硅藻土地層隧道初期支護(hù)力學(xué)行為現(xiàn)場試驗(yàn)研究

侯 峰，章慧健，司君嶺，張 帥

（1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222；2.西南交通大學(xué)a.交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.土木工程學(xué)院，成都 610031）

近年來，隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國高速鐵路事業(yè)也在迅速發(fā)展.隧道作為一種優(yōu)化線路，縮短時(shí)間以及方便通行的重要工程，在高速鐵路建設(shè)過程中的地位也在與日俱增.支護(hù)體系的選擇與設(shè)計(jì)是隧道整體設(shè)計(jì)中的重要一環(huán).支護(hù)形式、開挖方法和地質(zhì)條件是不可分割的考慮因素.

硅藻土或硅藻巖（原狀介于土巖之間，以下統(tǒng)稱硅藻土）主要分布在全球十幾個(gè)國家，其中中國硅藻土的儲(chǔ)量排名世界第二，僅次于美國.目前硅藻土的應(yīng)用多集中于環(huán)保、復(fù)合材料、食品級醫(yī)藥等領(lǐng)域，但對于硅藻土工程特性的研究較少［1-2］.

針對硅藻土的工程特性研究主要集中于硅藻土的物理力學(xué)特性以及硅藻土邊坡的工程案例.方遙越［3］分析了嵊州硅藻土的結(jié)構(gòu)性對其物理力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特的多孔微觀結(jié)構(gòu)是造成嵊州硅藻土高壓縮性、強(qiáng)結(jié)構(gòu)性特征的內(nèi)因.張永雙等［4］對騰沖芒棒地區(qū)硅藻土的分布和膨脹性進(jìn)行了研究，認(rèn)為該區(qū)硅藻土屬于輕質(zhì)膨脹性巖土，具有顯著的膨脹、崩解現(xiàn)象.洪振舜等［5］采用壓汞法和高壓三軸儀對日本大分縣分布的天然硅藻土的應(yīng)力水平與孔隙空間分布、強(qiáng)度變形特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為天然硅藻土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性.高華喜等［6］對嵊州硅藻土滑坡的成因和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，認(rèn)為嵊州硅藻土具有密度小、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、孔隙比大、吸附性強(qiáng)（吸水率達(dá)75%～120%）等特點(diǎn)，硅藻土吸水后軟化是產(chǎn)生滑坡的主要影響因素.韓建文等［7-8］在嵊州硅藻土地區(qū)開展了單樁靜載、復(fù)合地基承載性能、基床原位激振等現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了不同樁型加固硅藻土地基的適宜性，硅藻土樁筏復(fù)合地基特性以及基床動(dòng)力特性.Tateishi［9］對日本天然硅藻土的研究結(jié)果表明，盡管其具有很高的天然含水率、強(qiáng)度和彈性模量，但在受到擾動(dòng)后，硅藻土結(jié)構(gòu)性受到破壞，強(qiáng)度會(huì)明顯降低.綜合目前不同研究者對硅藻土工程地質(zhì)性質(zhì)的研究，硅藻土具有含水量高、易崩解、密度低、孔隙大、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種典型的半成巖.

郭長寶等［10］以新建騰瀘公路邊坡滑坡為例，對硅藻土滑坡的分布特征和形成機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為受黏土質(zhì)硅藻土膨脹性、結(jié)構(gòu)性影響，人類工程擾動(dòng)、降雨等引起邊坡表面土體出現(xiàn)強(qiáng)度分層、膨脹性增強(qiáng)和力學(xué)強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致原支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，并在此基礎(chǔ)上，對馮家大山邊坡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬分析.同時(shí)，復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工面臨軟巖大變形、偏壓荷載、軟巖非線性流變、高壓富水突水等問題，在其復(fù)合作用下，隧道的圍巖變形機(jī)理與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為復(fù)雜多變［11］.對于軟巖隧道，其圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，需要提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與改善支護(hù)結(jié)構(gòu)體系去控制圍巖變形.

綜上所述，目前軟巖或土質(zhì)隧道的施工階段支護(hù)力學(xué)行為在國內(nèi)外都有較多的研究，但是硅藻土隧道工程案例較為少見，同時(shí)對于施工階段支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分布特征的研究也有必要進(jìn)行完善.本文基于新建杭紹臺(tái)鐵路飛鳳山隧道工程，選取試驗(yàn)段開展現(xiàn)場監(jiān)測，旨在揭示硅藻土地層隧道施工與初期支護(hù)力學(xué)行為演變特征，為依托工程和今后類似工程的設(shè)計(jì)施工優(yōu)化提供參考.

