基于現(xiàn)場圍巖壓力監(jiān)測的黃巖子隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價

趙文忠，侯哲生，王丙興，吳海衛(wèi)，江 磊

(1.河北省高速公路邢汾管理處，河北 邢臺054001;2.煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺264005)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施投入的不斷加強(qiáng)，高速公路隧道的建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展時期[1－3]。由于隧道工程圍巖狀況復(fù)雜多變，加之工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及施工方法的多樣性，通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場監(jiān)控量測，對圍巖類別、穩(wěn)定性進(jìn)行分析以確保經(jīng)濟(jì)、安全施工至關(guān)重要[4－7]。隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價在隧道施工，特別是長大隧道施工中具有重要意義，是指導(dǎo)施工方案、檢驗和修正隧道設(shè)計的重要依據(jù)[8－10]。對于這一問題，已有很多學(xué)者做過大量工作[11－13]，其中采用現(xiàn)場監(jiān)測的手段對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評價是隧道信息化施工的重要研究手段之一，如劉學(xué)增[6，14]基于50多條隧道實測數(shù)據(jù)探討圍巖隨時間的變形特征，岳廣學(xué)[11，15]對 70多條隧道的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到最大拱頂下沉的估算公式和概率分布。同時，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)也是反饋分析、優(yōu)化設(shè)計的主要參數(shù)。

邢汾高速公路邢臺至冀晉界段是邢臺市連接山西的唯一高速通道，其黃巖子隧道是全線隧道中的長隧道之一。該隧道為左右幅分離式布置，右幅長2 260 m(YK78+535～YK80+795)，左幅長2 383 m(ZK78+435～ZK80+818)，其襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價對全線隧道穩(wěn)定性分析具有重要意義?；诖耍愿倪M(jìn)的現(xiàn)場圍巖壓力監(jiān)測為主要手段，通過實測圍巖壓力與設(shè)計規(guī)范采用的圍巖壓力進(jìn)行比對，對該隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評價，以達(dá)到反饋設(shè)計、指導(dǎo)施工的目的，同時為隧道安全提供可靠信息。

1 監(jiān)測斷面壓力傳感器布置

本圍巖壓力監(jiān)測斷面選擇于黃巖子隧道出口右幅YK80+383處，埋深93 m，巖性為上元古界長城系常洲溝組紅色石英砂巖。監(jiān)測斷面處圍巖層理發(fā)育，層理產(chǎn)狀為21°∠23°。除層理之外，監(jiān)測斷面處圍巖發(fā)育一組與層理近垂直的節(jié)理。監(jiān)測斷面處未見地下水，巖石為微風(fēng)化～中風(fēng)化，屬較堅硬巖;掌子面右側(cè)部分區(qū)域存在較為嚴(yán)重的泥化現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)面結(jié)合一般，巖體穩(wěn)定性一般。綜合判定該處圍巖為Ⅳ級圍巖。監(jiān)測斷面處圍巖地質(zhì)素描見圖1所示。

圖1 監(jiān)測斷面地質(zhì)素描

對于Ⅳ級圍巖，黃巖子隧道采用上下臺階法開挖?；谶@種開挖方法，將該監(jiān)測斷面處的圍巖壓力傳感器全部布置于上臺階初期支護(hù)工字鋼背部，共布置27個(圖2)。

在此需要指出的是，本監(jiān)測中壓力盒的布設(shè)方式不同于隧道傳統(tǒng)選測項目中壓力盒的布設(shè)方式。傳統(tǒng)選測當(dāng)中，壓力盒布置個數(shù)過少，且將壓力盒直接埋置于噴射混凝土之中。這種布置方式，在壓力盒剛度與噴射混凝土剛度一致的前提下，測得的僅僅是壓力盒所在位置那一點處的圍巖壓力，對兩個壓力盒之間的部位則無法測得圍巖壓力。而且，壓力盒剛度與噴射混凝土剛度往往不一致，在這種方式下測得的壓力很難說就是該點處的真實圍巖壓力。為了克服這些不足之處，本監(jiān)測對壓力盒布設(shè)進(jìn)行了較大的改進(jìn)，首先是壓力盒的數(shù)量大幅度增大，其次最關(guān)鍵的是在每兩個壓力盒之間搭接了傳力鋼板，并避免噴射混凝土進(jìn)入傳力鋼板與工字鋼之間的間隙，這樣就可以獲得整個拱架背部每一點處的圍巖壓力。

在該監(jiān)測項目中，采用的圍巖壓力傳感器為丹東前陽工程測試儀器廠生產(chǎn)的XYJ－4型鋼弦式雙模壓力盒，其最大量程為0.5 MPa，直徑112 mm，厚度37 mm。搭接傳力鋼板寬度為0.1 m，長度為0.8 m，厚度為8 mm。壓力盒固定于拱架背部的情況見圖3所示。

圖2 監(jiān)測斷面壓力傳感器布置圖

圖3 壓力盒及傳力鋼板

2 圍巖壓力實測結(jié)果

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)計算方法

鋼弦式雙膜壓力盒所測數(shù)據(jù)為其內(nèi)部的鋼弦頻率，需要將該頻率轉(zhuǎn)化為受力。其所受應(yīng)力轉(zhuǎn)化關(guān)系為:

式中:f為壓力盒受壓后鋼弦的頻率;f0為壓力盒未受壓時鋼弦的初始頻率;P為壓力盒所受的應(yīng)力;K為壓力盒標(biāo)定系數(shù)。

由公式(1)所得結(jié)果為壓力盒所受壓應(yīng)力P，其集中壓力F計算式為:

