基于現(xiàn)場監(jiān)測的隧道圍巖壓力分布規(guī)律與特征

丁文禮 　 陳 蒙 　 姜 寧

(煙臺大學(xué)，山東 煙臺　264000)

?

基于現(xiàn)場監(jiān)測的隧道圍巖壓力分布規(guī)律與特征

丁文禮 陳 蒙 姜 寧

(煙臺大學(xué)，山東 煙臺264000)

結(jié)合邢汾高速公路隧道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，探討了國內(nèi)其他隧道圍巖壓力的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了圍巖壓力的總體分布規(guī)律和圍巖壓力的時空分布特征，并對襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出了建議。

圍巖壓力，分布規(guī)律，現(xiàn)場監(jiān)測

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國家對基礎(chǔ)設(shè)施不斷投入，隧道工程由于其眾多優(yōu)點得到快速發(fā)展[1-3]。圍巖壓力作用在隧道等地下結(jié)構(gòu)物上的主要計算荷載，它的性質(zhì)、大小與分布直接影響到隧道臨時支護和永久襯砌類型的合理類型，形狀與尺寸以及與之相對應(yīng)的施工方法,同時也是結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)注的重要內(nèi)容[4-6]。由于影響圍巖壓力的因素很多，不同地區(qū)工程地質(zhì)條件差異較大，故難以從理論上得到較準確的圍巖壓力數(shù)據(jù)，因此對圍巖壓力的現(xiàn)場監(jiān)測就顯得尤為必要[7-10]。關(guān)于圍巖壓力監(jiān)測及分析，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了一定的研究，李鵬飛等[11]通過圍巖壓力統(tǒng)計分析，研究了圍巖壓力分布特征；劉學(xué)增[12]結(jié)合龍頭山隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)，對大跨度公路隧道圍巖豎向壓力分布特征進行了探討；雷軍等[13]對特長隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下斷層帶應(yīng)力及變形進行了監(jiān)測分析。

上述學(xué)者的研究取得了豐碩的成果，深入了圍巖壓力的研究工作。然而，應(yīng)該看到，部分研究工作存在儀器布置不夠合理，研究結(jié)論過于籠統(tǒng)等問題，為了進一步探討圍巖壓力作用機理，明晰圍巖壓力分布規(guī)律與特征，本文結(jié)合邢汾高速賀平峽隧道、黃巖子隧道、后偏梁隧道的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，并綜合國內(nèi)其他隧道圍巖壓力統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對圍巖壓力的分布與特征進行了探討，并對襯砌結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化提出了建議。

1　圍巖壓力的統(tǒng)計分析

從國內(nèi)42條隧道選取了85個有代表性的監(jiān)測斷面的圍巖壓力最大值進行統(tǒng)計分析，其中Ⅱ級圍巖2個、Ⅲ級圍巖10個、Ⅳ級圍巖38個、Ⅴ級圍巖35個，如表1所示。

表1　監(jiān)測斷面數(shù)量統(tǒng)計

根據(jù)圍巖級別將統(tǒng)計數(shù)據(jù)分為圍巖壓力總體分布、Ⅳ級圍巖壓力值分布、Ⅴ級圍巖壓力值分布三組，如圖1～圖3所示；Ⅱ，

Ⅲ級圍巖由于數(shù)據(jù)較少，因此不單獨分組。

通過對所有圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知:

1)圍巖壓力值的范圍大體在0 MPa～1.6 MPa之間，均值為0.32 MPa；Ⅱ，Ⅲ級圍巖壓力值范圍在0 MPa～0.162 MPa之間，均值為0.09 MPa；Ⅳ級圍巖壓力值范圍在0 MPa～0.697 MPa之間，均值為0.20 MPa；Ⅴ級圍巖壓力值范圍在0 MPa～1.597 MPa之間，均值為0.527 MPa，由此可見，隨著圍巖級別的增加，圍巖壓力值變化趨勢是增大的，但并不意味著高級別的圍巖其壓力值一定大于低級別的圍巖壓力值。兩個Ⅱ級圍巖壓力值達到了0.162 MPa， 0.147 MPa，大于Ⅱ，Ⅲ級圍巖壓力均值，這個例外可能與Ⅱ，Ⅲ級圍巖壓力值統(tǒng)計數(shù)據(jù)不足有關(guān)。

2)所有圍巖壓力值在0.02 MPa～0.55 MPa范圍內(nèi)的頻數(shù)達到68個，占總體的80%，即總體來看，圍巖壓力很少低于20 kPa或大于550 kPa;Ⅳ級圍巖壓力值在0.019 MPa～0.358 MPa范圍內(nèi)的頻數(shù)達到31個，占總體的82%，可知Ⅳ級圍巖壓力值很少低于19 kPa或大于358 kPa;Ⅴ級圍巖壓力值在0.024 MPa～1.282 MPa范圍內(nèi)的頻數(shù)達到33個，占總體的94%，可知Ⅴ級圍巖壓力值很少低于24 kPa或大于1.282 MPa。