1 依托工程概況及監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

新建杭州經(jīng)紹興至臺(tái)州（杭紹臺(tái)）高速鐵路位于浙江省中東部，線路由杭甬客專紹興北站接出，經(jīng)紹興市越城區(qū)、上虞區(qū)、嵊州市、新昌縣，穿越紹興與臺(tái)州交界的九龍山進(jìn)入臺(tái)州市，經(jīng)臺(tái)州市天臺(tái)縣、臨海市、椒江區(qū)、路橋區(qū)至溫嶺市，如圖1所示.途經(jīng)嵊州市、新昌縣區(qū)域時(shí)勘察發(fā)現(xiàn)，在玄武巖臺(tái)地區(qū)第三系多期噴發(fā)的玄武巖與多期河湖相沉積層中，賦存大量硅藻土，主要分為白色、藍(lán)色和黑色硅藻土，層厚4～90 m不等.

圖1 杭紹臺(tái)鐵路線路平面圖Fig.1 Hangzhou-Shaoxing-Taizhou railway floor plan

杭紹臺(tái)鐵路飛鳳山隧道位于嵊州市境內(nèi)，起止里程為DK84+449～DK85+780，全長1 331 m.該隧道進(jìn)口段和出口段均穿越硅藻土地層.為研究硅藻土地層隧道的支護(hù)力學(xué)特性，在出口端的斜井隧道內(nèi)設(shè)置了試驗(yàn)段，如圖2所示，主要穿越硬土狀白色、藍(lán)色硅藻土，且洞口段存在一定的地形偏壓情況.

圖2 飛鳳山隧道斜井試驗(yàn)段Fig.2 The inclined shaft test section of Feifengshan tunnel

1.2 硅藻土的物理力學(xué)性質(zhì)

硅藻土具有結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、孔隙比高、穩(wěn)定性差、遇水易軟化崩解等特點(diǎn).根據(jù)地勘資料，依托工程硅藻土的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示.

表1 硅藻土主要物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Main physical and mechanical parameters of diatomite

1.3 測試斷面布置

為了分析硅藻土淺埋隧道施工期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，對試驗(yàn)隧道進(jìn)行多種支護(hù)組合形式的現(xiàn)場監(jiān)測，如圖3所示.

圖3 監(jiān)測斷面布置圖（單位：m）Fig.3 Monitoring section layout（Unit：m）

1.4 斷面測點(diǎn)布置與測試方法

測試項(xiàng)目包括A類必測和B類選測項(xiàng)目.A類監(jiān)測項(xiàng)目主要是拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測，相應(yīng)的測點(diǎn)如圖4（a）所示.B類監(jiān)測項(xiàng)目主要包括初支鋼架應(yīng)力、圍巖-初支接觸壓力、初支-二襯接觸壓力，相應(yīng)的每個(gè)斷面測點(diǎn)布置如圖4（b）所示.

圖4 測點(diǎn)布置圖Fig.4 Measuring points layout

測試方法：拱頂沉降和水平收斂采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測；圍巖-初支之間接觸壓力、初支-二襯之間接觸壓力采用雙膜壓力盒測試；型鋼鋼架應(yīng)力通過表面應(yīng)變計(jì)焊接在型鋼鋼架翼緣監(jiān)測；格柵鋼架應(yīng)力通過鋼筋計(jì)測試相應(yīng)的格柵鋼筋受力；混凝土應(yīng)力是采用混凝土應(yīng)變計(jì)，通過扎絲捆綁至鋼架內(nèi)、外兩側(cè)來測試的.現(xiàn)場傳感器安裝效果如圖5所示.

圖5 現(xiàn)場傳感器安裝Fig.5 Installation of sensors on site

2 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析

2.1 拱頂沉降

選取距洞口13 m、18 m、23 m、28 m等4個(gè)典型斷面，作出隧道拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線，見圖6，監(jiān)測時(shí)間為2019年2月至4月.同時(shí)為了分析各種支護(hù)組合形式以及不同埋深對拱頂沉降的影響（隧道詳細(xì)支護(hù)組合分布形式見圖3），作出各斷面最大拱頂沉降沿隧道縱向分布，如圖7所示.

