側壓力系數對高地應力隧道二次襯砌承載力的影響

王志杰，袁曄，何晟亞，許瑞寧

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

側壓力系數對高地應力隧道二次襯砌承載力的影響

王志杰，袁曄，何晟亞，許瑞寧

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

高地應力區隧道的地應力和側壓力系數往往沿線有所變化。為了研究高地應力條件下，側壓力系數對隧道二次襯砌承載力的影響規律，首先分析了隧道試驗段的實測地應力和接觸應力，確定了隧道所處的地應力及側壓力系數的大小。然后利用有限元軟件ANSYS，采用荷載結構模型計算了在0.25～4.00不同側壓力系數下隧道二次襯砌的內力。最后根據內力值計算出安全系數，從而推斷其極限承載能力，并總結了側壓力系數對隧道二次襯砌極限承載能力的影響規律。

隧道 側壓力系數 極限承載力 高地應力 荷載結構模型

隨著我國交通建設的不斷發展，隧道工程已經向長大、深埋方向發展。近幾年來，穿越高地應力區且地質環境惡劣的軟弱圍巖長大隧道工程不斷涌現。由于對高地應力區軟弱地質環境缺少足夠的認識，在隧道施工過程中頻頻出現塌方和襯砌變形過大等事故，給隧道建設造成巨大的損失。而高地應力區隧道的地應力水平和側壓力系數往往沿線有所變化，為了探明不同側壓力系數下，高地應力區隧道襯砌結構的受力特征和力學行為，本文以大梁隧道斜井段的地質條件和支護參數為背景，采用ANSYS有限元軟件針對不同豎向地應力和側壓力條件下隧道二次襯砌的內力進行了計算，進而分析了不同側壓力條件下二次襯砌極限承載力及受力特征。

1 工程背景

大梁隧道位于青海省門源縣，地處祁連山中高山區，平均海拔3 600～4 200 m，最高海拔為4 430 m，最大埋深超過800 m，穿越斷層帶，地質條件特別復雜。試驗段位于隧道斜井段，斜井長度1 070 m。掌子面揭示巖性為板巖夾灰巖，巖體呈灰白—灰黑色。受地質構造影響嚴重，巖層有撓曲現象，呈薄層狀，局部呈碎石狀松散結構。節理很發育，巖體較破碎～極破碎。巖質軟弱，掌子面多滲水，拱部有股狀涌水，并伴有碎屑顆粒流出。圍巖易坍塌，側壁不穩定，現場綜合判定為Ⅴ級圍巖。

2 實測地應力及接觸應力

在大梁隧道斜井輔助正洞DK331+816及DK332 +019處布置了鉛直地應力測試孔。經現場實測，最大水平主應力的最大值為27.83 MPa，最小主應力的最大值為15.18 MPa，實測地應力值如表1。在大梁隧道斜井輔助正洞DK331+630，DK331+710及DK332 +730處布置了3個襯砌接觸應力測試斷面，襯砌各點與圍巖接觸壓力如表2所示。

表1 大梁隧道地應力現場測試值

從表1中可以看出，試驗段中最大水平主應力值為27.83 MPa。而通過對單軸、三軸試驗數據的分析計算得到圍巖的單軸抗壓強度為20 MPa左右，由此可得圍巖強度應力比Rc/σmax=0.719，屬于極高地應力狀態。試驗段范圍內，側壓力系數均＞1，表明本區域是以水平構造應力為主導。從隧道實際開挖后測試出來的接觸壓力來看，側壓力值在1～3之間變化，與表1中的初始地應力值相比，開挖后的側壓力系數變化范圍較大，這應該與隧道開挖后應力重分布有關。總的來說，大梁隧道處于極高地應力區，且沿線側壓力系數有所變化。

表2 大梁隧道襯砌接觸壓力測試值

3 數值計算與結果分析

隧道設計參數如下:拱墻50 cm，仰拱60 cm。拱、墻、仰拱混凝土等級C35，HRB335雙層鋼筋，直徑22 mm，間距15 cm，保護層厚度50 mm。根據《鐵路隧道設計規范》TB 10003—2005，計算所采用的材料參數和地層參數見表3。計算中側壓力系數取值從0.25～4.00。

