侧压力系数对高地应力隧道二次衬砌承载力的影响

王志杰，袁晔，何晟亚，许瑞宁

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

侧压力系数对高地应力隧道二次衬砌承载力的影响

王志杰，袁晔，何晟亚，许瑞宁

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

高地应力区隧道的地应力和侧压力系数往往沿线有所变化。为了研究高地应力条件下，侧压力系数对隧道二次衬砌承载力的影响规律，首先分析了隧道试验段的实测地应力和接触应力，确定了隧道所处的地应力及侧压力系数的大小。然后利用有限元软件ANSYS，采用荷载结构模型计算了在0.25～4.00不同侧压力系数下隧道二次衬砌的内力。最后根据内力值计算出安全系数，从而推断其极限承载能力，并总结了侧压力系数对隧道二次衬砌极限承载能力的影响规律。

隧道 侧压力系数 极限承载力 高地应力 荷载结构模型

随着我国交通建设的不断发展，隧道工程已经向长大、深埋方向发展。近几年来，穿越高地应力区且地质环境恶劣的软弱围岩长大隧道工程不断涌现。由于对高地应力区软弱地质环境缺少足够的认识，在隧道施工过程中频频出现塌方和衬砌变形过大等事故，给隧道建设造成巨大的损失。而高地应力区隧道的地应力水平和侧压力系数往往沿线有所变化，为了探明不同侧压力系数下，高地应力区隧道衬砌结构的受力特征和力学行为，本文以大梁隧道斜井段的地质条件和支护参数为背景，采用ANSYS有限元软件针对不同竖向地应力和侧压力条件下隧道二次衬砌的内力进行了计算，进而分析了不同侧压力条件下二次衬砌极限承载力及受力特征。

1 工程背景

大梁隧道位于青海省门源县，地处祁连山中高山区，平均海拔3 600～4 200 m，最高海拔为4 430 m，最大埋深超过800 m，穿越断层带，地质条件特别复杂。试验段位于隧道斜井段，斜井长度1 070 m。掌子面揭示岩性为板岩夹灰岩，岩体呈灰白—灰黑色。受地质构造影响严重，岩层有挠曲现象，呈薄层状，局部呈碎石状松散结构。节理很发育，岩体较破碎～极破碎。岩质软弱，掌子面多渗水，拱部有股状涌水，并伴有碎屑颗粒流出。围岩易坍塌，侧壁不稳定，现场综合判定为Ⅴ级围岩。

2 实测地应力及接触应力

在大梁隧道斜井辅助正洞DK331+816及DK332 +019处布置了铅直地应力测试孔。经现场实测，最大水平主应力的最大值为27.83 MPa，最小主应力的最大值为15.18 MPa，实测地应力值如表1。在大梁隧道斜井辅助正洞DK331+630，DK331+710及DK332 +730处布置了3个衬砌接触应力测试断面，衬砌各点与围岩接触压力如表2所示。

表1 大梁隧道地应力现场测试值

从表1中可以看出，试验段中最大水平主应力值为27.83 MPa。而通过对单轴、三轴试验数据的分析计算得到围岩的单轴抗压强度为20 MPa左右，由此可得围岩强度应力比Rc/σmax=0.719，属于极高地应力状态。试验段范围内，侧压力系数均＞1，表明本区域是以水平构造应力为主导。从隧道实际开挖后测试出来的接触压力来看，侧压力值在1～3之间变化，与表1中的初始地应力值相比，开挖后的侧压力系数变化范围较大，这应该与隧道开挖后应力重分布有关。总的来说，大梁隧道处于极高地应力区，且沿线侧压力系数有所变化。

表2 大梁隧道衬砌接触压力测试值

3 数值计算与结果分析

隧道设计参数如下:拱墙50 cm，仰拱60 cm。拱、墙、仰拱混凝土等级C35，HRB335双层钢筋，直径22 mm，间距15 cm，保护层厚度50 mm。根据《铁路隧道设计规范》TB 10003—2005，计算所采用的材料参数和地层参数见表3。计算中侧压力系数取值从0.25～4.00。

