuò)挖施工過程中，需要重點關(guān)注拆模時二次襯砌的受力情況，拆模時緩慢逐步拆模，使應(yīng)力均勻釋放，防止裂縫產(chǎn)生。

(2)隧道擴(kuò)挖前應(yīng)力長期處于平衡狀態(tài)，擴(kuò)挖時爆破振動及施工擾動的情況下，后續(xù)隧道應(yīng)力重分布，但整個過程持續(xù)時間短、分布速度快，這一點和新擴(kuò)挖的隧道是完全不同的。意味著既有隧道的二次襯砌的施工相比于新擴(kuò)挖隧道可較早施工。

(3)實測荷載作用下整個隧道的受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計算荷載作用下的受力情況，這說明既有隧道的變形量遠(yuǎn)小于規(guī)范值，規(guī)范的設(shè)計往往偏安全。在實際的設(shè)計過程中，可將設(shè)計中預(yù)留5cm變形量適當(dāng)減小，使整個隧道襯砌處于受力較好的情況。規(guī)范中對于深埋III級圍巖的地層側(cè)壓力系數(shù)0.15與實際隧道擴(kuò)挖工程中有所區(qū)別，有一定的不合理性。

(4)實測荷載作用下二次襯砌結(jié)構(gòu)受力最不利的位置往往在局部位置，這與隧道的地質(zhì)情況、開挖方式有關(guān)，與規(guī)范中認(rèn)為拱頂處位置為二次襯砌最不利位置有所區(qū)別，在實際的施工過程中需要時刻控制超欠挖，避免隧道二次襯砌處于局部應(yīng)力集中。