基于支護結構安全系數的鐵路隧道圍巖膨脹性分級方法

鄧興安,龔 倫,凌 昊

基于支護結構安全系數的鐵路隧道圍巖膨脹性分級方法

鄧興安1,龔 倫2,凌 昊2

(1.中鐵二十一局集團有限公司,蘭州 730000;2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室土木工程學院,成都 610031)

采用室內試驗方法建立隧道膨脹性圍巖含水量、加載壓力與膨脹率的關系,以及自由膨脹率與無荷膨脹率、有荷膨脹率的關系;采用數值方法模擬新建山西中南部鐵路線上莊1號隧道的施工過程,計算得到了不同膨脹率條件下各施工步序支護結構各截面的彎矩和軸力,從而計算出安全系數;基于隧道施工過程中支護結構安全系數計算,建立不同線膨脹率與隧道結構安全系數的關系并得到其計算公式,進而根據自由膨脹率、50 kPa荷載下有荷線膨脹率將膨脹土劃分為Ⅰ～Ⅳ級。研究成果為類似膨脹土隧道的修建提供參考,具有重要的現實意義。

鐵路隧道;膨脹率;巖性分級;安全系數;評定標準

隨著我國交通建設的發展,在膨脹巖地區修建的隧道越來越多。膨脹巖隧道在開挖后由于應力重分布與水的作用等原因,膨脹性巖土反復遇水膨脹、失水收縮,使隧道產生了向隧道內的擠壓和位移,嚴重時達百余厘米,造成圬工開裂或底板隆起導致工程災害的發生。如受膨脹性軟巖的影響,襄渝線董家溝隧道和七里溝隧道在施工中均出現了嚴重的坍塌冒頂災害,西嶺雪山隧道的二次襯砌混凝土局部塌落、斷面開裂和隆起、洞內滲漏水現象[1-2]。

本文依托新建山西中南部鐵路上莊1號隧道,圍繞膨脹性軟巖帶來的施工難題,研究含水量、加載壓力與膨脹率的關系,以及膨脹率與隧道襯砌安全系數的關系,從而提出基于膨脹率和襯砌結構安全性的膨脹性軟巖分級,為工程實踐中采取針對性的對策措施提供借鑒。

1 工程概況

新建山西中南部鐵路上莊1號隧道位于河南省安陽市境內,隧道全長1 387m,洞身最大埋深為26m。隧道圍巖為灰白色N2h3泥灰巖,具中等膨脹性,具有膨脹力大、強度低、遇水易崩解、穩定性差等特性,施工過程中需及時封閉掌子面及底板,減少暴露時間。

2 室內試驗

2.1 試驗目的及土樣制備[3]

通過室內試驗,得到膨脹巖的基本力學參數,建立自由膨脹率與線性膨脹率的關系。試驗土樣共分為2個類型,一類是取自依托工程的土樣,根據《土工試驗規程》要求制作了5個不同含水量的土樣;另一類是配出不同自由膨脹率的土樣15組。

2.2 試驗結果與分析

2.1.1 應力-膨脹本構關系

試驗得到了5組不同初始含水率的膨脹軟巖在不同壓力下的膨脹規律[4],如表1和圖1所示。可以看出,當含水量一定時,隨著加載壓力的增大,試樣的膨脹率不斷減小并趨于穩定;而當加載壓力一定時,含水量越小,試樣的膨脹率越大。

表1 _不同初始含水量下壓力-膨脹率試驗

圖1 不同初始含水量壓力膨脹率關系曲線

2.1.2 自由膨脹率-線膨脹率關系

不同自由膨脹率的土樣15組,分別進行自由膨脹率、無荷線性膨脹率、有荷(根據隧道埋深選取:50 kPa)線性膨脹率之間關系試驗,得出試驗結果詳見表2,其關系曲線見圖2。可以看出,隨著自由膨脹率的增大,試樣的無荷膨脹率和50 kPa荷載膨脹率不斷增大,近似呈線性關系[5-6]。根據試驗結果,擬合得到自由膨脹率δef與有荷線膨脹率δep的關系為:δep= 0.054δef-2.24。

表2 自由膨脹率及無荷線性膨脹率試驗結果

圖2 自由膨脹率有荷(50 kPa)線性膨脹率關系

3 膨脹軟巖在隧道工程中的分級

3.1 分級標準

隧道規范中給出了根據襯砌結構所受彎矩和軸力計算安全系數的方法,參見文獻[7-8]。本文以隧道結構安全系數作為膨脹軟巖分級標準,見表3。

表3 隧道膨脹軟巖分級標準(結構安全系數)

3.2 計算模型

3.2.1 有限元模型

模型上表面取至地表,埋深25 m,模型寬120m,模型高85.5m;隧道支護采用BEAM3單元模擬,圍巖采用Plane 42單元模擬,膨脹圍巖采用Plane13單元模擬。左右邊界受水平方向約束,垂直方向底面受豎向約束,頂面為自由面。有限元模型見圖3和圖4[9-10]。

