大斷面土質(zhì)隧道圍巖壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)空規(guī)律研究

范志遠(yuǎn)

（中鐵十二局集團(tuán)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(qū)的首條高速鐵路，對(duì)于拉動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，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(zhàn)。因此，開展土質(zhì)隧道圍巖壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力研究具有重要的工程價(jià)值。

對(duì)隧道圍巖壓力分布規(guī)律及變形規(guī)律的研究，國內(nèi)外專家學(xué)者已取得了一些成果。劉聰利用自己研發(fā)的大型可拼裝式地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，提出應(yīng)力變化可分為“應(yīng)力積聚－應(yīng)力釋放－穩(wěn)定狀態(tài)”3個(gè)階段［1］；金星亮認(rèn)為大斷面扁平狀隧道拱頂部位面積大，受力向下移動(dòng)，拱腳表現(xiàn)出應(yīng)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(qiáng)度指標(biāo)折減實(shí)現(xiàn)隧道襯砌在相關(guān)過程中的受力規(guī)律研究［3］；楊軍平得出圍巖在干濕循環(huán)條件下的圍巖應(yīng)力及襯砌應(yīng)變－時(shí)間關(guān)系曲線［4］；李磊通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提出圍巖壓力前期變化相對(duì)較大，變化速率與時(shí)間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，最后圍巖壓力趨于穩(wěn)定［5］；陳明明確了圍巖工程特性，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析古土壤隧道沉降變形規(guī)律［6－7］。

關(guān)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征的研究，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)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(duì)襯砌安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律［9］；徐林生發(fā)現(xiàn)復(fù)合式襯砌存在偏壓現(xiàn)象是造成原設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整的重要原因［10］；張德華利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段明確了雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律［11］；趙勇提出采用剛度較大的初期支護(hù)鋼拱架較格柵鋼架可分擔(dān)更多的圍巖壓力，能夠顯著改善支護(hù)體系內(nèi)力分布狀態(tài)［12］。

盡管國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力展開了大量研究，但很少能反映其時(shí)空效應(yīng)。鑒于此，本文以銀西高鐵某土質(zhì)隧道為研究背景，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)圍巖壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)空規(guī)律進(jìn)行研究，以期指導(dǎo)該類隧道工程建設(shè)。

2 工程背景及監(jiān)測(cè)方案

（1）工程概況

早勝三號(hào)隧道位于董志塬南部邊緣黃土溝壑梁峁區(qū)，梁面整體地勢(shì)平坦、開闊，邊緣破碎。溝壑較發(fā)育。

（2）隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

該隧道設(shè)計(jì)為復(fù)合式襯砌，為Ⅳ級(jí)圍巖深埋隧道，參數(shù)見表1。

表1 初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

（3）圍巖工程特性

現(xiàn)場(chǎng)取樣發(fā)現(xiàn)，圍巖顏色較深，較為堅(jiān)硬。通過對(duì)土體進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，認(rèn)為該隧道圍巖具有力學(xué)強(qiáng)度高、遇水膨脹的特點(diǎn)，見表2。

表2 圍巖工程特性統(tǒng)計(jì)

（4）監(jiān)測(cè)原理及方案

測(cè)試儀器主要采用振弦式傳感器，根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容不同，其具體作用見表3。

表3 儀器名稱及作用

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，總計(jì)10個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 圍巖壓力測(cè)試

從圖2中可以看出，大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力呈現(xiàn)急劇增長—減速增長—趨于平緩三個(gè)變化階段，在開挖至初期支護(hù)封閉成環(huán)時(shí)間段內(nèi)，大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力增長較快。雖然此時(shí)部分支護(hù)結(jié)構(gòu)已形成，但支護(hù)結(jié)構(gòu)尚未成環(huán)，無法抑制圍巖壓力的變化；當(dāng)初期支護(hù)封閉成環(huán)后，圍巖壓力經(jīng)歷緩慢波動(dòng)階段，其中1＃、4＃點(diǎn)呈圍巖壓力隨時(shí)間的增加而增加的趨勢(shì)，而 2＃、3＃、6＃、7＃點(diǎn)圍巖壓力均表現(xiàn)為隨時(shí)間增加而減少的趨勢(shì)。分析認(rèn)為初支成環(huán)對(duì)抑制圍巖壓力增長起到?jīng)Q定性作用；當(dāng)隧道二襯施作后，圍巖壓力不再發(fā)生變化；另外，從變化幅度來看，圍巖壓力表現(xiàn)出左側(cè)＞右側(cè)、拱頂＞仰拱的變化規(guī)律。

圖2 圍巖壓力時(shí)空曲線

圍巖壓力整體量值較小，最大點(diǎn)出現(xiàn)在4＃點(diǎn)，量值為352.2 kPa，該點(diǎn)位于中臺(tái)階位置；最小點(diǎn)出現(xiàn)在8＃點(diǎn)，量值為15.9 kPa；同時(shí)，從圖2中可以看出，待圍巖壓力穩(wěn)定后，先開挖一側(cè)圍巖壓力明顯大于后開挖一側(cè)。

3.2 接觸壓力

從圖3中可以看出，施作仰拱后，8＃、10＃點(diǎn)均呈現(xiàn)出接觸壓力隨時(shí)間先增加后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，而9＃點(diǎn)則先減小后增加；當(dāng)拱墻襯砌施作后，8＃點(diǎn)接觸壓力逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定，而9＃、10＃點(diǎn)則趨于平穩(wěn)；其余各點(diǎn)除拱頂外，變化幅度均不大，當(dāng)二襯施作3 d左右時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)變化均趨于穩(wěn)定。

