公路隧道围岩压力监测及衬砌结构受力分析

陈 蒙 姜 宁 丁文礼

(烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005)



公路隧道围岩压力监测及衬砌结构受力分析

陈 蒙 姜 宁 丁文礼

(烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005)

通过对公路隧道深埋段围岩压力进行监测，绘制围岩压力变化曲线，分析围岩压力变化规律。通过有限元数值模拟分析衬砌结构受力情况，为日后类似隧道工程的合理设计与施工提供了借鉴与参考。

公路隧道，围岩压力，衬砌结构

0 引言

随着高速公路建设的迅速发展，我国公路隧道的建设也取得了举世瞩目的成就[1]。隧道开挖后，围岩压力的变化规律对衬砌结构的合理类型，尺寸及形状的选择有着至关重要的影响。只有了解了隧道围岩压力的变化规律才能选择与之对应的施工方法。因此研究隧道围岩压力的变化对隧道工程的顺利进行有着重要的意义[2]。

在隧道工程中主要通过直接测量法、理论计算法和工程类比法确定围岩压力[3]。随着隧道工程建设的发展，围岩压力的研究越来越受到关注。曲海锋等[4]对现在常用的围岩压力计算方法进行了科学的评价，并指出了其中出现的问题。赵伶杰等[5]通过研究提出了硬岩地层深埋洞室围岩压力的合理计算方法。肖明清[6]对小净距隧道的围岩压力及侧压力系数进行了分析。李鹏飞等[7]对大跨黄土隧道的衬砌结构进行了受力分析。钟祖良等[8]将围岩压力实测值与理论计算进行了对比分析。

本文选取邢汾高速寨子沟隧道口左幅ZK76+262.5为监测断面，对该断面围岩压力进行了长期监测，通过绘制围岩压力变化曲线分析了围岩压力变化规律。通过有限元数值模拟结合围岩压力监测结果分析了衬砌结构受力情况，为日后类似隧道工程的合理设计与施工提供了借鉴与参考，以保证隧道工程的顺利进行。

1 监测断面概况

监测断面寨子沟隧道左幅YK76+262.5，岩性为上元古界长城系常洲沟组红色石英砂岩。岩石锤击声较清脆，有轻微回弹，定性鉴定为较坚硬岩。对监测断面处石英砂岩采集15块岩样做点荷载实验，获得岩石单轴抗压强度为30.73 MPa，为较坚硬岩。监测断面围岩层理发育，层理产状为226°∠26°，岩层走向与洞轴线(201°)夹角为65°。掌子面围岩右侧大部分岩石全风化，呈松散土体状，左侧岩体较破碎，未见地下水，结构面结合较差，岩体稳定性很差。综合判定该处围岩为Ⅴ级围岩。监测断面支护参数为：φ42超前小导管支护，L=4.5 m，环向间距56 cm；φ25中空注浆锚杆，L=3.5 m，纵环向间距120 cm×100 cm；C25喷射混凝土，设计厚度为26 cm；Φ8单层钢筋网片，网格设计间距20 cm×20 cm；Ⅰ20b工字钢，设计间距100 cm；C25钢筋混凝土，二次衬砌50 cm。

2 围岩压力监测

2.1 围岩压力监测方法与测点布置

围岩压力对隧道工程的开挖方式与支护类别有着重要的影响。在我国公路隧道的围岩监测领域，传统围岩压力监测方法的压力传感器的设计布置方式基本一致，即在每个监测断面布置较少数量的压力盒，在实际监测当中，几乎均将压力盒直接埋置于喷射混凝土当中。由于传统隧道围岩压力监测方法存在刚度不匹配及不能获得全部围岩压力弊端，本次监测特对压力盒布设方法进行改进。改进之处主要表现在以下两个方面：

1)在监测断面内大幅增加压力盒数量，提高压力盒的布设密度，将相邻压力盒的间距控制在0.6 m～1.0 m左右为宜。

2)采用传力钢板把每相邻的两个压力盒连接起来，传力钢板与钢拱架之间的空隙采取必要措施避免喷射混凝土进入，这样传力钢板之上的所有围岩压力均可以传递到压力盒之上。

本次监测对监测断面共布置压力盒26个，全部安装在工字钢背部，间距0.8 m左侧部分的压力盒测线自左侧拱脚底部以上0.6 m处引出，右侧部分的压力盒测线自右侧拱脚底部以上0.6 m处引出。各压力盒测线外露端长度为8 m。围岩压力监测的测点布置如图1所示。

2.2 围岩压力监测结果分析

依据钢弦式压力盒的测试原理对监测数据进行整理计算，绘制围岩压力变化曲线。各测点围岩压力值随时间变化曲线如图2所示。

依据寨子沟隧道进口左幅YK76+262.5监测断面自2012年10月30日监测元件安装至2013年12月4日所得实测数据得出以下主要结论：安设于拱架背部的压力盒，绝大部分测点压力值的变化趋势大致相同。在安装后3 d内为压力的快速增长阶段，增速比较明显。在2012年11月2日～2012年11月10日期间由于停止供应炸药暂停施工，在此期间大部分测点压力值呈缓慢下降的趋势，少部分测点压力值变化微弱，如1号，24号，25号，26号测点压力值。恢复施工后2 d内大部分测点压力值呈增长趋势，波动略大，之后测点压力值逐渐趋于稳定直至开挖下台阶时出现跳跃。开挖下台阶后大部分测点压力值逐渐趋于稳定，个别测点压力值仍有所变化如4号，6号，7号，8号测点压力值。拱架背部各压力盒当中所受压力最大值约为12.68 kN(2013年7月21日，6号)，所有压力盒所受压力总和最大值约为103.32 kN(2013年7月21日)。