表3 材料計算參數

目前對隧道結構的計算主要有兩種模型:荷載—結構模型與地層—結構模型，本次計算采用荷載—結構模型進行計算。計算軟件采用大型通用有限元軟件ANSYS10.0。根據荷載—結構模型理論，假設襯砌四周均布地基彈簧。用梁單元Beam3來模擬隧道二次襯砌，利用Combin14單元來模擬圍巖對襯砌的彈性抗力，設置Combin14單元只受壓不受拉。對梁單元施加荷載，計算得到二次襯砌結構內力。

當取側壓力系數為2時，采用表4中不同荷載值試算，得到其安全系數如表4所示。根據《鐵路隧道設計規范》TB 10003—2005中對于安全系數的規定，就可以判斷出其水平極限荷載值。從表4可知，當側壓力系數為2，水平荷載為0.9 MPa時，二次襯砌的安全系數為2.4，剛好滿足二次襯砌安全性的要求，從而可以知道在側壓力系數為2時，水平極限荷載的值為0.9 MPa。當側壓力取其余值時，可分別采用上述方法經過試算得到對應的水平極限荷載值，詳見表5。

表4 側壓力系數為2時試算荷載組合

表5 側壓力系數對應水平極限荷載值

由表5和圖1可以看出，隧道處于不同側壓力水平下時，隧道襯砌的承載能力也會有所不同，產生破壞的位置也將發生變化。隨著側壓力系數的增大，極限荷載值呈現先增大后減小的趨勢，二次襯砌危險部位由拱頂轉移到墻角。在側壓力系數為1時，極限荷載值取得最大值，襯砌結構受力較均勻。

圖1 側壓力系數與水平極限荷載曲線

根據圖1，若確定側壓力系數值后，隧道所受的實際水平荷載值在圖中曲線以下，則結構是處于安全狀態的，若在曲線以上，則結構安全系數不能滿足規范要求。據此可以對大量隧道試驗斷面進行安全性分析，如表6所示。可以看出，3個試驗斷面安全性均滿足規范要求。

表6 試驗斷面安全性分析

4 結論

本文結合現場測試和有限元數值模擬，研究了側壓力系數對高地應力隧道二次襯砌極限承載力及其變化規律的影響，得出了以下結論:

1)隧道處于不同側壓力水平下時，隧道襯砌的承載能力也會有所不同，產生破壞的位置也將發生變化。

2)側壓力系數為1時，水平極限荷載值最大。此時結構內力分布較為均勻，為最佳受力狀況。

3)側壓力系數小于1時，隨著側壓力系數增大，水平極限荷載值增大。側壓力系數大于1時，隨著側壓力系數增大，水平極限荷載值減小。

4)側壓力系數較小值(此處為0.25～0.5)時，控制斷面為拱頂，即拱頂混凝土易產生受拉破壞，在施工中應該注意控制拱頂混凝土澆筑質量。當側壓力系數較大時，控制斷面為墻腳，即墻角混凝土易產生受拉破壞，此時要嚴密控制墻角混凝土澆筑質量，防止墻角混凝土拉壞。

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Influence of lateral pressure coefficient on bearing capacity of secondary lining of tunnel in high ground-stress area

WANG Zhijie，YUAN Ye，HE Shengya，XU Ruining
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T he ground stress level and lateral pressure coefficients of high ground stress area often vary along the tunnel．In order to study the influence of lateral pressure coefficient on the bearing capacity of the secondary tunnel lining under high ground stress conditions，the measured stresses and contact stress in the tunnel test section are firstly analyzed，and the ground stress level and the lateral pressure coefficient are determined．By using finite element software ANSYS and load structure model，this paper calculated the internal force of tunnel secondary lining under different lateral pressure coefficient which is from 0.25 to 4.00，and concluded influence of lateral pressure coefficient on ultimate bearing capacity of tunnel secondary lining according to the safety coefficient and its ultimate bearing capacity deduced by the internal force value．

T unnel;Lateral pressure coefficient;Ultimate bearing capacity;High ground stress;Load structure model

U451+.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．16

1003-1995(2015)03-0054-03

(責任審編趙其文)

2014-07-26;

2014-12-22

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，山西萬榮人，教授。