隧洞埋深對仰拱受力特征影響的試驗研究

宗世虎

（新疆水利水電項目管理有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

隨著我國基礎建設的快速發展,地下空間隧洞工程的規模得到了快速發展。其中仰拱是隧洞襯砌結構的重要組成部分。實際工程中由于隧洞仰拱設計及施工的缺陷可能會誘發隧洞產生變形以及開裂等工程問題。因此研究隧洞仰拱的受力特征是國內外研究的重點和難點。

喻凌峰[1]基于數值模擬手段研究了隧洞埋深對山嶺隧道的結構動力響應特征及震害機理。結果表明,土-結構相互作用關系對隧洞襯砌的受力變形起控制作用。方燾等[2]基于物理模型試驗研究了盾構隧道埋深對地層變形的影響。結果表明,隨著隧洞埋深的增大,地層內部產生“土拱效應”,地表最大沉降值逐漸減小。屠越等[3]采用MIDAS 數值模擬研究了電纜隧洞埋深及寬度對地表沉降的影響。結果表明,隧洞埋深是影響沉降槽寬度系數的主要因素,隧洞變形的精確程度很大程度依賴于隧道半徑。唐曉武等[4]采用理論推導改進了軟土地區Peck 公式,并與實時監測數據進行對比,證明了修正模型的合理性。本文依托新疆伊犁河流域BA 干渠朝陽隧洞工程,基于現場監測數據開展不同埋深的隧洞對仰拱受力特征的影響研究。

2 工程概況及監測方法

2.1 工程概況

研究隧洞屬于土質隧洞,隧洞全長為1.7 km,最大和最小埋設深度分別約為50 m 和5 m。隧洞的出口段為深埋型,埋深介于30 m~50 m。隧洞地層主要以為第四系中更系統黏質黃土為主。隧洞開挖采用上下臺階預留核心土工法。

現場監測斷面選擇深埋處斷面和淺埋處斷面各一處,其中深埋處斷面埋深為50 m,淺埋處斷面埋深6 m,以此進行埋深對仰拱受力影響的對比研究。

2.2 監測方法

為深入研究隧洞埋深對仰拱受力特征影響,本次現場監測內容包括基底接觸壓力和鋼拱架應變。接觸壓力采用土壓力盒測試,安裝深度約為鋼拱架底部12 cm 位置處,鋼拱架應變測試采用正弦式表面應變計測試,安裝于鋼架腹板位置。其中應力值的大小可根據胡克定律導出。測試儀器布置具體見圖1。測試位置主要包括拱底。左右拱腳處,每處布置兩個測量儀器以便相互驗證。

3 計算結果與分析

3.1 基底接觸壓力分布

圖2 匯總得到左右拱腳和拱底中心位置處,隧洞淺埋段和深埋段接觸壓力隨監測時間的變化曲線。結果表明,接觸壓力的變化分為三段：分別為快速增大-緩慢增大-趨于平穩的變化趨勢。淺埋隧洞的第一階段主要持續15 d,第二階段主要持續60 d；深埋隧洞的第一階段主要持續20 d,第二階段主要持續20 d。導致這一現象的主要原因是由于淺埋區隧洞開挖后土拱效應難以形成,故壓力重分布周期更長；相反,深埋隧洞由于土拱效應的作用,圍巖壓力迅速調整,基底壓力也很快趨于平穩。

圖2 基底接觸壓力時程曲線

總的來看,對于淺埋隧洞區而言,右拱腳的接觸壓力最大,其次是左拱腳,拱頂中心位置處的接觸壓力最?。粚τ谏盥袼淼绤^而言,左拱腳的接觸壓力最大,其次是右拱腳,拱頂中心位置處的接觸壓力最小。無論是隧洞深埋或者淺埋,基底接觸壓力的最大值均發生在拱腳位置。此外,當基底壓力趨于穩定時,對于淺埋區隧道,左右拱腳處的接觸壓力分別為300 kPa 和420 kPa,而拱底中心處的基底接觸壓力值為200 kPa；對于深埋區隧洞,左右拱腳處的接觸壓力分別為400 kPa 和200 kPa,而拱底中心處的基底接觸壓力值為130 kPa。

對比以上結果不難發現,隧洞無論深埋或者淺埋,仰拱的接觸壓力最小值均發生在拱底中心。導致這一現象的主要原因是由于深埋隧洞的圍巖壓力分布比較均衡,而相同條件下淺埋隧洞的接觸壓力明顯大于深埋隧道。

3.2 鋼拱架應力分析

圖3 匯總得到了鋼拱架應力分布規律。其中受拉為正,受壓為負。結果表明,淺埋段鋼拱架應力分布規律也呈現三階段：分別為快速減小-緩慢減小-趨于平穩的變化趨勢；對深埋鋼拱架應力而言,整體表現出平緩增加的趨勢。其中淺埋段隧洞鋼拱架應力快速增大持續時間約40 d,而緩慢增大持續時間約30 d。

圖3 鋼拱架應力時程曲線

分析表明,穩定后的鋼拱架應力具體數值在不同位置的具體值有較大的的差異,其中淺埋段鋼拱架在拱底中心的最大壓應力最大為12 MPa,左拱腳穩定段最大壓力為6 MPa,右拱腳最大壓力為10 MPa；對深埋段隧洞,在拱底中心的最大壓應力最大為16 MPa,左拱腳穩定段最大壓力為25 MPa,右拱腳最大壓力為32 MPa。

總體來看,鋼拱架應力穩定后各個位置的應力差別較大,深埋段鋼拱架應力明顯大于淺埋段鋼拱架壓力。淺埋段最大壓力出現在拱底中心,而深埋段最大壓力出現在拱腳處。

4 施工建議

綜合以上對基底接觸壓力與鋼拱架的受力特征分析與研究,在具體施工過程中應針對深埋段隧洞和淺埋段隧洞進行差異化處置。其中對于淺埋段隧道而言,增大鋼拱架支護結構斷面,增加拱底位置處的支護強度,可以顯著提高抵抗壓力的能力。同時由于隧洞淺埋容易受外部降水及地表積水的影響,實際工程需著重考慮加強排水措施,避免隧洞出現較大的變形或者開裂；對于深埋段隧洞,應適當增加拱腳位置處的支護強度,提高抵抗壓力的能力,以控制圍巖變形,避免或者減小仰拱受力不均勻導致的隧洞底部鼓脹和開裂。此外,隧洞仰拱在開挖的同時要及時進行支護,嚴格控制施工流程,發現問題及時處理,減少安全隱患。

5 結論

本文基于某不同埋深隧道基底接觸壓力和鋼拱架支護結構的現場實測數據的受力特征進行分析,對比基底接觸壓力和鋼拱架應力不同位置處的分布規律空間變化規律,得到如下幾點結論：

（1）隧洞淺埋段和深埋段接觸壓力隨監測時間的變化曲線可分為三段：分別為快速增大-緩慢增大-趨于平穩的變化趨勢,同時淺埋段變化速率大于深埋段。

（2）鋼拱架應力穩定后各個位置的應力差別較大,深埋段應力明顯大于淺埋段鋼拱架壓力；淺埋段最大壓力出現在拱底中心,而深埋段最大壓力出現在拱腳處。

（3）對于淺埋段隧洞而言,應適當增加拱底位置處的支護強度,同時由于隧洞淺埋,著重考慮加強排水措施；對于深埋段隧洞,應適當增加拱腳位置處的支護強度,控制圍巖變形。