式中:F為壓力盒所受壓力值;P為壓力盒所受壓應(yīng)力值;A為壓力盒面積。

2.2 監(jiān)測結(jié)果

2.2.1 壓力時程曲線

圖4為根據(jù)式(1)與式(2)計算出的該監(jiān)測斷面上所有壓力盒所受壓力隨時間的變化曲線。

由圖4可知，在壓力盒安裝后，絕大部分壓力盒所受壓力的變化特性大致相同，一般呈現(xiàn)急劇增大—平緩上升—趨于穩(wěn)定3個發(fā)展階段的趨勢。在安裝1周內(nèi)，圍巖壓力急劇增大;在2周～6周內(nèi)，壓力增幅趨于平緩;6周以后圍巖壓力基本達(dá)到穩(wěn)定。另外，在安裝后44 d時，大部分壓力盒的壓力值出現(xiàn)一個小幅跳躍，這是由下臺階開挖引起的。

2.2.2 拱架背部總壓力

圖5為監(jiān)測期限內(nèi)，該監(jiān)測斷面所有壓力盒所受總壓力達(dá)到最大值的時候(開挖后98 d)，拱架背部各個壓力盒受力分布圖。可見，21壓力盒受力最大，達(dá)到約5.5 kN;1壓力盒受力最小，約為0.2 kN。整個拱架背部所有壓力盒的總壓力約為67 kN。

圖4 各壓力盒受力隨時間變化曲線

圖5 監(jiān)測斷面各壓力盒壓力分布

3 圍巖壓力設(shè)計值

3.1 設(shè)計值的確定方法

依據(jù)文獻(xiàn)[16]，深埋隧道的圍巖壓力按下列公式計算:

(1)垂直均布壓應(yīng)力為:

式中:q為垂直均布壓應(yīng)力;γ為圍巖重度;S為圍巖級別;ω為寬度影響系數(shù)，ω=1+i(B－5);B為隧道寬度。

(2)水平均布壓應(yīng)力按表1的規(guī)定確定。

表1 水平均布壓應(yīng)力設(shè)計值確定

3.2 黃巖子隧道均布圍巖壓應(yīng)力設(shè)計值

對于黃巖子隧道，其四級圍巖深埋段的開挖寬度B為15.8 m，圍巖重度γ=20 kN/m3，則根據(jù)(3)式和表1可以得到，垂直均布壓應(yīng)力為q約為151.2 kPa，水平均布壓應(yīng)力e約為45.4 kPa。

3.3 黃巖子隧道圍巖壓力合力設(shè)計值

在3.2節(jié)獲得黃巖子隧道四級圍巖深埋段均布圍巖壓應(yīng)力設(shè)計值的前提下，不難得到該隧道上臺階開挖范圍內(nèi)整個拱架背部上所受的圍巖壓力設(shè)計合力值。該合力計算公式如下:

式中:F為拱架背部圍巖壓力合力的設(shè)計值;q為垂直均布壓應(yīng)力的設(shè)計值;Aq為垂直均布壓應(yīng)力的有效作用面積;e為水平均布壓應(yīng)力的設(shè)計值;Ae為水平均布壓力的有效作用面積。

由圖1知，垂直均布壓應(yīng)力的有效作用面積Aq約為隧道跨度與搭接傳力鋼板寬度之積，黃巖子隧道開挖跨度為15.8 m，搭接傳力鋼板寬度為0.1 m，不難算得Aq約為1.58 m2;水平均布壓應(yīng)力的有效作用面積Ae約為壓力盒安裝區(qū)域垂直高度與搭接傳力鋼板寬度之積的兩倍，壓力盒安裝區(qū)域垂直高度約為6 m，不難算得Ae約為1.2 m2。將以上數(shù)值代入式(5)，算得0.1 m寬度上整個拱架背部的總壓力F約為293 kN。

4 襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價

根據(jù)圍巖壓力的實測數(shù)據(jù)，已知黃巖子隧道四級圍巖深埋段監(jiān)測斷面上實測圍巖總壓力約為67 kN，而按規(guī)范[17]確定的與監(jiān)測斷面等面積上的設(shè)計圍巖總壓力約為293 kN，前者僅為后者的22.9%，后者約為前者的4.4倍?？梢?，針對黃巖子隧道四級圍巖深埋段的該監(jiān)測斷面，實際圍巖壓力值遠(yuǎn)小于按現(xiàn)行規(guī)范確定的設(shè)計圍巖壓力值，安全儲備超出正常要求偏高，按規(guī)范進(jìn)行的設(shè)計過于保守，具有對其進(jìn)行合理優(yōu)化的較大空間。

5 結(jié)論

對邢汾高速公路黃巖子隧道現(xiàn)場實測圍巖壓力與《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[17](JTGD70 －2004)中規(guī)定的圍巖壓力進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示:實測圍巖總壓力約為67 kN，遠(yuǎn)小于規(guī)范中的設(shè)計圍巖總壓力293 kN，實測值僅約為設(shè)計值的22.9%，設(shè)計值約為實測值的4.4倍，說明按設(shè)計圍巖壓力值進(jìn)行設(shè)計的襯砌結(jié)構(gòu)安全儲備超出正常要求偏大，設(shè)計過于保守，造成較大的浪費，具有對其進(jìn)行合理優(yōu)化的較大空間。

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