華家?guī)X黃土隧道實(shí)測(cè)的圍巖變形規(guī)律及二襯安全性分析

師凱強(qiáng)，夏 瓊*，2，黃志軍，杜耀輝，王 強(qiáng)，王國(guó)靖

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，蘭州 730070；3.中交一公局第一工程有限公司，北京 100024）

自新奧法問(wèn)世以來(lái)，在隧道工程中常常通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來(lái)監(jiān)視圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變或變形等力學(xué)指標(biāo)，據(jù)此分析其穩(wěn)定性，并且可以通過(guò)分析實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出規(guī)律，為隧道后期施工提出合理的修正和指導(dǎo)意見(jiàn).現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試作為最有效、最能夠客觀呈現(xiàn)變化規(guī)律的方法，在理論研究、工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中常常作為重要的研究方法，一直被研究者們視為重中之重.

陳梅初［1］通過(guò)對(duì)潭峪溝隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的跟蹤量測(cè)與結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)出圍巖變形集中在開(kāi)挖后10 d內(nèi)完成，偏壓會(huì)造成錨桿軸力的分布不均勻.趙占廠等［2］通過(guò)對(duì)淺埋黃土公路隧道襯砌受力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出圍巖壓力、鋼架軸力與二襯混凝土應(yīng)變隨時(shí)間變化的規(guī)律，同時(shí)通過(guò)理論計(jì)算出邊墻和拱部的圍巖壓力，得出實(shí)測(cè)值比理論計(jì)算值要大；在整個(gè)支護(hù)體系中，鋼拱架受力主要為壓力且較快達(dá)到穩(wěn)定值，起到最先支護(hù)的作用；二襯和仰拱處所受到的力均較小.劉庭金等［3］通過(guò)某高速公路隧道二次襯砌壓力實(shí)測(cè)，確定最大二襯壓力斷面位置，采用規(guī)范法計(jì)算了二襯軸力與二襯剪力的設(shè)計(jì)值，結(jié)合同濟(jì)曙光軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，基于模擬結(jié)果對(duì)二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核.徐林生［4］以云南昆石高速公路某3車(chē)道大斷面隧道為實(shí)例進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，分析得出Ⅴ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的總體受力狀況較為復(fù)雜，存在著一定的偏壓現(xiàn)象，且實(shí)測(cè)圍巖壓力遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值.王建秀等［5］以云南元江1號(hào)隧道為例，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)一年時(shí)間的研究，指出圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)在隧道建成后一段時(shí)間內(nèi)將繼續(xù)使襯砌的結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化，影響具有長(zhǎng)期性.李鵬飛等［6］對(duì)胡麻嶺隧道初支與二襯間的接觸壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析其發(fā)展規(guī)律和空間分部特征，并通過(guò)荷載結(jié)構(gòu)模型對(duì)二襯內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，研究了二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性.王文卓等［7］通過(guò)43座隧道的79個(gè)斷面初支與二襯間的接觸壓力的統(tǒng)計(jì)分析研究了二次襯砌荷載分擔(dān)比在洞周的變化規(guī)律，結(jié)果表明二襯的荷載分擔(dān)比集中在0～20%之間.

從隧道開(kāi)挖施工與襯砌支護(hù)過(guò)程中的同步監(jiān)測(cè)，到隧道運(yùn)營(yíng)期后隧道圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期受力與變形監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在整個(gè)隧道工程建設(shè)中具有十分重要的作用［8］.由于黃土隧道的工程地質(zhì)、圍巖本構(gòu)關(guān)系和施工因素等的不確定性［9］，以及黃土圍巖具有強(qiáng)度低、風(fēng)化快、圍巖松弛容易出現(xiàn)塌方的特點(diǎn)［10］，黃土隧道圍巖變形、應(yīng)力分布、初支與二襯間的壓力分配以及圍巖與支護(hù)的相互關(guān)系等無(wú)論是定性說(shuō)明還是定量的評(píng)價(jià)都需要進(jìn)一步的探討與研究［11］.

