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(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,地下空間隧洞工程的規(guī)模得到了快速發(fā)展。其中仰拱是隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的重要組成部分。實際工程中由于隧洞仰拱設(shè)計及施工的缺陷可能會誘發(fā)隧洞產(chǎn)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(nèi)外研究的重點和難點。

喻凌峰[1]基于數(shù)值模擬手段研究了隧洞埋深對山嶺隧道的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征及震害機理。結(jié)果表明,土-結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)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(gòu)隧道埋深對地層變形的影響。結(jié)果表明,隨著隧洞埋深的增大,地層內(nèi)部產(chǎn)生“土拱效應(yīng)”,地表最大沉降值逐漸減小。屠越等[3]采用MIDAS 數(shù)值模擬研究了電纜隧洞埋深及寬度對地表沉降的影響。結(jié)果表明,隧洞埋深是影響沉降槽寬度系數(shù)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(dǎo)改進(jìn)了軟土地區(qū)Peck 公式,并與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)測方法

2.1 工程概況

研究隧洞屬于土質(zhì)隧洞,隧洞全長為1.7 km,最大和最小埋設(shè)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(tǒng)黏質(zhì)黃土為主。隧洞開挖采用上下臺階預(yù)留核心土工法。

現(xiàn)場監(jiān)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(jìn)行埋深對仰拱受力影響的對比研究。

2.2 監(jiān)測方法

為深入研究隧洞埋深對仰拱受力特征影響,本次現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容包括基底接觸壓力和鋼拱架應(yīng)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(yīng)變測試采用正弦式表面應(yīng)變計測試,安裝于鋼架腹板位置。其中應(yīng)力值的大小可根據(jù)胡克定律導(dǎo)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(jié)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(jiān)測時間的變化曲線。結(jié)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(wěn)的變化趨勢。淺埋隧洞的第一階段主要持續(xù)15 d,第二階段主要持續(xù)60 d；深埋隧洞的第一階段主要持續(xù)20 d,第二階段主要持續(xù)20 d。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是由于淺埋區(qū)隧洞開挖后土拱效應(yīng)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(yīng)的作用,圍巖壓力迅速調(diào)整,基底壓力也很快趨于平穩(wěn)。

圖2 基底接觸壓力時程曲線

總的來看,對于淺埋隧洞區(qū)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小；對于深埋隧道區(qū)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(fā)生在拱腳位置。此外,當(dāng)基底壓力趨于穩(wěn)定時,對于淺埋區(qū)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(qū)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(jié)果不難發(fā)現(xiàn),隧洞無論深埋或者淺埋,仰拱的接觸壓力最小值均發(fā)生在拱底中心。導(dǎo)致這一現(xiàn)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(yīng)力分析

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

圖3 鋼拱架應(yīng)力時程曲線

分析表明,穩(wěn)定后的鋼拱架應(yīng)力具體數(shù)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(yīng)力最大為12 MPa,左拱腳穩(wěn)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(yīng)力最大為16 MPa,左拱腳穩(wěn)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(yīng)力穩(wěn)定后各個位置的應(yīng)力差別較大,深埋段鋼拱架應(yīng)力明顯大于淺埋段鋼拱架壓力。淺埋段最大壓力出現(xiàn)在拱底中心,而深埋段最大壓力出現(xiàn)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(yīng)針對深埋段隧洞和淺埋段隧洞進(jìn)行差異化處置。其中對于淺埋段隧道而言,增大鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面,增加拱底位置處的支護(hù)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(xiàn)較大的變形或者開裂；對于深埋段隧洞,應(yīng)適當(dāng)增加拱腳位置處的支護(hù)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?qū)е碌乃矶吹撞抗拿浐烷_裂。此外,隧洞仰拱在開挖的同時要及時進(jìn)行支護(hù),嚴(yán)格控制施工流程,發(fā)現(xiàn)問題及時處理,減少安全隱患。

5 結(jié)論

本文基于某不同埋深隧道基底接觸壓力和鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的受力特征進(jìn)行分析,對比基底接觸壓力和鋼拱架應(yīng)力不同位置處的分布規(guī)律空間變化規(guī)律,得到如下幾點結(jié)論：

（1）隧洞淺埋段和深埋段接觸壓力隨監(jiān)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(wěn)的變化趨勢,同時淺埋段變化速率大于深埋段。

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

（3）對于淺埋段隧洞而言,應(yīng)適當(dāng)增加拱底位置處的支護(hù)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(yīng)適當(dāng)增加拱腳位置處的支護(hù)強度,控制圍巖變形。