圖6 拱頂沉降隨時(shí)間變化關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves of crown settlement VS time

圖7 各斷面最大拱頂沉降沿隧道縱向分布Fig.7 Longitudinal profile of the maximum crown settlementalong tunnel

由圖6和圖7可知：洞口段拱頂沉降較大，主要由于洞口段埋深較淺，難以形成自承拱，且易受洞外雨水影響；各臺(tái)階開挖通過引起拱頂沉降存在一個(gè)加速發(fā)展過程，在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)閉環(huán)后拱頂沉降漸趨穩(wěn)定；監(jiān)測時(shí)程曲線顯示硅藻土隧道拱頂沉降可分為微小變形階段（約占總變形量的15%）、急劇變形階段（約占總變形量的80%）、緩慢變形階段（約占總變形量的5%）、穩(wěn)定階段4個(gè)階段；進(jìn)洞管棚及洞口段小導(dǎo)管超前支護(hù)形式對控制硅藻土地層隧道洞口拱頂沉降是有效的，但需注意管棚與小導(dǎo)管銜接位置的拱頂沉降增加問題；對比格柵鋼架和型鋼鋼架段，兩種鋼架形式均能較好地控制拱頂沉降，但型鋼鋼架相比格柵鋼架控制效果更佳.

2.2 上臺(tái)階水平收斂

選取距離洞口8 m、13 m、18 m、23 m等4個(gè)典型斷面，作出上臺(tái)階水平收斂隨時(shí)間變化曲線，見圖8.現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)間為2019年2月至4月，此處規(guī)定向隧道內(nèi)部收斂為正.

圖8 上臺(tái)階水平收斂隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Convergence curves of upper bench VS time

由圖8可知：水平收斂值普遍小于拱頂沉降，均在10 mm以內(nèi)；上臺(tái)階水平收斂隨后續(xù)臺(tái)階開挖而持續(xù)增長，在初期支護(hù)閉環(huán)后趨于穩(wěn)定.

結(jié)合拱頂沉降和水平收斂，選取距洞口13 m斷面作出開挖前后的洞室整體輪廓線對比，如圖9所示.由圖9可知，隧道開挖后，整體呈現(xiàn)向洞內(nèi)收斂變形，有一定的受偏壓荷載特征；宏觀上基本是拱頂和仰拱變形大于邊墻部位變形.

圖9 隧道洞內(nèi)凈空收斂圖（單位：mm）Fig.9 Clearance convergence diagram inside tunnel（Unit：mm）

2.3 初支鋼架受力分析

為了對比初期支護(hù)不同鋼架形式（型鋼與格柵）的受力，分別給出10 m斷面的型鋼鋼架應(yīng)力（見圖10）和44 m斷面的格柵鋼架內(nèi)力（見圖11）.圖12顯示了兩類鋼架的最終應(yīng)力沿洞周分布規(guī)律，圖12中N/A表示數(shù)據(jù)缺失.

圖10 型鋼鋼架應(yīng)力隨時(shí)間變化Fig.10 Stress of steel rib VS time

圖11 格柵鋼架應(yīng)力隨時(shí)間變化Fig.11 Stress of lattice girders VS time

由圖10～圖12可知：型鋼鋼架對圍巖壓力的反應(yīng)較快，基本在掌子面通過10 d內(nèi)就能夠達(dá)到受力峰值；格柵鋼架對圍巖壓力的反應(yīng)較慢，基本在掌子面通過后30-40 d之后才逐漸達(dá)到受力峰值；根據(jù)材料是否達(dá)到屈服判斷型鋼鋼架和格柵鋼架均處于安全狀態(tài)，均能適應(yīng)硅藻土地層；型鋼鋼架仰拱部分由于受力較小，其應(yīng)力約在掌子面通過后20 d趨于穩(wěn)定；受力較大的右邊墻部位穩(wěn)定時(shí)間約在掌子面通過后40～60 d之間.格柵鋼架內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力在掌子面通過后40 d才趨于穩(wěn)定.

圖12 鋼架最終應(yīng)力沿洞周分布(單位：MPa)Fig.12 Stress distribution of steel rib and lattice girders inside tunnel(Unit：MPa)

2.4 初支彎矩軸力安全系數(shù)合成方法及分布規(guī)律

基于初期支護(hù)噴射混凝土內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)材料力學(xué)偏心受壓構(gòu)件計(jì)算彎矩和軸力為

式中：M表示斷面所受彎矩；N表示斷面所受軸力；σ1、σ2分別表示監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)、外側(cè)的混凝土應(yīng)力；W表示彎曲截面系數(shù)；A表示截面面積.