本文通過(guò)華家?guī)X黃土隧道工程施工過(guò)程，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)軟弱圍巖（Ⅴ類(lèi)圍巖）條件下的隧道圍巖壓力、圍巖變形、二襯接觸壓力、拱架應(yīng)力等指標(biāo)，分析各自的時(shí)空分布規(guī)律；計(jì)算出二次襯砌的荷載分擔(dān)比.通過(guò)荷載結(jié)構(gòu)法，對(duì)二襯的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，確定二襯的安全系數(shù)，從而為隧道襯砌設(shè)計(jì)、施工的安全可靠性提供工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步豐富黃土隧道設(shè)計(jì)理論.

1 工程概況

擬建隧道右線起訖樁號(hào)YK31+075～YK32+150，長(zhǎng)1 075 m，左線起訖樁號(hào)ZK31+078～ZK32+180，長(zhǎng)1 102 m，隧道最大埋深約125.8 m.進(jìn)口為山體坡腳，地形平緩，地勢(shì)開(kāi)闊，自然坡度約10～15°.隧址區(qū)地層巖性主要為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土坡積粉質(zhì)粘土.地下水賦存于黃土孔隙、裂隙中，主要靠大氣降水補(bǔ)給.隧道出口溝道內(nèi)均有地下水出露，出水量較小.隧址區(qū)地下水儲(chǔ)水量較小.

華家?guī)X隧道開(kāi)挖高為9.33 m，寬為12.46 m，對(duì)ZK31+240～ZK31+380里程進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè).測(cè)試斷面上覆可塑-硬塑型風(fēng)積黃土；洞身段圍巖上部為稍密-中密沖積黃土狀土，其特征為：黃褐色-黑褐色含少量淤泥腐殖質(zhì)，粘性較高，無(wú)搖振反應(yīng)，刀切面稍光滑.圍巖呈散體狀，無(wú)自穩(wěn)能力，承載力低，圍巖級(jí)別為V級(jí)圍巖；洞身段下部圍巖為新近系泥巖，其特征為：桔紅色，薄至中厚層，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖性較差，遇水易軟化.成巖性一般，抗風(fēng)化能力一般，巖芯呈柱狀、長(zhǎng)柱狀，錘擊聲悶，強(qiáng)度較低，屬極軟巖.地基承載力基本容許值300～450 kPa，無(wú)高地應(yīng)力現(xiàn)象，圍巖級(jí)別為V級(jí)，自穩(wěn)能力差，隧道開(kāi)挖時(shí)洞頂穩(wěn)定性差，有掉塊及小范圍的坍塌.

所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工程地質(zhì)縱斷面如圖1所示.

圖1 工程地質(zhì)縱斷面圖Fig．1 Engineering geological profile map

隧道開(kāi)挖采用七步三臺(tái)階法，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用SVp復(fù)合式襯砌，初支結(jié)構(gòu)為先將鎖腳錨桿打入圍巖，再安裝好鋼拱架（采用I22a型鋼）和鋼筋網(wǎng)片，之后進(jìn)行噴射混凝土（采用C25混凝土）.二次襯砌采用50 cm厚的C30混凝土.具體的圍巖物理力學(xué)指標(biāo)如表1所列.

表1 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)Tab．1 Physical and mechanical index of surrounding rock

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案的制定

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的項(xiàng)目及內(nèi)容

根據(jù)規(guī)范［12］，量測(cè)可以分為必測(cè)和選測(cè)兩大類(lèi).監(jiān)測(cè)計(jì)劃應(yīng)該綜合現(xiàn)場(chǎng)施工、具體的工程地質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試各方面的意見(jiàn)，必須緊跟現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度，開(kāi)挖后及時(shí)埋設(shè)元件.本文監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表2所列.

表2 測(cè)試元件及監(jiān)測(cè)內(nèi)容Tab．2 Test elements and monitoring contents

為保證監(jiān)測(cè)儀器的長(zhǎng)期有效，在儀器的選擇上采用振弦式元件［13］.圍巖壓力、初支與二襯間的接觸壓力的監(jiān)測(cè)采用南京葛南實(shí)業(yè)公司的VWE型振弦式土壓力計(jì)，其量程為0～2 MPa，分辨率為0.025%F.S，擬合／端基精度為1.0%F.S／0.5%F.S，靈敏度±0.1℃，測(cè)溫范圍為-40～+80℃.鋼拱架應(yīng)變采用VWS型振弦式應(yīng)變計(jì)，測(cè)量范圍為±1 500με，靈敏度為0.5με，擬合／端基精度為0.1%F.S／0.5%F.S，測(cè)溫范圍為-40～+80℃.

