砂巖夾泥巖地層隧道支護結構受力特征研究

黃琳

(石家莊鐵道大學研究生學院，河北石家莊050043)

砂巖夾泥巖地層隧道支護結構受力特征研究

黃琳

(石家莊鐵道大學研究生學院，河北石家莊050043)

巖體節理信息與支護體系受力特征是砂巖夾泥巖地層大變形隧道修建過程中的兩個關鍵問題。以吉林至琿春客運專線鐵路慶嶺隧道為依托，依據現場測量巖體信息、支護受力情況，研究掌子面砂巖夾泥巖節理特征，繪制赤平投影圖，確定巖體優勢節理面(組數、傾向、傾角)，分析支護體系受力特征。分析結果表明:慶嶺隧道變形基本對稱，下臺階開挖初期拱頂沉降、邊墻收斂較為明顯，可作為變形監控關鍵控制步;圍巖壓力以豎向為主，水平側壓力系數為0.25;鋼拱架以承受壓應力為主，拱頂的彎矩、軸力最大;采用容許應力法檢算，原設計I20a鋼拱架無法滿足抗彎要求，建議更換為I25a型鋼拱架或者采用I20a雙層鋼拱架，以保證支護結構的安全。

隧道 砂巖夾泥巖 赤平投影 支護體系 受力特征

近年來，隨著我國客運專線快速發展，鐵路隧道不可避免地穿越節理發育地層。節理產狀和支護體系直接決定隧道的穩定性［1-2］。國內外學者對節理巖體特征與隧道支護結構穩定性進行了相關研究，并且取得一定成果［3］。

鄭穎人等［4］采用模型試驗與數值分析手段，研究了巖體節理產狀對隧道穩定性及破壞模式的影響。鄒飛等［5］采用破壞性模型試驗，研究巖體節理間距、傾角的力學效應，以及節理巖體裂紋擴展規律。王華牢等［6］采用非連續分析方法(DDA)，研究了隧道開挖引起節理擴展過程，分析了節理巖體的力學行為。高乾豐等［7］結合現場測試和有限元數值模擬，探索了圍巖塑性圈和松動圈厚度的影響因素，分析了初期支護的受力特征。夏孝維等［8］以麻崖子隧道為依托，利用超前地質預報及時掌握掌子面圍巖和地層情況，并提出初期支護控制措施。

目前大部分學者將巖體節理面信息與隧道支護體系分開研究，沒有很好地結合在一起［9-10］，采用優勢節理面方法分析砂巖夾泥巖地層隧道穩定性的文獻較少。因此，本文以新建客運專線吉林至琿春鐵路慶嶺隧道為依托，進行隧道掌子面巖體精細化描述，確定優勢節理面和關鍵塊體，并且分析了支護結構的變形特性、受力特征，以期今后對類似地層鐵路隧道的設計、動態施工提供參考。

1 工程概況

客運專線吉林至琿春鐵路慶嶺隧道位于慶嶺鎮西北約1 km處，起訖里程為DK33+850—DK35+704，全長1 854 m，最大埋深452 m。隧道進出口距離公路較近，交通條件較好。隧址區地勢平緩，相對高差約76 m，地面高程為328～404 m，進口縱向坡度約10°，出口縱向坡度約14°。

2 隧道圍巖節理特征與優勢節理面分析

2.1 隧道圍巖節理特征

針對隧道施工過程中掌子面和側壁等區域出露的巖體節理，按照國際巖石力學協會建議的標準對其節理信息進行逐一采集、編錄。以左線DIK35+505為例，分析走向、傾向、傾角的分布規律，然后根據節理分布密度，確定巖體優勢節理面。慶嶺隧道左線DIK35 +505掌子面巖體信息現場采集見圖1。

圖1 現場采集巖體信息

從現場觀察看出，巖性主要為褐黃色、灰黑色中厚層狀強風化～中風化砂巖夾炭質泥巖，局部風化呈黏土狀，遇水易軟化，失水易崩解，屬較軟巖。圍巖裂隙、節理等結構面密集發育，巖體破碎，主要呈碎裂松散結構。從整體上看圍巖完整性及自穩性差，初步判定該里程內圍巖屬于破碎巖石。慶嶺隧道進口左線里程DIK35+505圍巖級別初步定為Ⅴ級，選定的隧道斷面處地下水較發育，圍巖整體較濕潤，多為滲透狀出水，局部呈線狀滴水。隧道掌子面素描見圖2，巖體延續性中等。

