黃土隧道淺埋偏壓段初期支護(hù)原型觀測和受力特性分析

李磊，陳光榮,楊燕偉,2

（1.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安710032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029）

0 引言

淺埋、偏壓黃土隧道的設(shè)計(jì)和施工一直是黃土隧道建設(shè)中的難題。隨著交通事業(yè)的發(fā)展，山區(qū)修建更多的隧道經(jīng)常出現(xiàn)淺埋偏壓軟弱圍巖，由于圍巖壓力呈明顯不對稱性、不均勻性，使支護(hù)受偏壓荷載，施工中稍有不慎將出現(xiàn)塌方的嚴(yán)重事故。因此，提出合理的隧道淺埋偏壓段下穿方案，研究施工過程就十分重要。朱家橋等[1]在1988年應(yīng)用多點(diǎn)位移計(jì)對軍都山淺埋黃土鐵路隧道施工中的拱頂垂直位移進(jìn)行了監(jiān)測，并成功地預(yù)報(bào)了隧道大塌方。隨著越來越多黃土鐵路隧道的出現(xiàn)，針對黃土隧道大跨度、大斷面的特點(diǎn)進(jìn)行的研究也越來越多。例如，姜久純[2]對劉家坪3號(hào)隧道的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力監(jiān)測，同時(shí)采用有限元分析軟件對隧道施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，監(jiān)測結(jié)果表明噴射混凝土應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且分布不均。格柵拱架內(nèi)、外側(cè)均為壓應(yīng)力，分布不均；計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果較為一致。趙占廠等[3]針對礦山法施工的黃土隧道襯砌受力特性，根據(jù)埋深和土質(zhì)情況不同，對3座黃土公路隧道進(jìn)行了大規(guī)模的現(xiàn)場測試，并利用有限元程序?qū)λ淼朗┕み^程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。然而，針對三臺(tái)階七步開挖法施工的黃土隧道淺埋偏壓段支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究甚少。因此，以大西鐵路客用專線2標(biāo)段內(nèi)的磨盤山隧道進(jìn)口淺埋偏壓段為工程依托，進(jìn)行現(xiàn)場施工監(jiān)測和分析，結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究黃土隧道淺埋偏壓段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。

1 工程概況

大西鐵路客用專線磨盤山隧道進(jìn)口里程DK211+605～DK211+625處沖溝溝底坡度約為40°，溝底地形左高右低，沖溝走向與隧道軸線基本垂直，沖溝溝底右側(cè)基本與隧道開挖線相切，地形引起的隧道偏壓嚴(yán)重。該段隧道圍巖上部為第四系全新統(tǒng)坡積次生黃土，土質(zhì)疏松，結(jié)構(gòu)松軟，垂直節(jié)理發(fā)育，成洞性能較差，圍巖下部為中更新統(tǒng)老黃土。隧道開挖時(shí)易坍塌，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)較大坍塌。

該段隧道屬于V級(jí)圍巖，最大開挖跨度15.5 m，采用三臺(tái)階七步開挖法施工，開挖進(jìn)尺為一榀鋼拱架（0.6 m），仰拱距離掌子面距離為30 m。地表采取填土反壓措施，緩解地形原因造成的偏壓；同時(shí)洞內(nèi)施加Φ108大管棚超前支護(hù)，下穿施工方案示意圖見圖1。

圖1 下穿施工方案Fig.1 Schematic diagram of construction method

2 現(xiàn)場施工監(jiān)測及分析

2.1 監(jiān)測內(nèi)容及方法

針對磨盤山隧道進(jìn)口DK211+600～DK211+640段沖溝淺埋偏壓的特點(diǎn)，在里程DK211+608.6、DK211+613及DK211+618處分別安裝應(yīng)變計(jì)對鋼拱架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)，對隧道凈空變化采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測。鋼拱架內(nèi)力采用差動(dòng)電阻式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測儀器測點(diǎn)布置示意圖見圖2。隧道凈空變化量測采用全站儀進(jìn)行。基本測線布置可參照圖3。

圖2 應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Distribution of monitoring points

圖3 基本測線布置示意圖Fig.3 Distribution of surveying lines for tunnel settlement

2.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

2.2.1 隧道鋼拱架應(yīng)力

整理各點(diǎn)所測得的鋼拱架外側(cè)應(yīng)力，繪制成外側(cè)應(yīng)力分布圖，如圖4～6所示。

圖4 DK211+608.6鋼拱架應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of steel arch in DK211+608.6

圖5 DK211+613鋼拱架應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of steel arch in DK211+613

圖6 DK211+618鋼拱架應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of steel arch in DK211+618

