高地应力软岩隧道围岩压力及二衬受力特征研究

田　鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



高地应力软岩隧道围岩压力及二衬受力特征研究

田鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

为研究高地应力条件下软岩隧道围岩压力作用规律及二衬受力特征，依托兰新铁路第二双线大梁隧道，分别对隧道围岩与初期支护、初期支护与二次衬砌之间的接触压力进行现场监测，得出上述压力随时间变化规律和沿隧道横断面分布特征，基于实测围岩压力对隧道二次衬砌结构内力进行计算。研究结果表明：初支围岩压力和初支与二衬接触压力随时间发展呈不同变化规律;围岩压力在空间分布上表现出“两侧大、拱顶小”的侧向挤压特征；二次衬砌围岩压力分担比例平均值在45.0%～70.3%；实测围岩压力较规范围岩压力计算出的二衬内力更符合实际。

铁路隧道；高地应力；围岩压力；现场监测；受力特征

近年来，随着我国交通事业的发展，高速铁路、公路网已经逐渐向西部山岭重丘地区扩展。在此过程中，长大、深埋、地质条件复杂的越岭隧道大量涌现，隧道工程建设中遇到的诸如高地温、高地应力等问题也越来越多。高地应力软岩隧道的设计和施工一直是隧道工程建设中的难题[1]，在施工中出现了很多初支变形不收敛、钢架屈服破坏甚至二衬开裂等事故。这些问题表明高地应力软岩隧道衬砌结构设计理论和方法与工程实践还存在一些差异，围岩压力及围岩与支护结构相互作用关系还有待进一步了解。因此，围绕围岩与支护结构的作用关系，结合现场实测数据，开展高地应力软岩隧道围岩压力与二次衬砌受力特征的研究是十分必要的。

关于高地应力软岩隧道围岩压力及衬砌受力的研究，国内外学者通常采用现场试验结合理论分析的方式进行。沙鹏等[2]对层状地层隧道围岩压力和支护结构内力进行了现场测试，得到了层状地层隧道围岩压力的作用规律，王明年[3]等对郑西客专大断面深埋黄土隧道围岩压力进行了现场量测，并对比了不同围岩压力计算理论在黄土地层中的适应性。陈志敏[4]推导出了基于原岩应力和隧道位移的高地应力软岩隧道形变压力计算公式。本文在前人研究的基础之上，依托兰新铁路第二双线大梁隧道，以初支围岩压力、初支与二衬接触压力现场测试数据为基础，结合数值计算手段，对高地应力条件下软岩隧道围岩压力演化规律及二次衬砌结构受力特征进行讨论。

1　工程背景

新建兰新铁路第二双线大梁隧道位于青海省门源县境内，隧道穿越了海拔三千多米的祁连山中高山区，隧址区内沟壑发育，部分基岩呈裸露状。隧道平均海拔3 600～4 200 m，最高海拔为4 430 m，设计为双线铁路隧道。隧道全长6 550 m，最大埋深超过800 m，通过地层主要为奥陶系砂岩、灰岩、板岩及二叠系砂岩，穿越断层破碎带1处，地质条件极为复杂。

表1为大梁隧道斜井工区水压致裂法地应力测试结果，据此可知斜井工区最大水平主应力为 23.04～25.14 MPa， 最小水平主应力为12.95～13.77 MPa，竖向主应力为 12.00～12.30 MPa。研究区 3 个方向的主应力之间的关系为σH>σh>σv，水平构造应力控制强烈，且最大水平主应力优势方向与隧道轴线交角较大，对隧道稳定性极为不利。由室内试验得到此段隧道围岩的单轴抗压强度为20 MPa左右，围岩强度应力比Rc/σmax=0.796，根据我国《工程岩体分级标准》[5]，此段隧道处于极高地应力状态。