圖2 掌子面巖體素描

2.2 優勢節理面

天然巖體節理分布具有一定的規律性，而且有些節理具有控制巖體整體穩定性的作用。將現場實測的節理信息進行處理和統計，節理產狀分布見圖3。統計該圓內不同位置極點數目占極點總數的比例，得到節理密度分布見圖4。

圖3 巖體節理產狀分布

從圖4可以看出:節理主要集中在3個區域，將其定義為隧道節理巖體的優勢節理面。慶嶺隧道掌子面巖體3組優勢節理面見表1。

根據表1中的產狀，繪制赤平投影圖(圖5)，得到隧道軸線與優勢節理面的關系。

從圖5可以看出，隧道軸線穿過J1，J2，J3公共區域，掌子面及前方巖體穩定性較差，如開挖后不能及時支護，可能發生關鍵塊體的脫落及局部失穩災害。

圖4 巖體節理密度

表1 慶嶺隧道掌子面巖體優勢節理面

圖5 赤平投影圖

3 支護結構變形與受力特征

隧道采用馬蹄形標準斷面，凈空面積152.4 m2，跨度14.86 m，高度12.54 m。初期支護為C25噴射混凝土，厚28 cm;錨桿長4 m，拱部采用中空注漿錨桿、邊墻為砂漿錨桿，梅花形布置;φ8鋼筋網20 cm× 20 cm;I20a型鋼拱架，間距80 cm。二次襯砌為50 cm厚C35鋼筋混凝土。

圍巖變形采用全站儀非接觸量測;圍巖壓力埋設雙模壓力盒量測，共布置5個測點，分別在拱頂、左右拱腳和左右邊墻;將鋼筋計焊接在初期支護鋼拱架的內外邊緣，測量鋼拱架應變，換算成內力(彎矩、軸力)，進而計算其安全系數。

3.1 隧道圍巖變形時間效應

隧道周邊位移是隧道圍巖穩定性的最直接反映。測點布置見圖6。

圖6 隧道變形測點布置

經過一個月的現場量測，洞周變形時程曲線見圖7。

圖7 砂巖夾泥巖段洞周位移曲線

從圖7可以看出，隧道變形以拱頂下沉為主，左右變形基本對稱，拱頂沉降最大達到64.5 mm;邊墻水平收斂峰值為45.8 mm。受施工影響，下臺階開挖時，拱頂沉降、邊墻收斂較為明顯，為急劇變形期，可作為變形監測的重點階段。隨后變形速率明顯降低，在開挖25 d后，變形基本穩定。

3.2 圍巖壓力分布特征

通過現場量測，隧道初期支護圍巖壓力分布見圖8。

從圖8可以看出，圍巖壓力以豎向為主，拱頂、右拱腳壓力值相對較大，峰值為159 kPa。邊墻較低，左邊墻水平壓力為63 kPa，右邊墻為90 kPa。水平側壓力系數為0.25。總體來看，斷面圍巖壓力數值偏大，給鋼拱架結構帶來安全隱患。

圖8 圍巖壓力分布(單位:kPa)

3.3 鋼拱架力學響應與安全性評價

在隧道斷面對稱埋設CL-XZ-B型鋼筋計，鋼拱架內力分布見圖9。

圖9 鋼拱架內力分布

從圖9可見，斷面拱頂及右側鋼拱架以承受壓應力為主，拱頂壓應力最大，對應軸力為96.92 kN;拱頂彎矩最大，內側受拉，峰值為61.3 kN·m。

根據現場施工情況，選取I20a型鋼拱架，間距為80 cm，取支護結構的縱向單位長度(1 m)進行計算。根據材料力學中梁的彎曲正應力計算公式

式中:M為作用在梁上的彎矩;y為到形心的距離;I為軸慣性矩。

采用《公路隧道設計規范》附錄C查得I20a型鋼抗彎截面系數為Wx=237 cm3，Wy=31.5 cm3，鋼筋容許應力［σ］=160 MPa，參考材料力學抗彎截面系數Wx=Ix/ymax，可知I20a鋼拱架最大容許彎矩為