（1）由圖4可知里程DK211+608.6處鋼拱架上半部分外側(cè)應(yīng)力分布基本對稱，處于受壓狀態(tài)，右下側(cè)局部受拉，最大壓應(yīng)力22.05 MPa，偏壓趨勢不明顯；分析認(rèn)為由于該里程處位于偏壓段初始位置，受前面非偏壓段支護(hù)結(jié)構(gòu)縱向拱效應(yīng)的影響，沒有表現(xiàn)出明顯的偏壓受力特征。由圖5可知，該偏壓段中心里程DK211+613處，受地形偏壓影響，鋼拱架受力表現(xiàn)出明顯的偏壓特征，鋼拱架左側(cè)受壓，最大壓應(yīng)力34.88 MPa，鋼右側(cè)受拉，最大拉應(yīng)力28.9 MPa，發(fā)生在拱腰部位。從圖6看，里程DK211+618處鋼拱架受力特征與里程DK211+613處基本相似，但鋼拱架應(yīng)力量值明顯小于DK211+613處，分析這是未開挖的非偏壓段圍巖的縱向拱效應(yīng)的原因。

（2）從3個(gè)監(jiān)測斷面鋼拱架外側(cè)應(yīng)力的量值來看，最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼拱架的屈服強(qiáng)度（390 MPa），表明鋼拱架強(qiáng)度沒有充分發(fā)揮，其在支護(hù)體系中作用不是很明顯；地形偏壓未影響鋼拱架結(jié)構(gòu)整體性的穩(wěn)定。

2.2.2 隧道凈空變化

由里程DK211+608.6、DK211+613、DK211+618處拱頂下沉實(shí)測資料整理繪制的監(jiān)測斷面拱頂實(shí)測過程線見圖7。

從圖7可以看出DK211+608.6、DK211+613、DK211+618斷面的拱頂沉降測點(diǎn)在歷時(shí)30 d的監(jiān)測中累計(jì)沉降分別為36.4 mm、37.2 mm和41.7 mm，最大沉降速率分別為8.0 mm/d、4.0 mm/d和5.0 mm/d，仰拱封閉后平均沉降速率0.5～1.5 mm/d，拱頂沉降變化比較緩慢，趨近穩(wěn)定。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)隧道圍巖的工程地質(zhì)條件與力學(xué)性態(tài)，采用FLAC3D進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算中采用摩爾-庫倫模型。根據(jù)圣維南定理，考慮到尺寸效應(yīng)引起的計(jì)算誤差，隧道中心線兩側(cè)取3.5倍洞徑，下邊界為3倍洞徑，上邊界到地表。計(jì)算模型如圖8所示。按剛度等效的原則，將鋼拱架的彈性模量折算到噴射混凝土。采用圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

圖7 監(jiān)測斷面拱頂下沉實(shí)測曲線Fig.7 The curve of vertical displacement of arch crown on monitoring section

圖8 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.8 Model for numerical simulation

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

取拱頂和左右拱腰3個(gè)部位為關(guān)鍵點(diǎn)，3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算位移見表2。由表2可見：拱部下沉最大值為41 mm，大于實(shí)測值37.2 mm，分析認(rèn)為是由于受實(shí)測條件的限制，未測量核心土開挖前隧道的下沉量；左拱腰下沉最大，拱頂次之，右拱腰最小，這與實(shí)測結(jié)果規(guī)律一致；左右邊墻均向隧道右側(cè)位移，拱頂向右偏移13 mm，說明隧道整體向右偏移13 mm。初期支護(hù)受力計(jì)算結(jié)果見圖9。由圖9可以看出：由于地形偏壓存在，較大彎矩依然出現(xiàn)在左拱腳和右拱頂處；軸力是右側(cè)受拉，初期支護(hù)受力較大，左側(cè)軸力明顯大于右側(cè)軸力，與鋼拱架應(yīng)力實(shí)測規(guī)律一致。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表[4]Table 1:Mechanical properties of surrounding rock and sup?porting structure

表2 各關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算位移Table 2:Displacement data of key points

4 結(jié)語

（1）淺埋偏壓情況下，隧道拱部發(fā)生了平移，應(yīng)加強(qiáng)對隧道結(jié)構(gòu)水平位移的監(jiān)控量測。

（2）該偏壓段隧道鋼拱架受力較復(fù)雜，但由于上覆土薄，鋼拱架總體受力較小，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼拱架屈服強(qiáng)度，表明鋼拱架在支護(hù)體系中安全儲(chǔ)備較大。

（3）在該偏壓段，由于上覆土薄，容易發(fā)生塌方，采取長大管棚超前支護(hù)并填土反壓措施的作用明顯。建議在黃土隧道淺埋偏壓段施工采取填土反壓措施減緩地形偏壓。■

圖9 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)Fig.9 Stress state of the support structure of the tunnel

[1]朱家橋.朱維申.軍都山隧道黃土試驗(yàn)段垂直位移觀測及分析[J].巖土力學(xué)，1988,9(1):21-25.

[2]姜純久.黃土隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性研究[J].2008,12(11):38-41.

[3]趙占廠,謝永利,楊曉華,等.黃土公路隧道襯砌受力性測試研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2004,17(1):66-70.

[4]大西鐵路客用專線磨盤山隧道工程黃土靜力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告[R].西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院巖土工程實(shí)驗(yàn)室.2011.