不同側壓比下隧道初期支護的穩定性研究

董云松

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

隧道初期支護的變形、破壞主要是由于初期支護在圍巖壓力的作用下,其內應力超過其強度引起的,圍巖壓力的大小和分布直接影響隧道初期支護的穩定性[1]。我國現行《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)中深埋隧道的圍巖壓力按松散壓力計算[2],并未考慮膨脹壓力、構造殘余應力等對圍巖壓力的影響。

地質復雜地區的深埋隧道(或深埋段),圍巖壓力由于受構造殘余應力的影響,其大小、分布與《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)計算的松散壓力差異較大,相應地,初期支護的內力大小及分布,變形、破壞特點也不同。

隨著我國鐵路的大規模建設和技術標準的不斷提高,復雜地質地區修建的長大隧道越來越多,隧道埋深也越來越大,為適應上述鐵路建設的新形勢,在隧道設計和施工中考慮構造殘余應力的影響十分必要。大量的應力測試結果表明：埋深較大的隧道地層中賦存著以水平方向為主的構造殘余應力,應力歷史及大小直接關系到隧道開挖后作用在支護結構上圍巖壓力的大小及分布[3～5]。因此,研究不同側壓比(水平向圍巖壓力與豎向圍巖壓力的比值)下隧道初期支護的內力分布特點,變形、破壞特征及其穩定性具有十分重要的現實意義。研究成果對復雜地質條件下深埋隧道的設計、施工具有重要的指導意義。

本文以龍廈鐵路象山特長隧道深埋段實測圍巖壓力為基礎,系統分析了不同側壓比下隧道初期支護的內力分布特點,穩定性及變形、破壞特征。

2 圍巖壓力分布特點

象山特長隧道采用左、右單洞單線、兩條隧道并行的方案。隧道穿越區域位于大田—龍巖拗陷帶之廣平—龍巖復式向斜和政和—大埔深大斷裂上,隧址區地質構造復雜,褶皺、斷裂極其發育[6]。為掌握隧道深埋段圍巖壓力的分布特點,特選取典型地段進行圍巖壓力測試。

測試地段隧道埋深600～650 m,圍巖等級為Ⅳ級；隧道開挖后掌子面構造形跡明顯,褶曲、小斷層非常發育(圖1),大部分地段地下水不發育,局部地段滲水量大。

圖1 測試地段圍巖層薄、構造形跡明顯

2.1 圍巖松散壓力

現行《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)規定,深埋隧道圍巖壓力按松散壓力考慮。松散壓力是開挖引起的松動、塌落巖體作用在支護上的壓力,具有頂壓大、側壓小的特點。

按照《鐵路隧道設計規范》松散壓力的計算方法,水平壓力e與垂直壓力q的比值如表1所示[2]。測試地段(Ⅳ圍巖,容重21.5 kN/m3,隧道寬B=9.1 m)按規范計算的松散壓力分布如圖2所示。

表1 水平壓力e與垂直壓力q的關系[2]

圖2 圍巖松散壓力分布(單位：kPa)

2.2 實測圍巖壓力與松散壓力的對比

在測試地段共布置了12個監測斷面。圍巖壓力采用振弦式雙膜土壓力盒(量程2.0 MPa,靈敏度0.001 MPa)進行量測。部分監測斷面的實測圍巖壓力分布如圖3所示。

圖3 部分斷面實測圍巖壓力分布(單位：kPa)

將實測圍巖壓力與松散壓力對比可得如下基本結論：

(1)總體而言,測試地段實測圍巖壓力比Ⅳ級圍巖條件下按《鐵路隧道設計規范》計算的松散壓力大；

(2)實測拱頂圍巖壓力(88.0～320.1 kPa)是松散壓力(109.1 kPa)的0.8～2.93倍；實測水平向圍巖壓力(25.9～530.0 kPa)是松散壓力(32.7 kPa)的0.8～16.2倍；

(3)就圍巖壓力實測值與松散壓力的比值而言,水平方向的明顯比豎向的大；

(4)大多數斷面實測圍巖壓力的分布并未呈現出松散壓力頂壓大、側壓小的特點。

圍巖壓力的實測結果以及測試地段構造形跡明顯、地下水水位高、圍巖結構面發育但地下水不發育的特點均表明：測試地段初期支護所受圍巖壓力除松散壓力外,還有比松散壓力大得多的構造殘余應力。

3 初期支護內力隨側壓比的變化

構造殘余應力的存在將使初期支護所受的水平向圍巖壓力明顯增大、水平向與豎向圍巖壓力的比值(側壓比)增大。受其影響,初期支護的內力大小及分布、變形、破壞特點也將發生相應的改變。

為揭示不同側壓比下初期支護的內力分布及變形、破壞特點,將不同側壓比下的圍巖壓力作用在初期支護上建立初期支護內力計算的數值模型,計算初期支護的彎矩和軸力。

測試地段圍巖等級為Ⅳ級,初期支護采用150型格柵鋼架和25 cm厚C25噴射混凝土。格柵鋼架間距1.2 m、主筋為4根φ22 mm的HRB335鋼筋。

與水平向圍巖壓力相比,由于豎向圍巖壓力實測值與按《鐵路隧道設計規范》計算的松散壓力總體差別不大,所以計算時豎向圍巖壓力的數值取其等于松散壓力。考慮到初期支護未成環前的受力狀態最不利、穩定性最差,為使計算結果對施工更有指導意義,以初期支護未成環的工況進行計算。

