兰州轨道交通区间暗挖隧道初支受力状态研究

曹小平,孙寿榜,张文学

(1.兰州交通大学土木工程学院,甘肃 兰州 730000；2.兰州市轨道交通有限公司,甘肃 兰州 730000)

兰州轨道交通区间暗挖隧道初支受力状态研究

曹小平1,孙寿榜1,张文学2

(1.兰州交通大学土木工程学院,甘肃 兰州 730000；2.兰州市轨道交通有限公司,甘肃 兰州 730000)

通过对兰州轨道交通区间暗挖隧道围岩压力和钢拱架轴力的测量和分析，掌握了兰州轨道交通新近堆积黄土中暗挖隧道施工时隧道初期支护的受力特点以及初支轴力和围岩压力之间的关系。结果表明：在暗挖隧道的拱顶部位，围岩压力一般有最大值，且该部位黄土容易产生塑性变形；同时，钢拱架轴力和围岩压力具有相关性，围岩压力较大的部位钢拱架轴力也相应较大。

轨道交通；暗挖；围岩压力；初期支护

0　引　言

随着我国经济建设和社会的全面快速发展，以交通为主的基础建设正在如火如荼地进行，大量的隧道在我国各地正在不断地建成。“2015中国（上海）隧道与地下工程技术研讨会”上指出，我国已成为世界隧道及地下工程建设规模和建设速度第一大国。据截至2013年底的统计，我国已有公路隧道11359座，总长9606km；我国已有运营铁路隧道11074座，总长达8939km。

在城市轨道交通修建中，盾构法和浅埋暗挖法是目前常用的两种方法，其中浅埋暗挖法对地层的适应性相对较好，而且施工过程比盾构法经济而被广泛应用。同时，在城市轨道交通隧道的施工中，安全性一直是建设者们十分关注的问题，隧道的初支作为同围岩一起变形的初期支护结构，在隧道的安全初期和后期的安全中都发挥着重要的作用[1-2]。因此，广大学者对隧道衬砌的受力状态以及稳定性等方面做了大量的研究工作，积累了丰富的工程实际经验[3-10]。

兰州轨道交通区间暗挖隧道位于黄河阶地，围岩大部分均为新近堆积黄土，隧道穿越城市繁华区，埋深最浅处仅有10余米。因此，选择兰州轨道交通1号线东岗浅埋暗挖段，对初衬钢拱架轴力、初衬与围岩接触压力进行了现场量测，研究并分析了初支的受力特性以及初支轴力和围岩压力之间的关系，对类似工程的设计和施工都具有一定的参考价值。

1　工程概况

兰州市轨道交通中心城区线网由1、2、3号线组成，总长约90km，其中地下段约51km，地上段约39km，共设67座车站，其中高架站28座，地下站39座，1、2号线为线网主干线，3号线为辅助线，具体如图1所示。

图1　兰州轨道交通区间图

兰州地铁1号线经过东岗镇区段为暗挖施工段，焦家湾至东岗区间沿东岗东路布设，向西连接焦家湾站，向东沿东岗东路经兰州市第三十二中学、穿鱼儿沟、甘肃供销储运公司办公楼及家属楼、酒泉钢铁（集团）有限责任公司至东岗车站。该区间为地下区间，施工方法采用矿山法，场地西高东低。

焦家湾至东岗区间矿山法施工主体结构。设计里程为：左线ZDK33+170.666～ZZDK33+551.866，全长381.43m；右线YDK33+237.066～YDK33+ 551.866，全长314.8m；其余 YDK33+170.726～YDK33+237.066段为明挖区间，位于焦家湾出入线下方。

2　仪器布设

围岩压力和钢支撑内力量测是隧道监控量测的选测项目，只有在围岩变形较大或者围岩级别较高时才进行测量。在初衬和围岩之间安装土压力盒，选择有代表性的断面进行测量，测量4个以上断面，每个断面安装压力盒不少于5个，钢筋计不少于5个。