圖3 初期支護(hù)與二襯接觸壓力時(shí)空曲線

3.3 初期支護(hù)混凝土變形

圖4為初期支護(hù)混凝土變形時(shí)空曲線，混凝土應(yīng)變計(jì)受壓為正，受拉為負(fù)。從圖4可以看出，除3＃測(cè)點(diǎn)混凝土部分呈現(xiàn)抗拉狀態(tài)外，其余各點(diǎn)均呈受壓狀態(tài)。分析認(rèn)為初期支護(hù)未封閉成環(huán)時(shí)，3＃測(cè)點(diǎn)處拱架間連接筋軸力較大，造成拱架對(duì)混凝土擠壓致使混凝土向四周擴(kuò)展，表現(xiàn)出受拉狀態(tài)；同時(shí)，當(dāng)初期支護(hù)封閉成環(huán)后，混凝土變形未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，仰拱襯砌施作后絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)拱墻襯砌形成后全部測(cè)點(diǎn)均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 拱架間軸力

圖5為鋼拱架軸力時(shí)空曲線，根據(jù)標(biāo)定書規(guī)定，鋼筋應(yīng)力計(jì)受壓為正，受拉為負(fù)。從圖5可以看出，拱架間軸力絕大多數(shù)呈受壓狀態(tài)；同時(shí)可以看出，除3＃點(diǎn)外，其余各點(diǎn)拱架間軸力均表現(xiàn)出隨時(shí)間增加而增加的趨勢(shì)，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(dá)到穩(wěn)態(tài)，仍然需要一段時(shí)間進(jìn)行調(diào)整；但當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)形成3 d左右時(shí)（即二襯仰拱施作后），拱架間連接筋受力狀態(tài)趨于穩(wěn)定；而當(dāng)二襯形成1～2 d后，拱架間軸力不再發(fā)生變化。認(rèn)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(shí)空曲線

當(dāng)二次襯砌形成后，拱架間軸力趨于穩(wěn)定。從圖5b可以看出，拱架間軸力最大值出現(xiàn)在2＃點(diǎn)，為30.024 kN；而最小值出現(xiàn)在拱頂部位（1＃點(diǎn)），量值為2.364 kN。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)成環(huán)后，拱架間軸力明顯分布不均，因此，決定了在拱架成環(huán)過程中各測(cè)點(diǎn)并未保持在同一里程面。

4 數(shù)值計(jì)算及分析

4.1 模型構(gòu)建

模擬選取斷面為實(shí)際監(jiān)測(cè)位置的對(duì)應(yīng)斷面，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。為充分考慮掘進(jìn)方向的空間效應(yīng)，并減弱邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響，模型尺寸取為100 m×100 m×4.8 m（長×寬×高），每掘進(jìn)1.6 m為一開挖步。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，圍巖參數(shù)如表2所示，20a型鋼與初期支護(hù)混凝土參數(shù)如上表1所示。圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)采用C3D8R單元，鋼拱架與錨桿采用B31梁單元。模型采取全對(duì)稱網(wǎng)格劃分，且洞周圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格加密，模型最終網(wǎng)格劃分效果如圖6所示。

圖6 數(shù)值模型

4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖7a與圖7b為襯砌結(jié)構(gòu)閉環(huán)前圍巖數(shù)值模擬結(jié)果云圖，圖7c與圖7d為襯砌結(jié)構(gòu)閉環(huán)后圍巖數(shù)值模擬結(jié)果云圖。

由圖7可知：整體而言，數(shù)值模擬能較好地反映圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形情況。其中，應(yīng)力分布數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果規(guī)律一致，即一個(gè)施工步開挖完畢后應(yīng)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(shí)際收斂測(cè)試中呈現(xiàn)的拱頂沉降最大規(guī)律不符，通過分析可以判斷，數(shù)值模擬過程為整個(gè)變形全過程的變形量，而實(shí)際施工布置收斂觀測(cè)相對(duì)延遲，觀測(cè)結(jié)果為部分變形量。同時(shí)，隨著初期支護(hù)封閉成環(huán)，圍巖應(yīng)力與位移均表現(xiàn)出隨時(shí)間增加而減少的趨勢(shì)，因此黃土隧道施工過程中建議早日將襯砌結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)以改善結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力及位移狀態(tài)。

圖7 閉環(huán)前后圍巖應(yīng)力及變形云圖

5 結(jié)論

從大斷面土質(zhì)隧道圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律著手開展研究，得到以下結(jié)論：

（1）大斷面土質(zhì)隧道圍巖壓力呈現(xiàn)急劇增長—減速增長—趨于平緩三個(gè)變化階段；受圍巖卸荷影響，圍巖壓力表現(xiàn)出左側(cè)＞右側(cè)、拱頂＞仰拱的變化規(guī)律；圍巖接觸壓力在空間范圍內(nèi)表現(xiàn)出拱頂、拱底較大，其余各點(diǎn)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(tài)表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

（2）初期支護(hù)混凝土受力基本呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，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(tài)，使其由波動(dòng)變化變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)；拱架間測(cè)點(diǎn)軸力絕大多數(shù)呈受壓狀態(tài)，各測(cè)點(diǎn)軸力基本表現(xiàn)出隨時(shí)間增加而增加的趨勢(shì)，在仰拱襯砌施作前，測(cè)點(diǎn)軸力變化幅度較大。當(dāng)拱墻襯砌形成后，軸力趨于穩(wěn)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(hù)閉合成環(huán)，圍巖應(yīng)力與位移均表現(xiàn)出隨時(shí)間增加而減少的趨勢(shì)，因此實(shí)際施工過程中建議盡早將襯砌結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)以改善結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力位移狀態(tài)。