象山特長隧道深埋段Ⅳ級圍巖、不同側壓比下初期支護未成環前的彎矩、軸力計算結果如圖4～圖9所示。

圖4 側壓比為0.2時初期支護的內力分布

圖5 側壓比為0.4時初期支護的內力分布

圖6 側壓比為0.6時初期支護的內力分布

由圖4～圖9可看出：

(1)側壓比小于0.6時,拱頂彎矩隨側壓比的增加逐漸減小；當側壓比為0.6時,拱頂彎矩由使截面內側受拉、外側受壓變為內側受壓、外側受拉,隨后,拱頂彎矩隨側壓比的增加逐漸增大；拱頂軸力隨側壓比的增加不斷增大；

圖8 側壓比為1.0時初期支護的內力分布

圖9 側壓比為1.4時初期支護的內力分布

(2)側壓比小于0.6時,拱腰彎矩隨側壓比的增加逐漸減小；當側壓比為0.6時,彎矩由使截面內側受壓、外側受拉變為內側受拉、外側受壓,隨后,拱腰彎矩隨側壓比的增加逐漸增大；側壓比的變化對拱腰軸力的影響不大；

(3)當側壓力比為0.8時,邊墻彎矩由使截面內側受壓、外側受拉變為內側受拉、外側受壓,隨后,邊墻彎矩隨側壓比的增加不斷變大。側壓比的變化對邊墻軸力的影響不大。

4 初期支護穩定性隨側壓比的變化

在初期支護內力計算的基礎上,按照《鐵路隧道設計規范》的方法可對不同側壓比下初期支護的穩定性進行計算。初期支護安全系數隨側壓比的變化如圖10所示。

圖10 初期支護安全系數與側壓比的關系

由圖10并結合圖2～圖9可看出：

(1)側壓比<0.35時,拱頂、拱腰處安全系數最低(大于1.5、但小于3.0),初期支護未成環前變形、破壞的關鍵部位為拱頂和拱腰,最可能的破壞形式為拱頂下沉量大,拱頂、拱腰初期支護內側(臨空側)鋼筋鼓出、噴射混凝土拉裂。

(2)側壓比=0.35～0.65時,初期支護的安全系數大于3,處于穩定狀態。

(3)側壓比=0.65～0.85時,拱頂的安全系數最低且小于1.0,初期支護未成環前變形、破壞的關鍵部位為拱頂,但破壞形式為拱頂內側(臨空側)壓屈,表現為邊墻收斂大、拱頂及其附近噴射混凝土片狀剝落。圖3(b)斷面右拱腰至拱頂段噴射混凝土剝落情況如圖11所示。

圖11 YDK27+843.3斷面拱頂噴射混凝土剝落

(4)側壓比>0.85時,初期支護未成環前的安全系數均小于1.0且隨側壓比的增加不斷減小；拱頂、邊墻的安全系數最低,初期支護最可能的破壞形式為拱頂內側(臨空側)壓屈,邊墻內側鋼筋鼓出、噴射混凝土拉裂。圖3(a)斷面初期支護邊墻破壞情況如圖12所示。

圖12 YDK27+930.7斷面邊墻鋼筋鼓出、噴射混凝土剝落

5 結論

本文在象山特長隧道深埋段圍巖壓力測試結果分析的基礎上對不同側壓比下初期支護未成環前的內力分布、穩定性及變形、破壞特點進行了計算和分析,取得了如下主要結論。

(1)地質復雜地區的深埋隧道(或深埋段),圍巖壓力大小及分布與松散壓力差別較大,初期支護的穩定性,變形、破壞特點與僅受松散壓力作用下的明顯不同。

(2)與象山特長隧道類似的Ⅳ級圍巖、單線隧道初期支護未成環前的內力、穩定性計算結果表明：

①側壓比=0.35～0.65時,初期支護最安全；

②側壓比<0.35時,拱頂、拱腰處安全系數最低、最可能破壞；破壞形式為拱頂下沉量大,拱頂、拱腰初期支護內側(臨空側)鋼筋鼓出、噴射混凝土拉裂；

③側壓比=0.65～0.85時,拱頂安全系數最低且小于1.0,最可能破壞；破壞形式為拱頂內側(臨空側)壓屈,表現為邊墻收斂大、拱頂及其附近噴射混凝土片狀剝落。

④側壓比>0.85時,初期支護未成環前安全系數小于1.0且隨側壓比的增加不斷減小；拱頂、邊墻最先破壞,破壞形式為拱頂內側(臨空側)壓屈,邊墻內側鋼筋鼓出、噴射混凝土拉裂。

[1]朱維申,何滿潮.復雜條件下圍巖穩定性與巖體動態施工力學[M].北京：科學出版社,1996．

[2]TB10003—2005，鐵路隧道設計規范[S].

[3]Brown E.T, Hoek E. Trends in Relationships between Measured in Situ Stresses and Depth. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1978，15(4):211-215．

[4]趙德安,陳志敏,蔡小林,等.中國地應力場分布規律統計分析[J].巖石力學與工程學報,2007,26(6)：1265-1271．

[5]孫衛春,閔 弘,王川嬰.三維地應力測量及地質力學分析[J].巖石力學與工程學報,2008,27(A02)：3778-3784．