蘭州軌道交通區間暗挖隧道初支受力狀態研究

曹小平,孫壽榜,張文學

(1.蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730000；2.蘭州市軌道交通有限公司,甘肅 蘭州 730000)

蘭州軌道交通區間暗挖隧道初支受力狀態研究

曹小平1,孫壽榜1,張文學2

(1.蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730000；2.蘭州市軌道交通有限公司,甘肅 蘭州 730000)

通過對蘭州軌道交通區間暗挖隧道圍巖壓力和鋼拱架軸力的測量和分析，掌握了蘭州軌道交通新近堆積黃土中暗挖隧道施工時隧道初期支護的受力特點以及初支軸力和圍巖壓力之間的關系。結果表明：在暗挖隧道的拱頂部位，圍巖壓力一般有最大值，且該部位黃土容易產生塑性變形；同時，鋼拱架軸力和圍巖壓力具有相關性，圍巖壓力較大的部位鋼拱架軸力也相應較大。

軌道交通；暗挖；圍巖壓力；初期支護

0　引　言

隨著我國經濟建設和社會的全面快速發展，以交通為主的基礎建設正在如火如荼地進行，大量的隧道在我國各地正在不斷地建成。“2015中國（上海）隧道與地下工程技術研討會”上指出，我國已成為世界隧道及地下工程建設規模和建設速度第一大國。據截至2013年底的統計，我國已有公路隧道11359座，總長9606km；我國已有運營鐵路隧道11074座，總長達8939km。

在城市軌道交通修建中，盾構法和淺埋暗挖法是目前常用的兩種方法，其中淺埋暗挖法對地層的適應性相對較好，而且施工過程比盾構法經濟而被廣泛應用。同時，在城市軌道交通隧道的施工中，安全性一直是建設者們十分關注的問題，隧道的初支作為同圍巖一起變形的初期支護結構，在隧道的安全初期和后期的安全中都發揮著重要的作用[1-2]。因此，廣大學者對隧道襯砌的受力狀態以及穩定性等方面做了大量的研究工作，積累了豐富的工程實際經驗[3-10]。

蘭州軌道交通區間暗挖隧道位于黃河階地，圍巖大部分均為新近堆積黃土，隧道穿越城市繁華區，埋深最淺處僅有10余米。因此，選擇蘭州軌道交通1號線東崗淺埋暗挖段，對初襯鋼拱架軸力、初襯與圍巖接觸壓力進行了現場量測，研究并分析了初支的受力特性以及初支軸力和圍巖壓力之間的關系，對類似工程的設計和施工都具有一定的參考價值。

1　工程概況

蘭州市軌道交通中心城區線網由1、2、3號線組成，總長約90km，其中地下段約51km，地上段約39km，共設67座車站，其中高架站28座，地下站39座，1、2號線為線網主干線，3號線為輔助線，具體如圖1所示。

圖1　蘭州軌道交通區間圖

蘭州地鐵1號線經過東崗鎮區段為暗挖施工段，焦家灣至東崗區間沿東崗東路布設，向西連接焦家灣站，向東沿東崗東路經蘭州市第三十二中學、穿魚兒溝、甘肅供銷儲運公司辦公樓及家屬樓、酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司至東崗車站。該區間為地下區間，施工方法采用礦山法，場地西高東低。

焦家灣至東崗區間礦山法施工主體結構。設計里程為：左線ZDK33+170.666～ZZDK33+551.866，全長381.43m；右線YDK33+237.066～YDK33+ 551.866，全長314.8m；其余 YDK33+170.726～YDK33+237.066段為明挖區間，位于焦家灣出入線下方。

2　儀器布設

圍巖壓力和鋼支撐內力量測是隧道監控量測的選測項目，只有在圍巖變形較大或者圍巖級別較高時才進行測量。在初襯和圍巖之間安裝土壓力盒，選擇有代表性的斷面進行測量，測量4個以上斷面，每個斷面安裝壓力盒不少于5個，鋼筋計不少于5個。

壓力盒布設在圍巖與初襯之間，本次測量中，壓力盒和鋼筋計布設在隧道的左、右墻角，左、右拱腰和拱頂部位（見圖2）。各測點處沿徑向布設壓力盒，用頻率計測定圍巖作用于襯砌的壓力，掌握圍巖的變形特性。為襯砌的強度與穩定性分析提供數據，并指導隧道設計施工。

