大斷面土質隧道圍巖壓力及支護結構時空規律研究

范志遠

（中鐵十二局集團第四工程有限公司 陜西西安 710054）

1 引言

銀西鐵路作為穿越董志塬地區的首條高速鐵路，對于拉動當地經濟發展具有重要意義。同時，董志塬作為世界第一大黃土塬，大厚度土層分布為隧道修建帶來了一定挑戰。因此，開展土質隧道圍巖壓力及支護結構受力研究具有重要的工程價值。

對隧道圍巖壓力分布規律及變形規律的研究，國內外專家學者已取得了一些成果。劉聰利用自己研發的大型可拼裝式地質力學模型試驗系統，提出應力變化可分為“應力積聚－應力釋放－穩定狀態”3個階段［1］；金星亮認為大斷面扁平狀隧道拱頂部位面積大，受力向下移動，拱腳表現出應力集中［2］；段思聰將膨脹土圍巖的遇水膨脹等效為材料熱脹性特征，利用材料強度指標折減實現隧道襯砌在相關過程中的受力規律研究［3］；楊軍平得出圍巖在干濕循環條件下的圍巖應力及襯砌應變－時間關系曲線［4］；李磊通過現場監測提出圍巖壓力前期變化相對較大，變化速率與時間呈現負相關，最后圍巖壓力趨于穩定［5］；陳明明確了圍巖工程特性，利用現場監測分析古土壤隧道沉降變形規律［6－7］。

關于隧道支護結構受力特征的研究，國內外學者也進行了許多探索和研究。李鵬飛得到大斷面黃土隧道接觸壓力分布情況，探討了其受力特性［8］；馮文文研究了襯砌厚度變化對襯砌安全系數和結構穩定性的影響規律［9］；徐林生發現復合式襯砌存在偏壓現象是造成原設計支護結構參數調整的重要原因［10］；張德華利用現場監測手段明確了雙層支護結構受力變形規律［11］；趙勇提出采用剛度較大的初期支護鋼拱架較格柵鋼架可分擔更多的圍巖壓力，能夠顯著改善支護體系內力分布狀態［12］。

盡管國內外專家學者對圍巖壓力、支護結構內力展開了大量研究，但很少能反映其時空效應。鑒于此，本文以銀西高鐵某土質隧道為研究背景，采用現場監測、數值計算相結合的方法對圍巖壓力和支護結構時空規律進行研究，以期指導該類隧道工程建設。

2 工程背景及監測方案

（1）工程概況

早勝三號隧道位于董志塬南部邊緣黃土溝壑梁峁區，梁面整體地勢平坦、開闊，邊緣破碎。溝壑較發育。

（2）隧道設計參數

該隧道設計為復合式襯砌，為Ⅳ級圍巖深埋隧道，參數見表1。

表1 初期支護設計參數

（3）圍巖工程特性

現場取樣發現，圍巖顏色較深，較為堅硬。通過對土體進行物理力學試驗，認為該隧道圍巖具有力學強度高、遇水膨脹的特點，見表2。

表2 圍巖工程特性統計

（4）監測原理及方案

測試儀器主要采用振弦式傳感器，根據監測內容不同，其具體作用見表3。

表3 儀器名稱及作用

現場監測過程中，通常在拱頂、拱腰、拱腳和隧底分別布置 3、2、2 和3個監測點，總計10個，測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置

3 現場監測結果及分析

3.1 圍巖壓力測試

從圖2中可以看出，大多數監測點圍巖壓力呈現急劇增長—減速增長—趨于平緩三個變化階段，在開挖至初期支護封閉成環時間段內，大多數監測點圍巖壓力增長較快。雖然此時部分支護結構已形成，但支護結構尚未成環，無法抑制圍巖壓力的變化；當初期支護封閉成環后，圍巖壓力經歷緩慢波動階段，其中1＃、4＃點呈圍巖壓力隨時間的增加而增加的趨勢，而 2＃、3＃、6＃、7＃點圍巖壓力均表現為隨時間增加而減少的趨勢。分析認為初支成環對抑制圍巖壓力增長起到決定性作用；當隧道二襯施作后，圍巖壓力不再發生變化；另外，從變化幅度來看，圍巖壓力表現出左側＞右側、拱頂＞仰拱的變化規律。

圖2 圍巖壓力時空曲線

圍巖壓力整體量值較小，最大點出現在4＃點，量值為352.2 kPa，該點位于中臺階位置；最小點出現在8＃點，量值為15.9 kPa；同時，從圖2中可以看出，待圍巖壓力穩定后，先開挖一側圍巖壓力明顯大于后開挖一側。

3.2 接觸壓力

從圖3中可以看出，施作仰拱后，8＃、10＃點均呈現出接觸壓力隨時間先增加后趨于平穩的變化趨勢，而9＃點則先減小后增加；當拱墻襯砌施作后，8＃點接觸壓力逐漸減小并最終趨于穩定，而9＃、10＃點則趨于平穩；其余各點除拱頂外，變化幅度均不大，當二襯施作3 d左右時，所有測點變化均趨于穩定。