表1　大梁隧道斜井工区水压致裂法地应力测试结果

2　现场监测方案

为了确定大梁隧道斜井工区初支围岩压力及初支与二衬接触压力，在隧道DK331+890～DK331+910里程段布设了3个初支围岩压力及初支与二衬接触压力监测断面(为便于叙述，后文中 “接触压力”皆指初支围岩压力和初支与二衬接触压力的统称)。每个监测断面设置7对监测点，如图 1 所示。接触压力监测采用ZX-510BT振弦式双模土压力盒进行量测，仪器量程为2.0 MPa，灵敏度为0.01 MPa，过载承受能力为150%，仪器可在-20～110 ℃环境温度下工作。压力盒数据通过CDGL便携式频率读数仪进行采集，此仪表能直接读取和保存传感器数据，并可以通过USB数据线导入计算机进行数据后处理。式(1)为接触压力计算公式

(1)

式中，F为接触压力，MPa；K为测试元件标定系数，MPa/Hz2；f为实测频率，Hz；f0为仪器测得初始频率，Hz。

图1　接触压力测点布置断面

大梁隧道采用三台阶七步法施工，初支围岩压力监测仪器在隧道开挖到相应部位施作钢拱架时安装，根据隧道开挖步骤，拱顶和左、右拱腰处的压力盒同时安装，然后依次安装左、右拱脚处的压力盒，最后安装左、右边墙部位。初支与二衬接触压力监测仪器在浇筑二次衬砌之前绑扎钢筋笼时一次性安装。为了让接触压力均匀地传递到仪器上从而获得准确数据，须使压力盒与围岩或初支密切。因此，在仪器安装之前，须采用锤击或其他方式将围岩或初支表面处理平整，并用水泥砂浆将其抹平，然后进行仪器安装。安装仪器时，将压力盒放置于预制的刚性支座上，同时保证压力盒与围岩全面积密切，然后将支座焊接在钢拱架或钢筋网上，焊接时应注意保护好压力盒与测试导线。为避免施工机械等对测试导线造成破坏，在安装完成后应将导线放置到柔性PVC管中作为保护，并将其沿隧道边墙部位固定在初支表面上，待二衬施工完成后引入二衬内侧预留的集线箱内。压力盒现场安装见图2。

图2　压力盒现场安装

3　接触压力测试结果分析

3.1接触压力随时间变化规律

隧道各监测断面接触压力随时间变化规律较为一致，限于篇幅，以DK331+900断面为例进行分析， DK331+900测试断面初支围岩压力及初支与二衬接触压力时程变化曲线如图3(a)、图3(b)所示。

图3　大梁隧道DK331+900接触压力时程曲线

(1)由图3(a)可知：初支围岩压力随时间增长呈现“快速增长→缓慢增长→趋于稳定”的变化规律。其中大部分测点前10 d围岩压力快速增长，10～40 d缓慢增长，40 d后基本趋于稳定，其中前10 d的围岩压力增长占到最终值的50%～70%。同时注意到由于试验段采用三台阶七步法分步开挖，而初支围岩压力监测仪器是在施作初支时安装，故在后续施工过程中会产生扰动或局部应力集中现象，因而测到的围岩压力呈上下波动状，但总体波动不大。

(2)由图3(b)可知：初支与二砌接触压力随时间增长呈现“急剧增长→快速减小→缓慢增长→趋于稳定”的变化规律。在监测前4 d内接触压力经历了急剧增长到快速减小的过程，此后缓慢增加，在20 d左右即趋于稳定。造成这一变化的原因是：在隧道二衬浇筑完成后，随着混凝土强度与刚度的提高，加上模板台车的支撑作用，二次衬砌受力在短时间达到一个峰值，此后随着隧道围岩应力的释放和初支二衬应力重新调整，隧道初支和二衬之间的接触压力减小。在二衬模板台车移除之后，初支和二衬之间接触压力缓慢增长，直至趋于稳定。