為確保后續(xù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在安裝好傳感器后用VW-102E型全功能讀數(shù)儀記錄好每個(gè)儀器的初值，等隧道二襯施工完成后，采用GDA1602（4）型全功能采集模塊進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)采集.

元器件斷面布設(shè)方式如圖2所示.

圖2 監(jiān)測(cè)斷面元件布設(shè)Fig．2 Layout of elements in the monitoring section

2.2 監(jiān)測(cè)元件布設(shè)注意事項(xiàng)

拱頂沉降和水平收斂的測(cè)量應(yīng)在初支支護(hù)完成后進(jìn)行測(cè)量，量測(cè)頻率為1次／d；圍巖壓力布設(shè)時(shí)應(yīng)該注意壓力盒表面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖保持緊密接觸，使壓力盒承壓面充分發(fā)生撓曲變形，安裝時(shí)在圍巖處挖一個(gè)與壓力盒大小相當(dāng)?shù)目樱瑢毫惺芰γ媾c圍巖相齊，固定好壓力盒，量測(cè)頻率為1次／d.二襯壓力盒用紗布或者防水布包裹好后，按照正確的操作固定在初襯和防水層之間，將傳輸線沿著初襯表面引出到安全位置，量測(cè)頻率為1次／d.

鋼拱架應(yīng)變計(jì)在安裝時(shí)應(yīng)先安裝好底座，再將應(yīng)變計(jì)固定在底座上，在表面罩上保護(hù)套，避免噴射混凝土在施工過(guò)程中將其破壞；所有測(cè)試元件安裝固定好之后，應(yīng)加強(qiáng)引線的保護(hù)，并記錄相應(yīng)的初值，數(shù)據(jù)測(cè)量的頻率為2次／d.

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 圍巖變形規(guī)律

3.1.1 里程方向圍巖變形特征分析

通過(guò)對(duì)ZK31+243-ZK31+373里程20個(gè)斷面拱頂沉降和周邊收斂的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析得到如圖3所示的變化規(guī)律.

從圖3（a）中可以看到拱頂沉降范圍在9.2～88.1 mm之間，其平均值為31.85 mm；達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為8～33 d，平均為20 d.從圖3（b）中可以得出周邊收斂值較小，均值為3 mm，表明華家?guī)X隧道水平方向的圍巖變形較小且圍巖較穩(wěn)定，這與施工過(guò)程的實(shí)際情況較一致；周邊收斂達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間為8～25 d，均值為16 d.從圖3（c）中可以看出圍巖變形協(xié)調(diào)系數(shù)（拱頂累計(jì)沉降與周邊收斂之比）保持在0.002～0.42，其值相對(duì)較小，并在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)變化幅度很小，說(shuō)明該段隧道圍巖的變形較一致.

圖3 監(jiān)測(cè)斷面變形穩(wěn)定值分布ig．3 Distribution of deformation stability value w ithin the monitoring section

總體來(lái)看，隨著隧道里程的增加和隧道埋深的增大，拱頂沉降和周邊收斂值均具有減小的趨勢(shì)，并且黃土隧道圍巖變形在拱頂處的變形較周邊收斂大，這與文獻(xiàn)［14］研究結(jié)果一致.分析其原因：洞身段圍巖由承載能力低、自穩(wěn)能力差的稍密-中密沖洪積黃土狀土轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化泥巖；其中黃土隧道洞身圍巖未能形成明顯的拱效應(yīng)，使得洞身圍巖土體的承載力和穩(wěn)定性降低，同時(shí)黃土垂直節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致拱頂發(fā)生較大的沉降；泥巖段洞身含水較少，且泥巖橫向?qū)訝顦?gòu)造相對(duì)于黃土而言穩(wěn)定性較好，圍巖變形較小.

