小凈距淺埋偏壓軟巖隧道支護結構受力實測分析

蔣宗鑫，吳 斌

(1．甘肅中建市政工程勘察設計研究院，甘肅 蘭州 730000;2．西安中交公路巖土工程有限責任公司，陜西 西安 710075)

小凈距淺埋偏壓軟巖隧道支護結構受力實測分析

蔣宗鑫1，吳 斌2

(1．甘肅中建市政工程勘察設計研究院，甘肅 蘭州 730000;2．西安中交公路巖土工程有限責任公司，陜西 西安 710075)

小凈距淺埋偏壓軟巖隧道在洞口較易出現二襯承擔較大圍巖壓力而開裂的現象，為了避免二襯結構的破壞，對初支與二襯所承擔的圍巖壓力比例的研究至關重要。以竹山隧道為例，利用壓力盒測試得到初期支護和二次襯砌所承擔的圍巖壓力數據。經計算分析，拱頂處二次襯砌分擔的圍巖壓力占到了50% ～60%，且在偏壓側二襯承擔了更大的壓力。因此，在設計軟巖地區小凈距淺埋偏壓隧道時應考慮二襯為承載結構，在偏壓側加大支護力度。

隧道 小凈距 淺埋 偏壓

隧道二襯主要起分擔部分地層壓力，防止初支、圍巖大變形的作用。隧道工程設計往往沒有注重隧道二襯分擔的圍巖壓力，認為初期支護分擔了隧道絕大部分圍巖壓力，最終導致二襯因設計強度不夠而開裂。

目前對小凈距淺埋偏壓軟巖隧道的二襯承擔的荷載比的理論研究較少。為了從設計上解決二襯開裂問題，本文通過監測現場圍巖壓力，分析小凈距淺埋偏壓軟巖隧道二襯承擔的荷載比。

1 工程概況

竹山隧道為小凈距分離式雙線隧道。左幅隧道起訖樁號為 ZK156+460—ZK157+430，長970 m，最大埋深136 m;右幅隧道起訖樁號為 YK156+460—YK157+425，長 965 m，最大埋深 145 m。進口段近200 m埋深約為20 m，屬于淺埋地段。隧址區出露的地層主要為碎石土及強～弱風化絹云母片巖。隧道區埋深左低右高，存在明顯的偏壓現象。隧道左、右線間距18～25 m，屬于小凈距隧道。地下水不甚發育，主要以裂隙水為主，鉆孔未揭露到地下水位。隧道明洞采用就地模筑全斷面整體式鋼筋混凝土襯砌，暗洞施工開挖總體上拱部采用光面爆破，邊墻部采用預裂爆破。隧道圍巖為強風化絹云母片巖，片理非常發育，整體性差。Ⅴ級圍巖地段采用上下臺階預留核心土法施工。隧道進口小凈距淺埋偏壓段支護參數見表1。

表1 隧道進口小凈距淺埋偏壓段支護參數

2 監測內容、方法與圍巖壓力計算

2.1 監測內容與儀器

本次現場監測集中于圍巖壓力、襯砌間接觸壓力，用到的儀器主要為壓力盒，采用TDTYJ 20型振弦式土壓力計，讀數儀為振弦頻率讀數儀。

2.2 壓力盒的埋設方法

1)測點布設時應把測點布設在具有代表性斷面的關鍵部位上(如拱頂、左右拱肩、拱腰、拱腳、邊墻仰拱等)，每一斷面至少布置10個測點，并對各測點逐一進行編號。壓力盒分別埋設于圍巖與初支間、初支與二襯間。

2)竹山隧道初期支護采用的是工字鋼，由于鋼拱架與噴射混凝土層易出現噴漿不密實的情況，所以將鋼板焊接在鋼拱架上，并用鐵絲固定壓力盒，實現鋼拱架與壓力盒的緊密接觸，并均勻受力。