支護結構參數:初期支護厚0.3 m;二次襯砌厚0.6m(其中仰拱部分為0.7m);錨桿直徑22mm,長度4.5 m。

3.2.2 計算物理力學參數

有限元模型計算參數如表4所示。

圖3 整體模型

圖4 隧道局部模型

表4 混凝土的物理力學參數

3.2.3 計算工況

施工方法采用工程實際中采用的工法,即三臺階預留核心土法,線膨脹率(此處為有荷膨脹率)選用范圍是:0.02%～2.5%,計算工況見表5。

表5 膨脹軟巖分級計算工況列表

3.3 計算結果與分析

3.3.1 不同線膨脹率結果

限于篇幅,在此僅列出線膨脹率為0.15%的計算圖表,其余工況以統計表列出[11-13]。

(1)線膨脹率為0.15%

線膨脹率為0.15%工況下,下臺階初期支護及二次襯砌施作完成后初期支護內力見圖5、圖6,各施工步下內力檢算見表6。

圖5 下臺階初支施作后初期支護內力圖

_表6 各施工步最不利部位結構內力檢算

圖6 二次襯砌施作后初期支護內力圖

在線膨脹率為0.15%雙線鐵路隧道在各施工步中的結構的最小安全系數為4.2。

(2)各種線膨脹率的計算結果

根據對各線膨脹率的計算,得出膨脹軟巖雙線鐵路隧道在不同線膨脹率下的最小安全系數,據此繪制線膨脹率-安全系數關系曲線見圖7。

圖7 不同線膨脹率安全系數關系曲線

膨脹軟巖線膨脹率小于0.15%時,膨脹力不是隧道結構受力的主要因素,隧道結構內力受一般地層壓力的控制;當膨脹率超過0.15%后,結構安全系數隨膨脹率的增加而降低。

3.3.2 膨脹軟巖的分級

根據以上分析,膨脹軟巖的線膨脹率對隧道結構安全系數有直接的影響。

(1)膨脹軟巖線膨脹率小于0.15%時,膨脹力不是隧道結構受力的主要因素,隧道結構內力受一般地層壓力的控制,可將該膨脹率的膨脹軟巖劃分為微膨脹軟巖。

(2)線膨脹率大于0.15%時,為了劃分膨脹軟巖的影響程度,通過對圖7中線膨脹率大于0.15%的曲線進行擬合,得曲線擬合曲線及公式(圖8)。將膨脹軟巖分級標準代入擬合公式,可將膨脹軟巖根據不同的線膨脹率劃分為無、弱、中、強4個等級,線膨脹率及自由膨脹率分級結果見表7。

圖8 不同線膨脹率安全系數擬合曲線

表7 膨脹軟巖分級結果

4 結論

(1)當含水量一定時,隨著加載壓力的增大,試樣的膨脹率不斷減小并趨于穩定;而當加載壓力一定時,含水量越小,試樣的膨脹率越大。

(2)隨著自由膨脹率的增大,試樣的無荷膨脹率和有荷膨脹率不斷增大,近似呈線性關系。

(3)依托工程背景,建立了膨脹土的線膨脹率與隧道結構安全系數關系,并通過擬合得到兩參數的計算公式;

(4)根據線膨脹率和自由膨脹率將膨脹土分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級共4個等級。

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Grading Method of Dilatability of Railway Tunnel Surrounding Rock Based on Supporting Structure Safety Coefficient

DENG Xing-an1,GONG Lun2,LING Hao2
(1.China Railway 21st Bureau Group Co.,Ltd.,Lanzhou 730000,China;2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Ministry of Education;School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Through lab experiment,the relationships between water content of tunnel swelling surrounding rock,loading pressure and swelling rate were established,also relationships among free swelling rate,swelling rate without load and swelling rate with load were established.Using numerical method,the construction procedure of Shangzhuang No.1 tunnel on the Mid-south Railway of Shanxi province was simulate,and the bending moment and axial force of every cross-section of supporting structure of every construction stage with different swelling rates were calculated respectively.Then the safety coefficient was worked out.On the basis of above-mentioned safety coefficient,and after establishing the relationship between different linear swelling rate and tunnel safety coefficient,the calculation formulawas obtained.Further,according to free swelling rate and linear swelling ratewith the load under50 kPa,the authors divided the swelling rocks intoⅠ～Ⅳlevels.The results could serve as a reference to similar swelling rock tunnel and have a significantmeaning.

railway tunnel;swelling rate;lithology grading;safety coefficient;evaluation standard

U452.1+2

A

1004-2954(2013)07-0094-03

2013-01-26;

2013-03-22

國家自然科學基金資助項目(51178399)

鄧興安(1969—),男,高級工程師,1989年畢業于石家莊鐵道學院建筑管理專業,E-mail:137130042@qq.com。