圖3 初期支護與二襯接觸壓力時空曲線

3.3 初期支護混凝土變形

圖4為初期支護混凝土變形時空曲線，混凝土應變計受壓為正，受拉為負。從圖4可以看出，除3＃測點混凝土部分呈現抗拉狀態外，其余各點均呈受壓狀態。分析認為初期支護未封閉成環時，3＃測點處拱架間連接筋軸力較大，造成拱架對混凝土擠壓致使混凝土向四周擴展，表現出受拉狀態；同時，當初期支護封閉成環后，混凝土變形未達到穩定狀態，仰拱襯砌施作后絕大多數測點達到穩定狀態，而當拱墻襯砌形成后全部測點均達到穩定狀態。

3.4 拱架間軸力

圖5為鋼拱架軸力時空曲線，根據標定書規定，鋼筋應力計受壓為正，受拉為負。從圖5可以看出，拱架間軸力絕大多數呈受壓狀態；同時可以看出，除3＃點外，其余各點拱架間軸力均表現出隨時間增加而增加的趨勢，在仰拱襯砌施作前，拱架間軸力變化幅度較大，說明初支形成相鄰拱架間連接筋的受力并未達到穩態，仍然需要一段時間進行調整；但當支護結構形成3 d左右時（即二襯仰拱施作后），拱架間連接筋受力狀態趨于穩定；而當二襯形成1～2 d后，拱架間軸力不再發生變化。認為初支施作后存在一定的變形余地，隨著拱墻襯砌施作，初支受到了較大約束。

圖5 拱架間軸力時空曲線

當二次襯砌形成后，拱架間軸力趨于穩定。從圖5b可以看出，拱架間軸力最大值出現在2＃點，為30.024 kN；而最小值出現在拱頂部位（1＃點），量值為2.364 kN。當支護結構成環后，拱架間軸力明顯分布不均，因此，決定了在拱架成環過程中各測點并未保持在同一里程面。

4 數值計算及分析

4.1 模型構建

模擬選取斷面為實際監測位置的對應斷面，采用ABAQUS有限元軟件進行數值模擬。為充分考慮掘進方向的空間效應，并減弱邊界效應產生的影響，模型尺寸取為100 m×100 m×4.8 m（長×寬×高），每掘進1.6 m為一開挖步。根據室內土工試驗測試結果，圍巖參數如表2所示，20a型鋼與初期支護混凝土參數如上表1所示。圍巖和襯砌結構采用C3D8R單元，鋼拱架與錨桿采用B31梁單元。模型采取全對稱網格劃分，且洞周圍巖與支護結構網格加密，模型最終網格劃分效果如圖6所示。

圖6 數值模型

4.2 計算結果與分析

圖7a與圖7b為襯砌結構閉環前圍巖數值模擬結果云圖，圖7c與圖7d為襯砌結構閉環后圍巖數值模擬結果云圖。

由圖7可知：整體而言，數值模擬能較好地反映圍巖與襯砌結構的受力變形情況。其中，應力分布數值模擬結果與現場監測結果規律一致，即一個施工步開挖完畢后應力最大值位于拱腰位置，最低值位于仰拱位置。而位移分布云圖略有差異，其最大值位于仰拱位置，這與實際收斂測試中呈現的拱頂沉降最大規律不符，通過分析可以判斷，數值模擬過程為整個變形全過程的變形量，而實際施工布置收斂觀測相對延遲，觀測結果為部分變形量。同時，隨著初期支護封閉成環，圍巖應力與位移均表現出隨時間增加而減少的趨勢，因此黃土隧道施工過程中建議早日將襯砌結構封閉成環以改善結構整體應力及位移狀態。

圖7 閉環前后圍巖應力及變形云圖

5 結論

從大斷面土質隧道圍巖壓力、支護結構受力變形規律著手開展研究，得到以下結論：

（1）大斷面土質隧道圍巖壓力呈現急劇增長—減速增長—趨于平緩三個變化階段；受圍巖卸荷影響，圍巖壓力表現出左側＞右側、拱頂＞仰拱的變化規律；圍巖接觸壓力在空間范圍內表現出拱頂、拱底較大，其余各點較小的分布形式，拱頂位置接觸壓力與初支圍巖壓力空間狀態表現出一定的相關性。

（2）初期支護混凝土受力基本呈現受壓狀態，拱頂處圍巖壓力值較大，拱頂混凝土沿軸向受壓；二襯的形成能夠顯著改善混凝土受力狀態，使其由波動變化變為穩定狀態；拱架間測點軸力絕大多數呈受壓狀態，各測點軸力基本表現出隨時間增加而增加的趨勢，在仰拱襯砌施作前，測點軸力變化幅度較大。當拱墻襯砌形成后，軸力趨于穩定。

（3）位移分布云圖顯示最大值位于仰拱位置，隨著初期支護閉合成環，圍巖應力與位移均表現出隨時間增加而減少的趨勢，因此實際施工過程中建議盡早將襯砌結構封閉成環以改善結構整體應力位移狀態。