2　邢汾高速圍巖壓力監(jiān)測

對邢汾高速四條隧道，五個監(jiān)測斷面進行長期監(jiān)測。監(jiān)測使用的壓力盒為鋼弦式壓力盒，布置方法為“密布搭橋”布設(shè)法[14]，如圖4所示，相比傳統(tǒng)在拱頂、拱腰、拱底布置壓力盒的方法，增加了圍巖壓力值的準確性。壓力盒測得的壓力值為圍巖與初次襯砌之間的接觸應(yīng)力，由于壓力盒布置在鋼拱架與圍巖之間，即隧道開挖之后，此時圍巖已經(jīng)有了一定的形變，圍巖壓力得到部分的釋放，故實測圍巖壓力值小于實際圍巖壓力值。各監(jiān)測斷面基本情況如表2所示。

表2　各監(jiān)測斷面基本情況

監(jiān)測斷面賀坪峽隧道ZK77+613.5黃巖子隧道ZK79+160黃巖子隧道YK79+521黃巖子隧道YK80+383后偏梁隧道ZK63+353圍巖級別ⅢⅢⅣⅣⅤ埋深1301962279120巖性石英砂巖石英砂巖石英砂巖石英砂巖黑云片麻巖開挖方式臺階法臺階法臺階法臺階法臺階法

3　圍巖壓力分布特征

3.1圍巖壓力的時間變化特征

以監(jiān)測斷面的監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)，作拱架總壓力隨時間的變化曲線。其中Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖各有1個斷面。各監(jiān)測斷面拱架總壓力時程變化曲線如圖5～圖7所示。

根據(jù)各樣本隧道圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線可知：

1)各監(jiān)測斷面圍巖壓力在壓力盒安裝之后7 d之內(nèi)迅速增大，隨后進入平穩(wěn)增長階段，并最終趨于穩(wěn)定。如圖5所示，賀坪峽隧道ZK77+613.5監(jiān)測斷面拱架總壓力值在7 d的時候增大到8 kN，達到拱架總壓力穩(wěn)定值的75%,之后經(jīng)過約14 d的平穩(wěn)增長而趨于平穩(wěn)，并最終穩(wěn)定在12 kN左右。

2)各監(jiān)測斷面拱架總壓力值在增大過程中均出現(xiàn)了不同程度的波動。這種波動反映了圍巖壓力大小受多種因素(地質(zhì)情況、施工條件等)的影響，而不是穩(wěn)定不變的。例如賀坪峽隧道ZK77+613.5監(jiān)測斷面拱架總壓力值在37 d左右由11 kN減小為8 kN，這是由于下臺階開挖引起的，隨著下臺階支護結(jié)構(gòu)的施作，支護結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖變形而釋放的圍巖壓力，圍巖壓力值又逐漸增大。

3.2圍巖壓力的空間分布特征

圖8～圖10為各監(jiān)測斷面壓力盒壓力值。

通過對圖8～圖10進行分析可知：

1)同一個監(jiān)測斷面，拱圈不同位置布置的壓力盒所測得的圍巖壓力值可能有很大的不同。絕大部分的壓力盒讀數(shù)為正值，有一些為零，甚至是負值，這與隧道工程中復(fù)雜的巖體條件有直接的關(guān)系，例如巖體物理力學(xué)性質(zhì)、巖體構(gòu)造發(fā)育狀況、地應(yīng)力、地下水等。 若圍巖向洞內(nèi)擠壓變形則會產(chǎn)生正值，反之則會出現(xiàn)零值或者負值。

2)在拱圈的不同位置，圍巖壓力的分布表現(xiàn)出了極大的不均勻性，即圍巖壓力的極大值可能出現(xiàn)在拱圈任一位置，但是不難發(fā)現(xiàn)，在拱肩位置往往有著相當(dāng)?shù)膰鷰r壓力，因此在施工中加強對拱肩等支護結(jié)構(gòu)受力比較大的部位是極其必要的。

3)在公路隧道中，偏壓往往是一種比較普遍的現(xiàn)象。圖8～圖10均出現(xiàn)了不同程度的偏壓，圖10中后偏梁隧道的偏壓現(xiàn)象尤其明顯，監(jiān)測斷面左側(cè)埋深24 m,右側(cè)埋深11 m，埋深較淺，地表坡度較大。因此淺埋且地表起伏較大的地段尤其要注意隧道偏壓的問題，從而保證施工質(zhì)量與施工安全。