3 衬砌结构受力分析

对寨子沟隧道监测断面衬砌结构的受力分析采用ANSYS有限元程序，依据荷载—结构法，将三维问题简化为平面应变问题进行处理。

3.1 建立衬砌结构数值模型

寨子沟隧道监测断面的围岩级别为Ⅴ级，衬砌厚度为50 cm，采用Beam3梁单元进行剖分。Beam3梁单元的横截面如图3所示，其横截面面积A=0.5 m2，对应中性轴b3的惯性矩I=0.010 416 667 m4。

数值模型的单元划分情况：数值模型共布置54个节点，编号为1～54，共划分为54个Beam3梁单元，单元号为1号～54号。围岩对支护结构的弹性抗力采用Combin14单元；由于实际当中围岩与支护之间不能产生拉力，因此在第一次计算后需将受拉的弹簧单元删除重新进行计算，直至剩余的弹簧单元中不产生拉力为止。

依据监测断面围岩压力监测结果，考虑最不利情况，选取最大围岩压力值数值作为数值模拟的应力边界条件。其中位移边界条件为：弹簧单元在围岩一侧的全部节点约束X方向与Y方向位移。

监测断面Ⅴ级围岩深埋段二衬为C25钢筋混凝土，由JTG D70—2004公路隧道设计规范确定密度、弹性模量、泊松比；参考GB 50307—2012城市轨道交通岩土工程勘察规范，确定地层弹性系数，如表1所示。

表1 数值模型参数取值

3.2 数值模拟结果及分析

衬砌结构的轴力等色图如图4所示，由图4可知轴力在两侧边墙底部及拱脚处最大，由边墙至拱顶轴力值呈减小趋势，拱顶处轴力值最小，仰拱内部的轴力数值变化不大。衬砌结构弯矩图如图5所示，由图5可知拱顶和仰拱中部内侧受拉外侧受压；衬砌结构两侧外侧受拉内侧受压，拱角部位弯矩急剧增大。

4 结语

本文以寨子沟隧道为工程背景，选取隧道深埋段左幅YK76+262.5为监测断面，通过长期围岩压力监测分析了深埋隧道围岩压力的变化规律。监测结果表明：隧道开挖后，深埋隧道围岩压力在短期内迅速增大，之后变化缓慢直至趋于稳定，隧道施工的间断及隧道下台阶的开挖都会对隧道围岩压力产生影响，使压力值发生变化。

基于围岩压力监测结合数值模拟对深埋隧道Ⅴ级围岩的衬砌结构进行了受力分析，分析结果表明：深埋隧道衬砌结构拱顶和仰拱处轴力变化不大，拱脚处轴力最大，拱顶处轴力最小；相比轴力变化，衬砌结构的弯矩变化较大，拱脚、拱顶和仰拱处的弯矩较大，衬砌结构的安全性主要由弯矩控制，拱脚、拱顶和仰拱都是衬砌结构最危险的部位。通过对深埋隧道围岩压力的监测与分析及衬砌结构的受力分析为日后类似隧道工程的合理化设计与施工提供了参考。

[1] 丁文其.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] 伍 冬.山岭隧道围岩压力计算方法及其适用性研究[D].北京：北京交通大学硕士学位论文，2012.

[3] 吴祖松.公路隧道围岩压力计算方法与监测研究[D].重庆:重庆交通大学,2008.

[4] 曲海锋,杨重存,朱合华，等.公路隧道围岩压力研究与发展[J].地下空间与工程学报,2007,3(3):536-543.

[5] 赵伶杰,贺少辉.大跨度高边墙地下洞室围岩压力研究[J].地下空间与工程学报,2005(6):863-866.

[6] 肖明清.小间距浅埋隧道围岩压力的探讨[J].现代隧道技术，2004，41(3)：7-10.

[7] 李鹏飞，张顶立，赵 勇，等.大断面黄土隧道二次衬砌受力特性研究[J].岩石力学与工程学报，2010,29(8):1690-1696.

[8] 钟祖良,刘新荣,刘元雪,等.浅埋双侧偏压小净距隧道围岩压力计算与监测分析[J].重庆大学学报,2013,36(2):63-68.

Monitoring of surrounding rock pressure and stress analysis of liner structure of highway tunnel

Chen Meng Jiang Ning Ding Wenli

(CollegeofCivilEngineering,YantaiUniversity,Yantai264005,China)

Variation curves of surrounding rock pressure are drawn based on monitoring of surrounding rock pressure to realize analysis of surrounding rock stress change rule. This dissertation studies the rule of liner structure stress and strain. These studies provides valuable experience for the similar projects.

highway tunnel， surrounding rock pressure， liner structure

1009-6825(2016)10-0151-03

2016-01-28

陈 蒙(1987- )，男，在读硕士； 姜 宁(1989- )，男，在读硕士； 丁文礼(1988- )，男，在读硕士

U451.2

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