由圖9可知，拱頂鋼拱架實際彎矩為61.3 kN·m (遠大于容許彎矩37.92 kN·m)，故I20a鋼拱架無法滿足抗彎要求。為使鋼拱架滿足抗彎要求，根據上式，應滿足W'x×［σ］＞61.3 kN·m，則鋼拱架抗彎截面系數應為W'x＞383 cm3，根據《公路隧道設計規范》附錄C可選取I25a型鋼拱架(Wx＞402 cm3)或者采用I20a雙層鋼拱架，即可滿足抗彎要求。

對I25a鋼拱架進行抗壓強度檢驗，根據《公路隧道設計規范》鋼筋抗壓強度［σ］'=188 MPa，I25a鋼拱架截面積為A'=48.5 cm2，初期支護拱頂軸力N約為96.92 kN，可得應力σ為

可見，I25a滿足抗壓要求。

4 結語

依據現場測量吉林至琿春客運專線慶嶺隧道掌子面砂巖夾炭質泥巖資料，繪制赤平投影，確定優勢節理面。通過現場試驗，研究施工過程中隧道圍巖變形特性、圍巖壓力、鋼拱架力學響應，并對結構安全性進行了分析。得出以下主要結論。

1)現場量測獲取掌子面巖體節理規模、產狀，為分析優勢節理面和支護體系受力特征提供了科學依據。

2)在采集現場巖體信息的基礎上，繪制隧道掌子面赤平投影和巖體節理密度圖，確定3組優勢節理面產狀(205°∠22°，312°∠84°和123°∠49°)，為支護參數的確定提供了依據。

3)該隧道左右變形基本對稱，拱頂沉降明顯，最大達到64.5 cm。下臺階開挖會引起拱頂的急劇下沉，可作為變形監控的關鍵控制步。在開挖25 d后，變形基本穩定。

4)圍巖壓力以豎向為主，拱頂、右拱腳最為明顯，峰值為159 kPa。邊墻較低，左右邊墻水平壓力分別為63 kPa和90 kPa。水平側壓力系數為0.25。總體上看，斷面圍巖壓力數值偏大，應加強鋼拱架的結構安全。

5)鋼拱架以承受壓應力為主，彎矩、軸力最大值發生在拱頂，軸力峰值為96.92 kN，彎矩峰值為61.3 kN·m。采用容許應力法進行鋼拱架檢算，得到原設計I20a鋼拱架無法滿足抗彎要求，建議更換為I25a型鋼拱架或者采用I20a雙層鋼拱架。

［1］段隆臣，閆豐，蒲有林，等．考慮節理的六盤山隧道圍巖穩定性研究［J］．鐵道建筑，2013(8):59-61．

［2］張偉，劉艷青．福川隧道初期支護變形原因分析及處理［J］．鐵道建筑，2013(3):66-68．

［3］關寶樹．隧道工程設計要點集［M］．北京:人民交通出版社，2003．

［4］鄭穎人，王永甫，王成，等．節理巖體隧道的穩定分析與破壞規律探討［J］．地下空間與工程學報，2011(4):649-656．

［5］鄒飛，李海波，周青春，等．巖石節理傾角和間距對隧道掘進機破巖特性影響的試驗研究［J］．巖土力學，2012(6): 1640-1646．

［6］王華牢，許崇幫，夏才初．斷續節理擴展算法在隧道圍巖穩定分析中的應用［J］．巖土工程學報，2012(2):349-354．

［7］高乾豐，董輝，胡柏學，等．隧道開挖后圍巖松動區及襯砌荷載分析［J］．施工技術，2013(19):107-111．

［8］夏孝維，黃志軍，陳陽．高地應力軟巖隧道施工方法與監測［J］．鐵道建筑，2013(9):48-51．

［9］JAMAL I，MARWAN A H，THIERRY V．Numerical Modelling of Masonry Joints Degradation in Built Tunnels［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2009(6):617-626．

［10］劉加華．采用護拱法處理隧道塌方施工技術［J］．鐵道建筑，2012(12):29-31．

(責任審編葛全紅)

U45

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．21

1003-1995(2015)04-0077-04

2014-10-20;

2015-02-27

黃琳(1979—)，女，江西宜春人，講師，碩士。