3.1.2 典型斷面圍巖變形時(shí)態(tài)曲線分析

典型斷面選取ZK31+325里程，該里程隧道洞身圍巖上臺(tái)階以上為黃土狀土，以下為新近系泥巖，屬于Ⅴ級(jí)圍巖.通過(guò)對(duì)該里程25 d左右的監(jiān)測(cè)得到拱頂沉降以及周邊收斂的數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖4（a）所示為拱頂累計(jì)沉降與沉降速率曲線圖.從圖中可以看出該斷面拱頂圍巖的豎向位移變化規(guī)律為：監(jiān)測(cè)初期拱頂沉降快速發(fā)展，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后沉降發(fā)展變緩，直到最后沉降速率趨于0，拱頂圍巖趨于穩(wěn)定，不再下沉.其中拱頂下沉最大值為10.9 mm，最終穩(wěn)定值保持在10.8 mm；拱頂沉降速率在前五天內(nèi)增長(zhǎng)較快，沉降速率最大值為1.79 mm／d，在第5 d后，沉降速率隨時(shí)間呈減小趨勢(shì)，到第14 d沉降速率降至0 mm／d附近波動(dòng)，符合規(guī)范［15］規(guī)定的隧道穩(wěn)定狀態(tài)條件判定，即圍巖下沉變形基本穩(wěn)定.

在掌子面開(kāi)挖后0～6 d之內(nèi)，拱頂沉降量占總變形的66%左右，在6～14 d拱頂沉降量占總變形的26%左右，試驗(yàn)斷面在第17 d之后圍巖下沉量變化較小，圍巖拱頂下沉趨于穩(wěn)定.拱頂累計(jì)下沉-時(shí)間曲線先是快速增長(zhǎng)，然后緩慢增長(zhǎng)，且最終趨于穩(wěn)定，由此可知隧道在施工過(guò)程中支護(hù)等措施安全合理.

圖4 （b）為周邊收斂與周邊收斂速率曲線圖，圍巖周邊收斂變化趨勢(shì)為：在掌子面開(kāi)挖后的0～9 d內(nèi)圍巖變形發(fā)展較快，最大增長(zhǎng)速率為0.96 mm／d，累計(jì)收斂值占總收斂值的66%左右；在掌子面開(kāi)挖后的9～20 d期間，圍巖水平位移進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，該階段的累計(jì)收斂量占總收斂量的16%，總體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；最終最大收斂值達(dá)到5.1 mm，之后趨于穩(wěn)定，收斂速率小于0.15 mm／d，圍巖變形保持穩(wěn)定.

圖4 拱頂沉降與周邊收斂曲線Fig．4 Curves of vault settlem ent and surrounding convergence

3.2 初次襯砌鋼拱架受力隨時(shí)間變化規(guī)律分析

為鋼拱架應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展曲線（負(fù)號(hào)表示受壓）如圖5所示，從圖5可知：

1）在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，鋼拱架在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值.拱架布設(shè)初期，應(yīng)變值增加較快，然后產(chǎn)生波動(dòng)，最后趨于平穩(wěn)，整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)出三階段變化的規(guī)律.右拱肩、左拱腰、右拱腰鋼拱架內(nèi)外側(cè)以及左拱肩外側(cè)均受壓，僅左拱肩內(nèi)側(cè)受拉.

2）從圖5（a）、（b）可以看出鋼拱架拱肩處內(nèi)外緣受力分布不對(duì)稱以及不相似，并且左拱肩處內(nèi)緣應(yīng)變?yōu)檎担ㄊ芾┣覕?shù)值較大（1 914.8μξ（382.9 MPa）），右拱肩處內(nèi)緣應(yīng)變（-250.5μξ（-50.1 MPa））較外緣應(yīng)變（-240.9μξ（-48.2 MPa））小.可推斷這兩處圍巖不僅存在偏壓，而且可能因?yàn)橹信_(tái)階在施工過(guò)程中鋼拱架發(fā)生扭曲，從而使的內(nèi)外緣應(yīng)力分布出現(xiàn)較大差異.拱腰處鋼拱架內(nèi)外兩側(cè)應(yīng)變差別不大，主要因?yàn)楣把庝摴凹芫o貼圍巖且與圍巖基本保持水平，受力較均勻，內(nèi)外緣變形比較一致.