表3 材料计算参数

目前对隧道结构的计算主要有两种模型:荷载—结构模型与地层—结构模型，本次计算采用荷载—结构模型进行计算。计算软件采用大型通用有限元软件ANSYS10.0。根据荷载—结构模型理论，假设衬砌四周均布地基弹簧。用梁单元Beam3来模拟隧道二次衬砌，利用Combin14单元来模拟围岩对衬砌的弹性抗力，设置Combin14单元只受压不受拉。对梁单元施加荷载，计算得到二次衬砌结构内力。

当取侧压力系数为2时，采用表4中不同荷载值试算，得到其安全系数如表4所示。根据《铁路隧道设计规范》TB 10003—2005中对于安全系数的规定，就可以判断出其水平极限荷载值。从表4可知，当侧压力系数为2，水平荷载为0.9 MPa时，二次衬砌的安全系数为2.4，刚好满足二次衬砌安全性的要求，从而可以知道在侧压力系数为2时，水平极限荷载的值为0.9 MPa。当侧压力取其余值时，可分别采用上述方法经过试算得到对应的水平极限荷载值，详见表5。

表4 侧压力系数为2时试算荷载组合

表5 侧压力系数对应水平极限荷载值

由表5和图1可以看出，隧道处于不同侧压力水平下时，隧道衬砌的承载能力也会有所不同，产生破坏的位置也将发生变化。随着侧压力系数的增大，极限荷载值呈现先增大后减小的趋势，二次衬砌危险部位由拱顶转移到墙角。在侧压力系数为1时，极限荷载值取得最大值，衬砌结构受力较均匀。

图1 侧压力系数与水平极限荷载曲线

根据图1，若确定侧压力系数值后，隧道所受的实际水平荷载值在图中曲线以下，则结构是处于安全状态的，若在曲线以上，则结构安全系数不能满足规范要求。据此可以对大量隧道试验断面进行安全性分析，如表6所示。可以看出，3个试验断面安全性均满足规范要求。

表6 试验断面安全性分析

4 结论

本文结合现场测试和有限元数值模拟，研究了侧压力系数对高地应力隧道二次衬砌极限承载力及其变化规律的影响，得出了以下结论:

1)隧道处于不同侧压力水平下时，隧道衬砌的承载能力也会有所不同，产生破坏的位置也将发生变化。

2)侧压力系数为1时，水平极限荷载值最大。此时结构内力分布较为均匀，为最佳受力状况。

3)侧压力系数小于1时，随着侧压力系数增大，水平极限荷载值增大。侧压力系数大于1时，随着侧压力系数增大，水平极限荷载值减小。

4)侧压力系数较小值(此处为0.25～0.5)时，控制断面为拱顶，即拱顶混凝土易产生受拉破坏，在施工中应该注意控制拱顶混凝土浇筑质量。当侧压力系数较大时，控制断面为墙脚，即墙角混凝土易产生受拉破坏，此时要严密控制墙角混凝土浇筑质量，防止墙角混凝土拉坏。

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Influence of lateral pressure coefficient on bearing capacity of secondary lining of tunnel in high ground-stress area

WANG Zhijie，YUAN Ye，HE Shengya，XU Ruining
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T he ground stress level and lateral pressure coefficients of high ground stress area often vary along the tunnel．In order to study the influence of lateral pressure coefficient on the bearing capacity of the secondary tunnel lining under high ground stress conditions，the measured stresses and contact stress in the tunnel test section are firstly analyzed，and the ground stress level and the lateral pressure coefficient are determined．By using finite element software ANSYS and load structure model，this paper calculated the internal force of tunnel secondary lining under different lateral pressure coefficient which is from 0.25 to 4.00，and concluded influence of lateral pressure coefficient on ultimate bearing capacity of tunnel secondary lining according to the safety coefficient and its ultimate bearing capacity deduced by the internal force value．

T unnel;Lateral pressure coefficient;Ultimate bearing capacity;High ground stress;Load structure model

U451+.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．16

1003-1995(2015)03-0054-03

(责任审编赵其文)

2014-07-26;

2014-12-22

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，山西万荣人，教授。