寶蘭客專第三系泥巖隧道圍巖變形規律研究

張欽鵬，梁慶國，王新東

(1．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070;2．中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

寶蘭客專第三系泥巖隧道圍巖變形規律研究

張欽鵬1，梁慶國1，王新東2

(1．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070;2．中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

以寶雞到蘭州客運專線安定隧道為工程背景，通過現場監控量測，研究了隧道拱頂下沉、水平收斂、圍巖壓力、鋼拱架應力的變化規律，并與有限元軟件Midas/GTS模擬結果進行了對比分析。監測數據表明:隧道已完成了大部分變形并趨于穩定;圍巖壓力增長較快，左側壓力整體大于右側，但最終都趨于穩定;鋼拱架應力波動較大，左邊墻處應力大于其他部位，鋼拱架應力的整體分布規律與圍巖壓力近似。監測數據與數值模擬結果對比表明，下部泥巖飽水軟化后仰拱出現明顯底鼓現象，可能與下部泥巖飽水后受力不均勻有關。

泥巖隧道;圍巖壓力;拱頂下沉;水平收斂;數值模擬

1　工程概況

寶蘭客專東起寶雞，西至蘭州，全長400.74 km。安定隧道位于甘肅省定西市，全長3 092 m，相對高差220～270 m，最大埋深270 m。該隧道洞身通過的地層主要為第三系上新統泥巖，成巖作用差，開挖后地下水滲出，仰拱處泥巖易被水泡軟呈飽水狀態，圍巖以Ⅳ～Ⅴ級為主。拱頂處圍巖為老黃土，中下部為第三系泥巖。隧道按新奧法臺階法施工，初期支護采用噴錨支護，以鋼拱架、錨桿、鋼筋網和噴射混凝土共同組成聯合支護體系，鋼拱架為I20a型鋼，間距0.5 m。二次襯砌為模筑鋼筋混凝土。

2　監測斷面布置與監測結果分析

2.1監測斷面布置

監測斷面選在IDK941+474處，斷面位于第三系泥巖與老黃土交界處。依據規范［1-2］相關要求，測試項目有拱頂下沉、水平收斂、圍巖壓力和鋼拱架應力。根據隧道開挖工序沿斷面共布置8個應力監測元件。元件分別采用振弦式高精度雙膜土壓力計和鋼拱架表面應變計。測點布置見圖1。其中:GD為拱頂沉降觀測點，使用全站儀量測;SL1-SL2為凈空收斂觀測點，使用收斂儀量測。

圖1　測點布置

2.2監測結果與分析

2.2.1拱頂下沉和水平收斂

拱頂下沉時程曲線見圖2(a)。拱頂累計下沉量隨時間推移逐漸增大，第5.5 d開始下沉速率明顯增大，到第18 d后下沉逐漸趨于平穩，第5.5 d到第18 d的下沉量約占最終累計下沉量的75%左右，拱頂累計下沉值最終穩定在48.9 mm。

圖2　拱頂下沉和圍巖水平收斂時程變化曲線

水平收斂時程曲線見圖2(b)。隧道開挖后圍巖應力釋放較為明顯，水平收斂量隨著時間推移逐漸增大(最大水平收斂36.23 mm出現在第5.5 d)，然后趨于平穩，最終穩定在27.90 mm。

2.2.2圍巖壓力

下部泥巖處于飽水狀態下圍巖壓力時程變化曲線見圖3?？梢钥闯觯筮厜Φ膰鷰r壓力釋放較為明顯，數值遠大于其它部位，穩定后達到了939.03 kPa;仰拱拱頂和仰拱左拱腳處數值也相對較大，穩定后分別為390.17 kPa和279.18 kPa，其余各點數值相對較小;拱頂壓力波動較大并且仍有繼續增大的趨勢，后期應特別注意。總體而言，圍巖壓力隨時間先急劇增大，然后增長幅度變緩，最后趨于穩定［3］。從圍巖變形穩定后的壓力分布(圖4)可以看出，左右圍巖壓力不對稱，左側壓力遠大于右側，尤其是左下部和仰拱拱頂處圍巖壓力明顯偏大。這很可能與下部泥巖飽水軟化后受力不均勻有關。