3.2接触压力空间分布特征

隧道各监测断面不同位置处的接触压力监测结果见表2及表3，接触压力分布如图4(a)～图4(f)所示。

表2　实测初支围岩压力　kPa

表3　实测初支二衬接触压力　kPa

由表2、表3和图4可得出如下结论。

(1)从空间分布来看，大梁隧道初支围岩压力在洞周不同部位相差较大，但总体上呈拱腰>拱脚>拱顶>边墙，表现出了“两侧大、拱顶小”的特征。隧道初支围岩压力在拱腰及拱脚部位较大，最大围岩压力值也多出现在这两处，初支与二衬间接触压力空间分布规律与初支围岩压力分布规律相似。围岩压力在横断面上还表现出了左右不对称的现象，多数监测断面右侧压力大于左侧，表明试验段所处位置存在一定偏压作用。总的来说，大梁隧道围岩压力空间分布形态与一般地应力条件下的隧道围岩压力分布形态差别较大，表现出了明显的侧向挤压特征，表明围岩压力分布受区域水平构造应力影响较大，从现场观察到的初期支护开裂也多发生在隧道拱腰和拱脚处，与围岩压力在这些部位集中有关。

图4　大梁隧道接触压力空间分布(单位：kPa)

(2)从监测到的围岩压力量值上来看，隧道不同部位初支围岩压力平均值在370.0～788.0 kPa(表2)，其中DK330+910断面右拱腰处围岩压力值达999.0 kPa。初支与二衬接触压力平均值在182.7 kPa～369.7 kPa(表3)，最大值达554.0 kPa，出现在DK330+910断面右拱脚处。在我国《铁路隧道设计规范》中计算深埋隧道衬砌结构荷载时，围岩压力按照松散土压力考虑[6]，按照依托工程围岩参数计算得出深埋隧道竖向压力为264.5 kPa，明显小于实测值。笔者认为，对高地应力软岩隧道而言，实测围岩压力不仅包含松散压力，还包含了形变压力，且应以形变压力为主，所以规范中的围岩压力计算方式不适用于高地应力软岩隧道。

3.3二衬分担围岩压力比例

隧道初期支护与二次衬砌所受围岩压力比例一直是业内学者们关注的问题，根据实测初支围岩压力和二衬接触压力可以得出大梁隧道试验段二次衬砌分担比例，其计算方法如下

(2)

根据式(2)计算得出大梁隧道各试验断面二衬压力分担比例见表4。

表4　大梁隧道二衬分担围岩压力比例统计　%

由表4可以看出，大梁隧道不同部位围岩压力分担比例平均值在45.0%～70.3%。其中大部分位置分担比例平均值在50%左右。而此时隧道变形在可控范围内，可以正常施工。可知在高地应力软岩隧道中，初始地应力导致了较大的围岩压力，此时不能仅仅依靠初期支护提供支护阻力，二次衬砌也要承担大量围岩压力，不能只作为安全储备。

4　二次衬砌受力分析

4.1计算模型及参数

运用Midas-GTS有限元软件，采用荷载结构模型进行二次衬砌受力分析。根据荷载结构模型理论，在计算中用梁单元来模拟隧道二次衬砌，用均布于衬砌外侧的径向弹簧单元来模拟地层反力，径向弹簧采用具有非线性功能的单向弹簧单元进行模拟，仅考虑弹簧的受压能力，以真实地模拟衬砌结构与围岩的相互作用关系[7]。

因各断面实测接触压力分布规律相似，选取DK331+900断面实测初支二衬接触压力进行计算，并对实测围岩压力与规范计算围岩压力作用下二衬内力进行对比分析，其中规范计算围岩压力根据大梁隧道围岩参数计算得到竖向压力为264.5 kPa，水平压力为132.3 kPa。计算中采用的参数见表5，计算模型见图5。