3)用砂漿將圍巖面抹平，噴漿時采用側面噴射，保證壓力盒背后漿液的密實，使壓力盒能夠均勻承受圍巖壁面產生的壓力。

4)將導線集結成束，在出露部位套上塑膠管，以避免導線被施工破壞。

2.3 圍巖壓力的計算

埋設完畢，需讀取壓力盒的初始讀數，并按照表2中監測要求進行測試并記錄。通過初始讀數和后續讀數，將所監測到的壓力盒讀數換算為圍巖壓力值，換算公式為

式中:P為圍巖壓力，MPa;K為標定系數，MPa/Hz2;fi為監測頻率，即第i次壓力盒讀數，Hz;f0為初始率定頻率，即壓力盒初始讀數，Hz。

表2 隧道現場圍巖壓力監測頻率

3 測點布置

3.1 監測斷面總體布置

在縱向上，主要將監測斷面布置在初支大變形、開裂、掉塊等地段，因為這些地段二襯施作后往往會產生較大的壓力值。對這些典型斷面的監測，通過監測壓力能較好地反應二襯的受力，對這些典型斷面進行安全性評價，再者斷面在縱向上除了布置在初支大變形、開裂等地段，還要分析斷面是否位于小凈距隧道淺埋偏壓段，這是為了更好地反映淺埋、偏壓、小凈距、軟巖等復雜地質條件下隧道圍巖壓力及支護結構的受力情況。通過施工中的現場觀測可知，后期發生二次襯砌開裂的地段往往前期初支發生過大變形、開裂等現象，并且大都是處于隧道進出口兩側淺埋段，因此為了對后期二次襯砌的開裂段壓力有所反映，結合隧道實際施工情況，在隧道圍巖斷裂破碎帶、初支大變形地段、初支塌方段布置了 ZK156+527，ZK156+533，YK157+355三組壓力監測斷面，見表3。

3.2 各斷面壓力盒布置

隧道圍巖與初期支護之間、初期支護與二襯之間的壓力盒埋設情況見圖1。圍巖與初期支護之間、初支與二襯之間各布置5個壓力盒，拱頂設置1個，拱腰設置2個，左、右邊墻各1個，沿隧道中心線對稱布置。

表3 壓力監測斷面相關信息匯總

圖1 壓力盒埋設示意

4 監測結果分析

4.1 圍巖與初期支護之間分擔的壓力

為了量測圍巖與初期支護之間壓力，在3個測試斷面開挖完成后，在拱頂、左右拱腰、左右邊墻的位置分別布置5個壓力盒，經過多次量測，獲得了各斷面壓力時程曲線。這里對ZK156+527斷面進行分析。

由圖2可知:隨著時間的增加，ZK156+527斷面所分擔的圍巖壓力不斷增大，但增加幅度越來越小，曲線斜率逐漸變緩，截止1個月，右拱腰壓力值穩定在0.37～0.38 MPa，拱頂壓力值穩定在 0.26～0.28 MPa，左拱腰壓力值穩定在0.05～0.07 MPa。最大壓力值在右拱腰，其次為右邊墻，左拱腰壓力值最小。

4.2 二襯分擔的圍巖壓力

竹山隧道ZK156+527監測斷面二襯分擔的圍巖壓力時程變化曲線見圖3。

圖2 竹山隧道ZK156+527監測斷面初襯分擔的壓力時程曲線(2011年)

圖3 竹山隧道ZK156+527監測斷面二襯分擔的壓力時程曲線(2011年)

如圖3可知:ZK156+527斷面二襯分擔的壓力分為3個階段(初始變化較小階段，迅速增加階段和逐漸穩定階段)，在10 d內變化較小，二襯施作后，壓力迅速增大;拱頂最大壓力值在0.16 MPa左右，右拱腰最大壓力值在0.12 MPa左右，左拱腰最大壓力值在0.11 MPa左右。壓力最大值在拱頂，其次為左右拱腰，左邊墻壓力最小。

4.3 圍巖壓力特征

1)隨著初期支護的施作，圍巖與初期支護之間壓力不斷加大，開始增幅很大，后來逐漸減小，趨于穩定，這是圍巖變形逐漸趨于穩定的結果。

2)初期支護與二襯壓力時程曲線均存在3個階段:①在二次襯砌施作之前，由于僅施加柔性支護，襯砌和圍巖產生協同變形，隧道圍巖巖體的彈性能和重力勢能以做功的形勢逐漸耗散或重新分布，使初支與圍巖之間的壓力變化較小。②在二襯施作完成后，支護剛度有明顯提升，支護結構幾乎不產生變形。隧道圍巖巖體的彈性能和重力勢能以彈性能的形勢集中儲存在支護結構及其周圍巖體內，使洞身附近巖體產生局部應力集中。圍巖與支護結構之間的壓力短時間內產生較大增幅，隧道埋深越深，地應力越高，存在的彈性能越強，產生的增幅以及增速就越大，相應的壓力曲線第一、二階段持續時間就越短。③當圍巖壓力增大到一定程度后，支護結構對圍巖產生的抗力使隧道圍巖產生應力平衡，阻止了圍巖的進一步變形，壓力逐漸趨于穩定。

3)隧道的圍巖壓力具有很大的非對稱性，即左右兩側的圍巖壓力差別比較大。這是因為層狀圍巖具有順層偏壓特性，支護結構與巖層延伸方向垂直部位圍巖壓力較高。另外由于淺埋段圍巖較為松散破碎，因此拱頂圍巖壓力也明顯高于隧道兩側拱墻。