圖3　泥巖飽水狀態下圍巖壓力時程變化曲線(單位:kPa)

圖4　泥巖飽水狀態下圍巖變形穩定后的壓力分布(單位:kPa)

2.2.3鋼拱架應力

下部泥巖處于飽水狀態下鋼拱架應力時程變化曲線見圖5。負號表示受壓，正號表示受拉。由圖5可見:除左拱腳和右邊墻處初期處于受拉狀態外，其他位置都處于受壓狀態;左邊墻處應力一直大于其他部位應力，穩定后應力數值達到了247.80 MPa;左拱腳處應力也相對較大，穩定后應力數值達到了179.91 MPa。整體來看，應力隨時間先急劇增大，然后增長幅度變緩，最后趨于穩定。從鋼拱架變形穩定后鋼拱架應力分布(圖6)可以看出:左右鋼拱架應力也不對稱，左側應力大于右側，其中左邊墻處鋼拱架應力明顯偏大，這與圖4中的圍巖壓力分布相似，但安設鋼拱架后，支護結構改善了圍巖壓力的分配，并形成了穩定的環形封閉結構，有效減小了左邊墻的應力集中現象［4］。

圖5　泥巖飽水狀態下鋼拱架應力時程變化曲線(單位:MPa)

圖6　泥巖飽水狀態下鋼拱架變形穩定后鋼拱架應力分布(單位:MPa)

3　隧道開挖過程數值模擬

3.1計算模型

隧道開挖后，圍巖會發生應力重分布，但只有周圍3～5倍孔徑范圍內的巖體會受到影響。因隧道開挖輪廓尺寸為12.2m(寬)×8.68 m(高)，故模型橫向左右邊界分別距離隧道中心5倍洞徑，即模型的總寬度為122m;上邊界距離隧道頂部40 m;下邊界距離隧道底部為4倍洞徑，即模型的總高度為83.40 m。計算模型見圖7。

模擬開挖步驟:①開挖前設置圍巖初始應力場;②拱頂環向開挖，安設鋼拱架，噴錨支護;③左側中臺階開挖，安設鋼拱架，噴錨支護;④右側中臺階開挖，安設鋼拱架，噴錨支護;⑤左側下臺階開挖，安設鋼拱架，噴錨支護;⑥右側下臺階開挖，安設鋼拱架，噴錨支護;⑦預留核心土開挖;⑧仰拱開挖，安設鋼拱架，噴射混凝土;⑨二襯模筑混凝土;⑩仰拱回填。

3.2計算參數

圍巖材料采用理想彈塑性本構關系中的莫爾-庫倫模型，混凝土材料則按照線彈性本構關系處理，同時采用梁單元模擬鋼拱架［5-8］。建立模型時，定義上部圍巖為黃土層，中部為天然狀態泥巖，下部為飽水和天然2種狀態泥巖。查閱相關規范［9］和文獻［8］并結合工程實際情況選取模型材料的物理力學參數，見表1。

圖7　計算模型

表1　數值模型材料物理力學參數

3.3計算結果與分析

3.3.1鋼拱架應力

下部泥巖在不同狀態下鋼拱架關鍵部位應力對比見圖8?？梢?，不同狀態下隧道均未出現明顯的偏壓情況，左右側應力基本對稱。下部泥巖在飽水狀態下鋼拱架各部位應力與實測值較為接近，而且均明顯大于下部為天然狀態泥巖時的應力值。尤其是在仰拱拱頂處，飽水后的應力數值是天然狀態時的5倍。

3.3.2仰拱拱頂豎向變形

下部泥巖在不同狀態下仰拱拱頂累計豎向變形量對比見圖9?？梢?，下部泥巖飽水軟化后仰拱拱頂豎向變形量達到了41.98 mm，底鼓較為明顯，而下部泥巖為天然狀態時變形量僅為10.94 mm。