4　襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析

根據(jù)JTG D70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范[15]計算Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖的設(shè)計值，與現(xiàn)場實測值進行對比，見表3。由此可知：Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖的圍巖壓力實測值均小于設(shè)計值，Ⅴ級圍巖偏壓段實測值甚至只占其設(shè)計值的8%,這表明當(dāng)前支護結(jié)構(gòu)存在一定的優(yōu)化空間以節(jié)省施工成本，減少浪費。但是，值得注意的是，隧道圍巖條件復(fù)雜多變，圍巖壓力實測值小并不一定代表圍巖就是穩(wěn)定的、安全的，尤其對于隧道開挖階段和初期支護階段，需要進行綜合判斷和合理優(yōu)化。

表3　實測值與規(guī)范設(shè)計值對比

5　結(jié)語

1)圍巖壓力的大小與圍巖的級別即圍巖的質(zhì)量有直接關(guān)系，圍巖級別越高，圍巖質(zhì)量越差，圍巖壓力越大，一般實測圍巖壓力很少超過1.6 MPa。

2)隧道開挖以后，拱架上的圍巖壓力在一個7 d內(nèi)快速的增長，14 d～21 d后趨于穩(wěn)定，臺階法由于下導(dǎo)開挖，圍巖壓力增長過程會有波動。

3)圍巖壓力沿拱圈不均勻分布，且拱肩部位可能經(jīng)常出現(xiàn)較大值，偏壓在公路隧道中經(jīng)常出現(xiàn)。

4)與實測圍巖壓力相比，現(xiàn)行規(guī)范提供的圍巖壓力設(shè)計值偏保守，存在優(yōu)化空間，但鑒于圍巖條件的復(fù)雜性，要格外注重開挖與初支階段施工安全。

[1]曲海鋒,楊重存,朱合華,等.公路隧道圍巖壓力研究與發(fā)展[J].地下空間與工程學(xué)報,2007,3(3):536.

[2]蔣樹屏.我國公路隧道工程技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].公路交通技術(shù),1999(2)：32-41.

[3]黃倫海,蔣樹屏,張軍.公路隧道洞口環(huán)保型設(shè)計施工現(xiàn)狀及展望[J].地下空間與工程學(xué)報,2005(3)：455-459.

[4]李文江,賈曉云,劉志春.地鐵區(qū)間大斷面隧道施工力學(xué)行為研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2007,31(1):40-43.

[5]鐘祖良,劉新榮,劉元雪.淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道圍巖壓力計算與監(jiān)測分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2013(2)：63-68.

[6]張俊儒,孫克國,盧鋒.不等跨連拱鐵路隧道圍巖壓力分布及受力特征模型試驗研究[J].巖土力學(xué),2015(11)：3077-3084，3093.

[7]陳慶,盧珂,韓聰.巖質(zhì)隧道圍巖壓力影響因素分析[J].人民黃河,2013(6)：134-137.

[8]陳武奮,蔡周春,劉愛蓮.隧道圍巖壓力監(jiān)測的非線性回歸分析研究[J].光學(xué)技術(shù),2014(3)：249-253.

[9]肖濤,李春峰.偏壓隧道冒頂現(xiàn)場監(jiān)控量測研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2011(6)：195-199.

[10]史寶童,趙佳云,謝祥光.風(fēng)積沙隧道圍巖壓力分布特征及襯砌結(jié)構(gòu)強度驗算分析[J].公路,2013(6)：270-276.

[11]李鵬飛,趙勇,張頂立.基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計的隧道圍巖壓力分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2013(7)：1392-1399.

[12]劉學(xué)增,羅仁立.大跨度公路隧道圍巖豎向壓力分布特征探討[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(12)：1741-1745.

[13]雷軍,張金柱,林傳年.烏鞘嶺特長隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下斷層帶應(yīng)力及變形現(xiàn)場監(jiān)測分析[J].巖土力學(xué)，2008(5)：1367-1371.

[14]趙文忠,侯哲生,王丙興.基于現(xiàn)場圍巖壓力監(jiān)測的黃巖子隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價[J].水利與建筑工程學(xué)報,2015(2)：24-27.

[15]JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

On tunnel surrounding rock pressure

distribution law and characteristics on the basis of site monitoring

Ding WenliChen MengJiang Ning

(YantaiUniversity，Yantai264000,China)

Combining with Xing-Fen highway tunnel site monitoring data, the paper explores other domestic tunnel surrounding rock pressure statistics, analyzes integral surrounding rock distribution law and time-space distribution properties of surrounding rock pressure, and finally puts forward some suggestions of optimizing masonry structure.

surrounding rock pressure, distribution law, site monitoring

1009-6825(2016)08-0194-03

2016-01-07

丁文禮(1988- )，男，在讀碩士；陳蒙(1987- )，男，在讀碩士；姜寧(1989- )，男，在讀碩士

U456.3

A