圖2　壓力及鋼筋計安裝位置示意圖

埋設方式：在量測斷面處，二次襯砌施工之前在初期支護與圍巖之間布設振弦式土壓力盒，要求土壓力盒與二襯正面接觸；安裝鋼筋計時，須將格柵拱架主筋切斷后再將鋼筋計對接（搭接）并牢固焊接在兩端鋼筋上，測試元件的導線須進行妥善保護，引入墻角附近接入數據采集儀并進行測量，測試元件的布設及對導線的保護如圖3～圖6所示。

圖3　土壓力盒安裝

圖4　鋼筋計安裝

圖5　對導線進行保護

圖6　現場測量

3　測量及分析

針對蘭州軌道交通淺埋暗挖段的特點，選擇ZDK33+503、ZDK33+520和ZDK33+5323個斷面的圍巖壓力和初支內力進行分析，結果如圖7～圖12所示。

圖7　ZDK33+503斷面土壓力測量值

圖8　ZDK33+503斷面拱架軸力測量值

圖9　ZDK33+520斷面土壓力測量值

圖10　ZDK33+520斷面鋼筋計測量值

圖11　ZDK33+532斷面土壓力測量值

圖12　ZDK33+532斷面鋼筋計測量值

由圖7～圖12可以看出，3個測量斷面上的土壓力和拱架內力在安裝初期增長較快，10～20d后變化趨于穩定，說明圍巖在開挖并進行初期支護2～3周后變形趨于穩定。從3個斷面上的數值可以看出，在隧道拱頂部位，圍巖和初支的接觸壓力最大，相應地，在第一、第三2個斷面上拱頂部位鋼拱架內力也最大，因此可以看出，圍巖壓力和鋼拱架內力之間具有相關性。

4　結　語

圍巖接觸壓力和鋼拱架內力的測量是隧道監控量測的選測項目，一般在軟弱圍巖的暗挖隧道施工中須進行測量。本文在蘭州軌道交通1號線東崗暗挖區間選擇性地對圍巖壓力和鋼拱架內力進行了測量，得出以下結論：

（1）圍巖壓力和鋼拱架內力可以反映該區段圍巖變形特征和初期支護的變形以及力學特征，為驗證初支設計的合理性和進一步優化提供有力的依據。

（2）圍巖壓力和鋼拱架內力之間有一定的相關性，即圍巖壓力增加或減小，鋼拱架內力也隨之增加或者減小，圍巖壓力大即表明該段變形較大，鋼拱架內力也大。

（3）在暗挖隧道的拱頂部位，圍巖壓力最大，所以拱頂部位的黃土圍巖易產生塑性變形，在施工中應加強對隧道的監控量測，注意施工安全。

[1]JTJD70—2004，公路隧道設計規范[S]．

[2]TB10003—2005，鐵路隧道設計規范[S]．

[3]趙占廠,謝永利,楊曉華,等.黃土公路隧道襯砌受力特性測試研究[J].中國公路學報，2004，17(1)：66-69.

[4]沈才華,童立元.鋼拱架柔性支撐穩定性預測判別方法探討[J].土木工程學報,2007，40(3):88-91.

[5]來弘鵬,林永貴,謝永利,等.支護時機對軟弱圍巖公路隧道力學特征影響的試驗研究[J].巖土工程學報,2009，31(3)：390-395.

[6]李鵬飛,趙勇,張頂立,伍冬,等.基于現場實測數據統計的隧道圍巖壓力分布規律研究[J].巖石力學與工程學報,2013，32(7)：1392-1399.

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[10]孫克國,李術才,張慶松,李樹忱,李景龍,劉斌,等.特長山嶺隧道襯砌監測及模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26(S2): 4465-4470.

U455.4

B

1009-7716（2016）11-0147-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.042

2016-07-28

蘭州軌道交通區間隧道暗挖施工變形控制及預測預警研究項目（2015-02）

曹小平（1971-），男，甘肅定西人，博士，副教授，主要從事巖土工程的教學和科研工作。