圖5 鋼拱架應(yīng)變變化曲線Fig．5 Strain curves of steel arch

3）從鋼架內(nèi)外側(cè)應(yīng)力的時(shí)程變化曲線可以看出，在仰拱封閉之前，每步開(kāi)挖鋼架應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生變化，直到二襯施工完成后，初支鋼架的內(nèi)力才會(huì)基本穩(wěn)定.且在二襯施工之前的一段時(shí)間里初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖接觸良好，鋼拱架無(wú)變形，初支混凝土無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，說(shuō)明混凝土噴射質(zhì)量合格，設(shè)計(jì)合理.鋼拱架達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間一般在22～29 d，這與圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較一致.

3.3 圍巖壓力隨時(shí)間變化規(guī)律分析

不同部位圍巖壓力隨時(shí)間發(fā)展曲線如圖6所示，圍巖壓力穩(wěn)定值分布如圖7所示.

圖6 圍巖壓力變化曲線Fig．6 Variation curve of surrounding rock pressure

圖7 圍巖壓力穩(wěn)定值分布（單位：kPa）Fig．7 Distribution of the stability values of surrounding rock pressure（unit：k Pa）

由圖6可以看出不同位置圍巖壓力變化規(guī)律為：1）左拱肩在上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)完成后第8 d達(dá)到最大值9.0 kPa，然后趨于6.0～9.0 kPa的穩(wěn)定值；2）右拱肩處的圍巖壓力在拱肩初支支護(hù)完成4 d之內(nèi)快速增大到最大值35.5 kPa，然后在第7 d下降到20 kPa，第7～24 d期間圍巖壓力緩慢增大，之后一直保持在35～40 kPa左右；3）左拱腰處的圍巖壓力增長(zhǎng)迅速，在支護(hù)完成后第4 d就達(dá)到最大值62.5 kPa，之后緩慢地減小到18.0 kPa，等到二襯施作完成后混凝土強(qiáng)度的形成，該處圍巖壓力逐漸增大趨于30～40 kPa之間；4）右拱腰處的壓力值變化比較平緩，數(shù)值變化也不大，最大值保持在7.5 kPa，穩(wěn)定值保持在4.5～6.5 kPa之間；5）仰拱底壓力盒的讀數(shù)較小且變化不大，保持在2.0～4.5 kPa之間.

左、右拱肩的圍巖壓力變化規(guī)律均為先快速增大，而后緩慢增大再到趨于穩(wěn)定的三階段變化規(guī)律.從圖7中可以看出，左拱肩的最大值較右拱肩小，造成圍巖壓力的差異是由于隧道左側(cè)地勢(shì)平緩有村落分布，使得隧道產(chǎn)生偏壓所致；左拱腰處壓力較右拱腰壓力大，主要是由于左右拱腰開(kāi)挖存在時(shí)間差，左右拱腰開(kāi)挖不一致，左拱腰開(kāi)挖早于右拱腰4 d，支護(hù)完成后由于不對(duì)稱，拱圈沒(méi)有閉合，導(dǎo)致圍巖變形過(guò)大，從而產(chǎn)生過(guò)大的圍巖壓力.隨后又減小是由于右拱腰和仰拱支護(hù)完成后拱圈封閉，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)形成統(tǒng)一封閉體系，圍巖變形受到抑制，受擾動(dòng)土體強(qiáng)度的恢復(fù)和初支混凝土強(qiáng)度的形成，使得土體“拱效應(yīng)”充分發(fā)揮，圍巖壓力逐漸減小.

圍巖壓力的大小變化受隧道施工過(guò)程的擾動(dòng)以及開(kāi)挖順序的影響較明顯.左右拱肩、右拱腰、仰拱的變化規(guī)律比較一致，只是在圍巖壓力大小上存在差距.從圖7中可以看出拱肩開(kāi)挖距左拱腰開(kāi)挖時(shí)間長(zhǎng)達(dá)19 d，故在左拱腰開(kāi)挖時(shí)，左右拱肩處的壓力已經(jīng)趨于穩(wěn)定，拱腰的開(kāi)挖過(guò)程中，右拱肩處的圍巖壓力保持較大值，在二襯施作過(guò)程中，右拱肩處的圍巖壓力略有增加，之后，降至穩(wěn)定值.另外，從圖7中可以看出二襯施作完成后，左拱腰處圍巖壓力又重新分布，表明二襯結(jié)構(gòu)在隧道支護(hù)體系中起到了安全儲(chǔ)備的作用.