5 支護結構壓力分擔比例

根據壓力盒埋設情況，可將初襯壓力盒最終讀數視為圍巖對支護結構的整體壓力，將二襯壓力盒最終讀數視為二襯承受的壓力，因此可根據下式計算初支及二襯承受的壓力。

根據現場壓力監測數據，參照式(2)～式(4)即可求出小凈距隧道淺埋偏壓段初支和二襯分別承擔的壓力比，見表4。

表4 典型斷面初期支護與二襯分擔的壓力比

由表4可見:

1)二襯均分擔了圍巖壓力。說明在小凈距淺埋軟巖隧道二襯分擔的圍巖壓力不可忽視。

2)拱頂二襯分擔的圍巖壓力均在初支之上，且都超過50%。

3)ZK156+527斷面右拱腰二襯分擔的圍巖壓力達到了100%，YK157+355左拱腰、左邊墻二襯分擔的圍巖壓力也達到了100%，可以看出該隧道存在偏壓現象。

綜上可知，設計小凈距淺埋偏壓軟巖隧道時考慮二襯承擔較小的圍巖壓力是不合理的，應根據實際情況采取相應的措施以減少二襯結構的破壞。

6 結論

通過現場對竹山隧道初期支護和二襯分擔的圍巖壓力測試，得出二襯分擔的圍巖壓力占有較高的比例。拱頂處二次襯砌分擔的圍巖壓力占到了50% ～60%，而隧道右洞左右拱腰，以及左邊墻二襯基本上分擔了全部的圍巖壓力，隧道左洞左右邊墻分擔的圍巖壓力也達到了94%以上。

在淺埋段，小凈距偏壓隧道二襯承載不可避免，受力過大就可能導致二襯破壞。拱頂基本無開裂，說明初襯承擔40%和二襯承擔60%的圍巖壓力是比較合理的。以此作為設計標準，將受偏壓影響側加強初支剛度，使其分擔更多的圍巖壓力，以減小二襯的荷載比，避免二襯的開裂。

［1］周德培，毛堅強，張魯新，等．隧道變形與坡體災害相互關系及其預測模式［J］．鐵道學報，2002，24(1):81-86．

［2］李治國，曹禎楹．鐵山隧道病害治理技術［J］．鐵道工程學報，2000，61(1):77-81．

［3］李波，焦蒼，王全勝．渝懷鐵路隧道二襯開裂原因機理分析及施工對策［C］//地下工程施工與風險防范技術——2007第三屆上海國際隧道工程研討會文集．上海:上海市土木工程學會，上海隧道工程股份有限公司，2007．

［4］陳振河，張國慶．基于斷裂力學原理的隧道二襯開裂機理研究［J］．黑龍江科技信息，2010(2):249，24．

［5］李勇鋒，李濤，徐穎，等．淺埋偏壓軟巖隧道二襯開裂力學機理研究［J］．鐵道建筑，2013(11):67-69．

［6］潘洪科，楊林德，黃慷．隧道偏壓效應與襯砌裂縫的研究［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(18):3311-3315．

［7］楊昌賢．公路隧道二次襯砌承載能力與優化設計研究［D］．成都:西南交通大學，2010．

［8］潘朝，吳立．淺埋偏壓隧道大變形原因分析及處治措施［J］．鐵道建筑，2013(12):65-68．

［9］中華人民共和國鐵道部．TB 10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

Measured stress analysis of support structure of tunnel featuring shallow-buried，bias pressure and small net space between tunnels

JIANG Zongxin1，WU Bin2

(1．Gansu Municipal Construction Engineering Survey and Design Institute，Lanzhou Gansu 730000，China;2．Xi'an China Highway Geotechnical Engineering Co．，Ltd．，Shaanxi Xi'an 710075，China)

Cracking phenomenon often appears at the entrance of small net spacing shallow-buried bias pressure tunnel in soft rock because the secondary lining bears the larger surrounding rock pressure．In order to avoid the destruction of secondary lining structure，it is very important to study the surrounding rock pressure ratio between the initial support and the secondary lining．Taking Zhushan tunnel as an example，the surrounding rock pressure data of the initial support and secondary lining was obtained by pressure box test．Through calculating and analyzing，the secondary lining in the vault shares 50% ～60%of the surrounding rock pressure and the secondary lining on the bias pressure side bears more pressure．Therefore，secondary lining bearing structure should be taken into account in the design of small net spacing shallow-buried bias pressure tunnel in soft rock，which means support strength should be increased on the bias pressure side．

Tunnel;Small net spacing;Shallow-buried;Bias pressure

U456

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．15

1003-1995(2015)07-0050-04

2014-12-10;

2015-05-10

蔣宗鑫(1988— )，男，甘肅會寧人，助理工程師，碩士。

(責任審編 葛全紅)