压力盒布设在围岩与初衬之间，本次测量中，压力盒和钢筋计布设在隧道的左、右墙角，左、右拱腰和拱顶部位（见图2）。各测点处沿径向布设压力盒，用频率计测定围岩作用于衬砌的压力，掌握围岩的变形特性。为衬砌的强度与稳定性分析提供数据，并指导隧道设计施工。

图2　压力及钢筋计安装位置示意图

埋设方式：在量测断面处，二次衬砌施工之前在初期支护与围岩之间布设振弦式土压力盒，要求土压力盒与二衬正面接触；安装钢筋计时，须将格栅拱架主筋切断后再将钢筋计对接（搭接）并牢固焊接在两端钢筋上，测试元件的导线须进行妥善保护，引入墙角附近接入数据采集仪并进行测量，测试元件的布设及对导线的保护如图3～图6所示。

图3　土压力盒安装

图4　钢筋计安装

图5　对导线进行保护

图6　现场测量

3　测量及分析

针对兰州轨道交通浅埋暗挖段的特点，选择ZDK33+503、ZDK33+520和ZDK33+5323个断面的围岩压力和初支内力进行分析，结果如图7～图12所示。

图7　ZDK33+503断面土压力测量值

图8　ZDK33+503断面拱架轴力测量值

图9　ZDK33+520断面土压力测量值

图10　ZDK33+520断面钢筋计测量值

图11　ZDK33+532断面土压力测量值

图12　ZDK33+532断面钢筋计测量值

由图7～图12可以看出，3个测量断面上的土压力和拱架内力在安装初期增长较快，10～20d后变化趋于稳定，说明围岩在开挖并进行初期支护2～3周后变形趋于稳定。从3个断面上的数值可以看出，在隧道拱顶部位，围岩和初支的接触压力最大，相应地，在第一、第三2个断面上拱顶部位钢拱架内力也最大，因此可以看出，围岩压力和钢拱架内力之间具有相关性。

4　结　语

围岩接触压力和钢拱架内力的测量是隧道监控量测的选测项目，一般在软弱围岩的暗挖隧道施工中须进行测量。本文在兰州轨道交通1号线东岗暗挖区间选择性地对围岩压力和钢拱架内力进行了测量，得出以下结论：

（1）围岩压力和钢拱架内力可以反映该区段围岩变形特征和初期支护的变形以及力学特征，为验证初支设计的合理性和进一步优化提供有力的依据。

（2）围岩压力和钢拱架内力之间有一定的相关性，即围岩压力增加或减小，钢拱架内力也随之增加或者减小，围岩压力大即表明该段变形较大，钢拱架内力也大。

（3）在暗挖隧道的拱顶部位，围岩压力最大，所以拱顶部位的黄土围岩易产生塑性变形，在施工中应加强对隧道的监控量测，注意施工安全。

[1]JTJD70—2004，公路隧道设计规范[S]．

[2]TB10003—2005，铁路隧道设计规范[S]．

[3]赵占厂,谢永利,杨晓华,等.黄土公路隧道衬砌受力特性测试研究[J].中国公路学报，2004，17(1)：66-69.

[4]沈才华,童立元.钢拱架柔性支撑稳定性预测判别方法探讨[J].土木工程学报,2007，40(3):88-91.

[5]来弘鹏,林永贵,谢永利,等.支护时机对软弱围岩公路隧道力学特征影响的试验研究[J].岩土工程学报,2009，31(3)：390-395.

[6]李鹏飞,赵勇,张顶立,伍冬,等.基于现场实测数据统计的隧道围岩压力分布规律研究[J].岩石力学与工程学报,2013，32(7)：1392-1399.

[7]徐林生.大断面高速公路隧道复合式衬砌结构受力监测分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2009，28(3):528-530.

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U455.4

B

1009-7716（2016）11-0147-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.042

2016-07-28

兰州轨道交通区间隧道暗挖施工变形控制及预测预警研究项目（2015-02）

曹小平（1971-），男，甘肃定西人，博士，副教授，主要从事岩土工程的教学和科研工作。