總體而言，圍巖壓力的變化均遵循先迅速增大，之后隨著隧道的施工圍巖壓力進(jìn)行調(diào)整，直到趨于穩(wěn)定.但是在開(kāi)挖過(guò)程中不同位置圍巖壓力的變化規(guī)律還是存在較大的差異，上臺(tái)階開(kāi)挖的過(guò)多，中臺(tái)階與上臺(tái)階的開(kāi)挖步距過(guò)大，都會(huì)影響圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的壓力，所以在隧道開(kāi)挖過(guò)程中要嚴(yán)格按照開(kāi)挖流程進(jìn)行開(kāi)挖，以確保開(kāi)挖后圍巖和初支結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免圍巖壓力過(guò)大而使隧道坍塌，造成不必要的安全隱患.

3.4 初支與二襯間接觸壓力隨時(shí)間變化規(guī)律分析

二襯接觸壓力穩(wěn)定值分布如圖8所示，初襯與二襯之間的接觸壓力時(shí)態(tài)變化曲線如圖9所示，由圖8、9可知：

圖8 二襯接觸壓力穩(wěn)定值分布（單位：kPa）Fig．8 Distribution of stable contact pressure of secondary lining（unit：k Pa）

圖9 初支與二襯間接觸壓力變化曲線Fig．9 Variation curves of contact pressure between primary support and secondary lining

1）左、右拱肩處接觸壓力變化為先增大后穩(wěn)定，壓力值均較小，最大值分別為4.5 kPa、12.0 kPa；左、右拱腰處的接觸壓力值較大，其發(fā)展規(guī)律為：開(kāi)始的0～4 d內(nèi)快速增大到一個(gè)峰值，而后略微減小，之后緩慢增大，最后趨于穩(wěn)定，最大值分別為59.5 kPa，37.0 kPa；接觸壓力表現(xiàn)出從拱肩向拱腰增大的趨勢(shì).

2）右拱腰處接觸壓力在第35 d發(fā)生較大變化，在第40 d之后，右拱腰的圍巖壓力減小到了10.0 kPa，之后保持在17～22.5 kPa.此處圍巖壓力變化的原因可能是由于二襯臺(tái)車(chē)的拆卸對(duì)接觸壓力的擾動(dòng)，由于臺(tái)車(chē)的支撐使二襯處于三向受壓狀態(tài)，隨著臺(tái)車(chē)的拆除，由原來(lái)的三向受壓轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚴芰顟B(tài)，應(yīng)力狀態(tài)再次調(diào)整，最后趨于穩(wěn)定.此時(shí)左右拱肩處的接觸壓力變化不大，說(shuō)明臺(tái)車(chē)的拆卸對(duì)此處接觸壓力沒(méi)有明顯影響.

3）通過(guò)以上初襯與二襯間接觸壓力的分析，可以看出接觸壓力與圍巖壓力的變化規(guī)律均為先快速增大然后緩慢調(diào)整再到保持穩(wěn)定的三階段變化規(guī)律.將初支、二襯間接觸壓力值與圍巖、初支間壓力值的比值作為黃土隧道初期支護(hù)與二次襯砌荷載分擔(dān)比例，則監(jiān)測(cè)斷面各位置的荷載分擔(dān)比例分別為左拱肩51%、右拱肩30%、左拱腰153%、右拱腰586%.由以上結(jié)果可知，測(cè)試斷面荷載分擔(dān)比在拱肩處較小，在拱腰處較大.這也說(shuō)明二次襯砌在整個(gè)支護(hù)體系的作用不容忽視，在某些部位（如拱腰處）也是主要承載結(jié)構(gòu)，因此在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的受力情況進(jìn)行設(shè)計(jì).

4 二次襯砌安全性分析

4.1 二襯荷載分布的確定

通過(guò)規(guī)范［15］中素混凝土襯砌的計(jì)算方法對(duì)實(shí)測(cè)荷載分布下二次襯砌的安全性進(jìn)行分析，實(shí)測(cè)荷載分布如圖10所示.