3.3.3圍巖水平收斂

下部泥巖在不同狀態下圍巖累計水平收斂量對比見圖10?？梢?，下部泥巖在天然狀態下圍巖最終水平收斂量為6.87 mm，而下部泥巖在飽水狀態下則達到了26.64 mm，這與實測的圍巖水平收斂量27.90 mm基本一致。

圖8　下部泥巖在不同狀態下鋼拱架關鍵部位應力對比(單位:MPa)

圖9　下部泥巖在不同狀態下仰拱拱頂累計豎向變形量對比

圖10　下部泥巖在不同狀態下圍巖累計水平收斂量對比

4　結語

1)實測數據顯示，下部泥巖飽水后發生不均勻變形，導致下部結構受力不均勻，其中左邊墻、仰拱拱頂受力明顯大于其他區域。拱頂下沉量相對較大，圍巖已經完成了大部分變形并趨于穩定。可以認為圍巖在后期的施工過程中不會出現較大的變形。

2)實測數據與模擬結果對比顯示，下部泥巖飽水軟化后仰拱底鼓現象比較明顯，并且鋼拱架應力和圍巖水平收斂量明顯增大。故施工中應特別注意及時將洞內滲水排出洞外，避免泥巖飽水軟化現象的發生。

［1］中國鐵路總公司．Q/CR 9218—2015鐵路隧道監控量測技術規程［S］．北京:中國鐵道出版社，2015．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10753—2010高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準［S］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［3］李鵬飛，田四明，趙勇，等．高地應力軟弱圍巖隧道初期支護受力特性的現場監測研究［J］．巖石力學與工程學報，2013，32(增):3509-3519．

［4］扈世民，張頂立，王夢?。髷嗝纥S土隧道開挖引起的圍巖力學響應［J］．中國鐵道科學，2011，32(5):50-55．

［5］魏海虹．淺埋偏壓隧道施工過程數值分析［J］．鐵道建筑，2015(8):58-60．

［6］趙佃錦，梁慶國，魯得文，等．高地應力隧道臺階法施工過程數值模擬［J］．地下空間與工程學報，2014，10(2):441-448．

［7］左乾坤，李天斌，孟陸波，等．隧道鋼拱架支護結構受力特征的數值模擬分析［J］．中外公路，2011，31(4):196-199．

［8］馮忠居，朱登遠，彭小兵，等．泥巖隧道施工技術對圍巖的影響及其數值模擬分析［J］．公路，2013(12):224-229．

［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．

(責任審編 葛全紅)

Study on Deformation Law of Tertiary Mudstone Around Tunnel on Baoji－Lanzhou Passenger Dedicated Railway

ZHANG Qinpeng1，LIANG Qingguo1，WANG Xindong2
(1．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China; 2．China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Based on the engineering background of Anding tunnel on Baoji－Lanzhou passenger dedicated railway，the variation laws of tunnel vault settlement，horizontal convergence，surrounding rock pressure and steel arch stress were studied and com pared with the simulation results calculated by the finite elem ents of tware Midas/GT S through field monitoring measurement．Monitoring data show that most of the deform ations have been completed and this tunnel tends to be stable，the grow th of surrounding rock pressure is rapid and the pressure on left side is greater than pressure on right side as a whole，which are all stable eventually．The steel arch stress fluctuation is obvious，which at the left-side wall is greater than at the other parts and the general distribution law of steel arch stress is similar to surrounding rock pressure．The comparison between monitoring data and numerical simulation results indicates that the bottom d rum phenomenon is obvious in inverted arch after saturated softening of lower mudstone，which may be related to the uneven force of the lower mudstone after saturated softening．

Mudstone tunnel;Surrounding rock pressure;Vault settlement;Horizontal convergence;Numerical sim ulation

U452．1+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．19

1003-1995(2016)11-0073-04

2016-07-10;

2016-09-05

國家自然科學基金(41262010，41562013);長江學者和創新團隊發展計劃(IRT1139)

張欽鵬(1990—)，男，碩士研究生。