表5　计算参数

图5　计算模型

4.2计算结果分析

实测压力和规范计算压力下二次衬砌内力计算结果分别如图6、图7所示。

图6　实测压力作用下二次衬砌内力

图 7　规范计算压力作用下二次衬砌内力

由图6、图7可得出如下结论。

(1)实测压力作用下二次衬砌所受弯矩呈现较大的离散性、隧道左右侧弯矩不对称，右侧弯矩明显大于左侧，分析认为此断面存在一定的偏压作用。最大正、负弯矩分别出现在右拱腰和拱顶，弯矩值分别为386.27 kN·m和-361.92 kN·m；轴力均为压力，基本呈均匀分布，下部略大；二衬危险截面位于右拱腰。

(2)计算压力作用下二次衬砌所受的最大正、负弯矩分别出现在拱顶和拱腰，弯矩值分别为 298.03 kN·m和-267.68 kN·m；二次衬砌的轴力均为压力，轴力由拱顶至仰拱呈逐渐增大趋势；二衬危险截面位于拱顶。

(3)实测压力作用下二衬最大弯矩、轴力均大于计算压力，说明在高地应力区，围岩压力较大，采用规范中的计算荷载进行结构设计已经不能保证结构安全；由弯矩图可以看出：实测压力作用下隧道拱顶弯矩为负(外侧受拉)，拱脚弯矩为正(内侧受拉)，表现出明显的侧向挤压特征，这一点与计算压力差异较大，同时实测压力计算结果轴力值分布更加均匀，更符合深埋隧道二次衬砌实际受力状况。

5　结论

(1)初支围岩压力随时间呈“快速增长→缓慢增长→趋于稳定”的变化规律，受后续施工影响，稳定时间较长；初支与二衬接触压力随时间呈现“急剧增长→快速减小→缓慢增长→趋于稳定”的变化规律，这是由于二衬混凝土浇筑和模板台车移动等因素引起，且其稳定时间较短。

(2)隧道实测围岩压力表现出与规范中深埋隧道设计围岩压力完全不同的特征。监测数据稳定后，实测值大于规范中计算围岩压力值，且表现出“两侧大、拱顶小”的水平挤压特征。表明在高地应力软岩隧道中，形变压力占主导，不能完全按照规范中的松散压力来考虑进行结构设计，要综合考虑隧道初始地应力和实测围岩压力。

(3)大梁隧道实测二衬不同部位压力分担比例平均值在45.0%～70.3%，可知在高地应力软岩隧道中，二次衬砌不能仅作为安全储备，而要承担相当多的围岩压力，在施工中要结合隧道实际监控量测情况，合理确定二衬施作时机。

(4)实测压力作用下，隧道二衬内力(轴力和弯矩)最大值均大于规范计算结果，且两种工况下二次衬砌内力分布规律存在明显差异，采用实测压力计算的结果更能反映高地应力软岩隧道二次衬砌的实际受力特征。

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Study on Surrounding Rock Pressure and Mechanical Characteristics of Secondary Lining in Weak Rock Tunnel with High Geo-stress

TIAN Peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

In order to study the soft rock pressure and mechanical characteristics of secondary lining in weak rock tunnel with high geo-stress， the Daliang tunnel on the second double-track line of new Lanzhou～Xinjiang railway is based to monitor the contacting pressure on surrounding rock and the initial lining and the contacting pressure between the initial lining and the secondary lining， and the development law over time and the spatial distribution of contacting pressure are obtained. The internal force of the secondary lining structure is calculated based on measured surrounding rock pressure. The study results show that the two kinds of pressures change differently over time; the contacting pressure is larger on both sides， smaller in vault， which indicates an obvious lateral extrusion; the secondary lining bears the average of 45.0%～70.3% of the surrounding rock pressure; the measured surrounding rock pressure is more practical than the internal force of the secondary lining calculated based on specified surrounding rock pressure.

Railway tunnel; High geo-stress; Surrounding rock pressure; In-situ monitoring; Mechanical characteristics

2016-01-29；

2016-02-28

铁道部科技研究开发计划项目(2009G020-B-1)

田鹏(1976— )，男，高级工程师，1998年毕业于石家庄铁

1004-2954(2016)08-0108-05

U451

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.023

道学院地下工程专业，主要从事隧道与地下工程的设计与研究工作。