圖10 二襯實(shí)測(cè)荷載分布（單位：k Pa）Fig．10 Measured load distribution of secondary lining（unit：kPa）

安全系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：K為混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)；N為軸力；Ra為混凝土抗壓強(qiáng)度；R1為混凝土抗拉強(qiáng)度；b為截面寬度；t為截面厚度；φ為截面縱向彎曲系數(shù).對(duì)于隧道襯砌φ=1；α為軸向力的偏心影響系數(shù)，其值按最小值取為0.75.

基于荷載結(jié)構(gòu)法，結(jié)合Midas-GTX／NX有限元程序在實(shí)測(cè)的荷載下進(jìn)行二襯軸力與彎矩的計(jì)算.二次襯砌采用梁?jiǎn)卧M，二次襯砌外側(cè)采用徑向的曲面彈簧模擬地層反力，僅考慮彈簧受壓而不考慮彈簧受拉［16］.二次襯砌的厚度為50 cm，彈性模量取31 GPa，泊松比為0.2，圍巖彈性反力系數(shù)R為150 MPa／m.

4.2 二次襯砌安全系數(shù)計(jì)算

通過(guò)有限元模型計(jì)算得到實(shí)測(cè)荷載下的二次襯砌的軸力和彎矩如圖11所示.

從圖11可以看出：實(shí)測(cè)荷載作用下二次襯砌的軸力最大值出現(xiàn)的位置位于拱底，最大正彎矩位于左側(cè)拱腰與仰拱左側(cè)，最大負(fù)彎矩位于拱腳處；由于在拱腳處彎矩較大，使得該部位存在大偏心受壓情況，通常為最不利位置，在施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)觀測(cè)與監(jiān)測(cè)，起到提前預(yù)防作用.

圖11 實(shí)測(cè)荷載下二次襯砌的內(nèi)力Fig．11 Internal force of secondary lining under measured load

根據(jù)式（1）、（2）計(jì)算可以得到實(shí)測(cè)荷載作用下的隧道各部位的安全系數(shù)，如表3所列.

通過(guò)分析表3中的數(shù)據(jù)得到：實(shí)際荷載作用下得到的二襯安全系數(shù)均滿足規(guī)范值，拱腳處的安全性由混凝土的抗拉強(qiáng)度控制，其余各部位的安全性均由混凝土的抗壓強(qiáng)度控制，并且安全系數(shù)較大.

表3 實(shí)測(cè)荷載下二次襯砌的安全系數(shù)Tab．3 Safety factor of secondary lining under measured load

分析其原因，二襯本身是在初支相對(duì)穩(wěn)定的情況下施作的，按照隧道的受力特征，二次襯砌的受力較小，同時(shí)二次襯砌受力也是一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的變化過(guò)程，且未考慮初支對(duì)于二襯間的切向力以及壓力盒安裝與監(jiān)測(cè)過(guò)程中局部測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力集中效應(yīng)［17］，同時(shí)對(duì)于二襯數(shù)值計(jì)算時(shí)未考慮混凝土配筋的影響，使得實(shí)測(cè)荷載下的二次襯砌的安全系數(shù)較大且偏保守.

4.3 二襯設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)安全性的影響分析

通過(guò)改變二襯相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)化模擬分析，得到二襯不同位置處的安全系數(shù)，總結(jié)其變化規(guī)律.

1）圍巖彈性反力系數(shù)

規(guī)范［15］規(guī)定V級(jí)圍巖的彈性抗力系數(shù)為100～200 MPa／m，改變其值將使得圍巖的內(nèi)力分布發(fā)生變化，在實(shí)測(cè)荷載作用下二襯各位置的安全系數(shù)與圍巖彈性抗力系數(shù)之間的關(guān)系如圖12所示.

圖12 圍巖彈性反力系數(shù)與安全系數(shù)的關(guān)系Fig．12 Relationship between resistance factor of surrounding rock and safety factor

2）混凝土厚度

通過(guò)設(shè)計(jì)不同的混凝土厚度（35 cm、40 cm、45 cm、50 cm），來(lái)研究實(shí)測(cè)荷載作用下二襯各點(diǎn)的安全系數(shù)，結(jié)果如圖13所示.