以距洞口10 m斷面為例，初期支護(hù)的彎矩、軸力、安全系數(shù)時(shí)程曲線如圖13所示，圖13中使隧道支護(hù)內(nèi)側(cè)受拉的彎矩為正，軸力受拉為正.由圖13中可知：初期支護(hù)以負(fù)彎矩為主，隨著施工過程的推進(jìn)而持續(xù)增加，初支閉環(huán)后漸趨穩(wěn)定.在掌子面通過后20 d以內(nèi)（根據(jù)施工臺(tái)賬換算約為距掌子面20 m內(nèi)），初期支護(hù)彎矩增長速率最快，隨后增速放緩，直到掌子面遠(yuǎn)離60 m后趨于穩(wěn)定；初期支護(hù)軸力隨時(shí)間不斷增長，直到掌子面通過后60 d（約距掌子面60 m），軸力增速降低并漸趨穩(wěn)定；初期支護(hù)安全系數(shù)隨著隧道施工推進(jìn)逐漸降低并趨于穩(wěn)定，此過程可被劃分為急劇降低階段（掌子面通過后0～20 d或0～20 m內(nèi)）、緩慢降低階段（20～40 d或20～30 m內(nèi)）、穩(wěn)定階段（40 d或30 m后）3個(gè)階段.通過變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，安全系數(shù)的3個(gè)階段分別對應(yīng)圍巖變形的急劇變形階段、緩慢變形階段、穩(wěn)定階段.

圖13 初期支護(hù)受力狀態(tài)時(shí)程曲線Fig.13 Stress state of primary support VS time

此外，匯總最終穩(wěn)定狀態(tài)下初支彎矩、軸力、安全系數(shù)沿洞周分布，如圖14所示.與圖9所示的隧道輪廓變形規(guī)律一致，初支結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩較大部位正是隧道變形呈現(xiàn)外部受拉特征的部位，且受偏壓荷載影響，初支負(fù)彎矩量值較大，最大值偏向左上方；正彎矩量值很小，主要分布在左下方.初支軸力分布無明顯必然規(guī)律，左右有較大不對稱性.從最終狀態(tài)下隧道初支安全系數(shù)的分布可知，隧道拱肩部位的安全系數(shù)相對最小，僅為4.0～4.5，最大安全系數(shù)出現(xiàn)在仰拱，該部位彎矩、軸力均較小.

圖14 隧道穩(wěn)定狀態(tài)下各參數(shù)分布Fig.14 parameters distribution of tunnel under steady state

2.5 接觸壓力的分配規(guī)律

統(tǒng)計(jì)各測點(diǎn)圍巖與初支、初支與二襯之間的接觸壓力，見表2.量測到的接觸壓力總體上量值較小，圍巖-初支間的接觸壓力普遍大于初支-二襯間的接觸壓力.受現(xiàn)場量測離散性影響，初支和二襯結(jié)構(gòu)荷載承擔(dān)比例并不穩(wěn)定，其中初支承擔(dān)比例平均值約為72.4%，二襯承擔(dān)比例平均值約為27.6%，兩者分擔(dān)比約為2.6∶1.

表2 初支與二襯分別承擔(dān)的圍巖壓力Tab.2 Pressure on primary support and final lining

3 結(jié)論

1）進(jìn)洞拱頂沉降較大，主要由于洞口埋深淺且易受洞外雨水影響.進(jìn)洞管棚及整個(gè)洞口段小導(dǎo)管超前支護(hù)形式對控制硅藻土地層隧道拱頂沉降是有效的.初期支護(hù)結(jié)構(gòu)閉環(huán)后拱頂沉降趨于穩(wěn)定.

2）隧道初期支護(hù)安全系數(shù)隨著隧道的開挖推進(jìn)而逐漸降低并趨于穩(wěn)定，此過程可被劃分為：急劇降低階段（掌子面通過后0～20 d或0～20 m內(nèi)）、緩慢降低階段（掌子面通過后20～40 d或20～30 m內(nèi)）、穩(wěn)定階段（掌子面通過后40 d或30 m以后）3個(gè)階段.該3階段分別對應(yīng)圍巖變形的急劇變形階段、緩慢變形階段、穩(wěn)定階段.

3）型鋼拱架及格柵拱架均能適用于硅藻土隧道.型鋼鋼架有更強(qiáng)的控制隧道開挖早期變形能力，其與圍巖之間的接觸壓力基本在10 d之內(nèi)即達(dá)峰值，而格柵鋼架在30～40 d達(dá)到受力峰值，而后趨于穩(wěn)定.

4）圍巖-初支間的接觸壓力普遍大于初支-二襯間的接觸壓力，初支承擔(dān)比例平均約為72.4%，二襯承擔(dān)比例平均約為27.6%，兩者分擔(dān)比約為2.6∶1.