圖13 混凝土厚度與安全系數(shù)的關(guān)系Fig．13 Relationship between concrete thickness and safety factor

3）混凝土強(qiáng)度

通過(guò)設(shè)計(jì)不同強(qiáng)度的混凝土（C30、C35、C40、C45）來(lái)研究實(shí)測(cè)荷載作用下二襯各點(diǎn)的安全系數(shù)，結(jié)果如圖14所示.

圖14 混凝土強(qiáng)度與安全系數(shù)的關(guān)系Fig．14 Relationship between concrete strength and safety factor

結(jié)合圖12～14可知：圍巖彈性反力系數(shù)對(duì)于二襯的安全性影響不大，在100～200 MPa／m范圍內(nèi)，二襯各點(diǎn)的安全系數(shù)波動(dòng)很??；混凝土厚度和混凝土強(qiáng)度對(duì)于二襯各點(diǎn)安全系數(shù)的影響規(guī)律比較一致，在混凝土強(qiáng)度與圍巖彈性反力系數(shù)一定的情況下，隨著混凝土厚度的增大，拱頂、拱肩和拱腳處的安全系數(shù)增大明顯，但最不利部位拱腳處的安全系數(shù)隨混凝土厚度的增大變化并不明顯，從35 cm厚度的2.1到50 cm厚度的3.9，只增大了1.8.在混凝土厚度與圍巖彈性反力系數(shù)不變的情況下，隨著混凝土強(qiáng)度的增大，除拱腳處外，其余部位安全系數(shù)增大明顯，拱腳處的安全系數(shù)從C30強(qiáng)度的3.9到C50強(qiáng)度的5.1，只增大了1.2.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃土隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，可以得到以下結(jié)論：

1）監(jiān)測(cè)段拱頂沉降沿里程與埋深增大方向拱頂沉降值減小，水平收斂值減小，并且拱頂沉降較周邊收斂大.隧道拱頂沉降、周邊收斂均較小，且都為正常曲線，未發(fā)生突變現(xiàn)象，急劇增長(zhǎng)階段發(fā)生在4～6 d左右，變形占總變形的60～77%；持續(xù)增長(zhǎng)階段的變形量約占總變形量的20%左右；拱頂沉降平均值為31.85 mm；達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間為8～33 d，平均為20 d.周邊收斂均值為3 mm，達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間為8～25 d，均值為16 d.

2）鋼拱架的受力比較復(fù)雜，施工過(guò)程中的變動(dòng)會(huì)導(dǎo)變形過(guò)大，圍巖的開(kāi)挖不均勻也會(huì)導(dǎo)致變形不均，但總體而言，鋼拱架的變化呈現(xiàn)三階段變化規(guī)律，且前期便變化較快，與圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間一致，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖過(guò)程中起到了良好的支護(hù)效果.

3）圍巖壓力變化總體呈現(xiàn)三階段變化，在施工工序的影響下出現(xiàn)一些波動(dòng)，但隨著后續(xù)工程的施工圍巖壓力的變化逐漸趨于穩(wěn)定.圍巖壓力劇增發(fā)生在開(kāi)挖后第4～10 d，此時(shí)間段圍巖壓力變化速率較大，但隨著隧道后續(xù)各支護(hù)結(jié)構(gòu)的完善，各測(cè)點(diǎn)處圍巖壓力逐漸趨于穩(wěn)定.

4）接觸壓力總體呈“上小下大”，并且接觸壓力在拱腰處的值較圍巖壓力大，二次襯砌在設(shè)計(jì)時(shí)二襯接觸壓力在混凝土強(qiáng)度形成后由于二襯臺(tái)車(chē)的拆卸導(dǎo)致接觸壓力發(fā)生新的變化.因此在隧道施工中應(yīng)當(dāng)注意二襯施作的合理時(shí)間，避免施工滯后導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力而造成破壞.

5）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)二襯荷載，計(jì)算得到華家?guī)X隧道二襯安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，其安全系數(shù)較大，二襯不利位置在拱腳與拱腰處；通過(guò)對(duì)二襯相關(guān)參數(shù)的分析，不管是增大混凝土的強(qiáng)度還是減小混凝土的厚度，對(duì)于拱腳處安全系數(shù)的影響不大，因此也證明華家?guī)X隧道二襯設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性.