软弱围岩下铁路隧道支护结构受力监测与分析

2018-07-30周丁恒李凤岭

重庆交通大学学报(自然科学版) 2018年8期

黄赫，周丁恒，李凤岭

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司轨道交通院, 北京 100037；2. 中铁第五勘察设计院集团有限公司城市轨道交通设计处，北京 102600)

0 引言

随着我国铁路建设快速发展，在软弱岩体中修筑铁路隧道不可避免，随之而来的软弱岩体特殊工程地质问题成为铁路隧道工程建设中的热点与难点。

新奥法是隧道工程修筑的最主要方法，其核心原则之一是通过对围岩和支护结构监控、量测来指导隧道设计、施工，尤其是对软弱围岩隧道，现场监测意义极其重要。现场监测数据及反馈信息修正设计参数，以保证设计合理、设计高效，同时现场监测决定了二次衬砌的施工时间。

目前对软弱围岩中铁路隧道现场试验或监测研究[1-3]主要集中于地质类型多样的宝兰客运专线多条隧道上。分别针对黄土、泥岩等类型隧道，通过现场监测，研究了隧道受力随时间变化规律及空间分布特征；此外，还应用可靠度法或容许应力法及相关数据对实际工程安全状态进行评估。高地应力对隧道支护结构受力影响很大，李鹏飞等[4]通过现场监测，得到高地应力条件下隧道围岩压力与初期支护体系各子构件的力学特性，讨论了其随时间的演化特性和沿隧道横断面的空间分布规律。此外，也有学者[5-7]将现场监测作为数值计算补充或结合手段，研究了铁路隧道围岩与支护体系受力特征。与上述研究针对单个隧道不同，房倩等[8]依托多个铁路隧道，对不同级别围岩条件下初支、二衬间接触压力进行了现场监测，深入分析了二衬结构受力特点。现有成果很少考虑不同施工步骤的影响，且只是以单个断面[9-10]为数据样本分析，缺乏全面性。因此，笔者依托朱家山隧道，分别选取Vb级和IVb级这2个断面比较分析，开展支护体系进行现场试验，对施工过程进行安全性评价。

1 工程概况

宝兰客运专线是我国中长期铁路网规划中徐兰客运专线西段，也是国家铁路“四纵四横”客运专线网重要组成部分。作为其控制性工程的朱家山隧道，全长14 947.77 m，属于特长隧道。隧道分进口、4座斜井、出口工作面同时施工，最大、最小埋深分别约为370、30 m。隧区位于陇西系旋卷构造体系的玛雅雪山-会宁旋回褶带南端与祁吕贺兰山字型构造体系前弧西翼之复合部位。该区地质构造较复杂，区域地层支离破碎。隧道穿越大神仙梁山，洞身通过了震旦系片岩夹千枚岩地层、第三系泥岩段，全长范围穿越了3处断层(F4、F6和F13断层)，断层带内为泥夹角砾，断层两侧片岩岩体极为破碎，对隧道施工影响较大。片岩为云母质，薄层、软质；受断层构造影响节理、裂隙发育；倾斜岩层、构造偏压显著；受黄土地层层面地下水影响，片岩层面有渗水。

2 现场试验

2.1 试验概况

针对隧道软质、薄层、破碎和渗水片岩特点，根据现场情况不同围岩条件、支护参数及施工方法，选取DK837+915和DK838+560断面进行现场试验，2个试验断面隧道顶部埋深分别约为179、206 m，均采用三台阶七步法施工，试验段面测点布置如图1。

图1 试验断面测点布置Fig. 1 Layout of monitoring points of the test section

2.2 围岩地质情况

DK837+915断面围岩等级为IVb，DK837+560断面围岩等级为Vb。DK837+915断面处于断层破碎带，原岩为震旦系变质砂岩夹片岩，灰黑色弱风化，片理化极发育，受构造影响极严重，围岩呈破碎状，褶曲发育，围岩软硬不均，节理裂隙很发育，岩体整体破碎，地下水不发育。DK838+560断面掌子面揭露围岩为变质细砂岩夹片岩地层，灰黑色，弱风化，薄层，节理、裂隙很发育，岩层结构面不连续，局部地层呈现尖灭特征，掌子面局部小型褶曲发育，节理面间多见灰白色石英条带充填；受构造作用影响严重，变质砂岩呈压碎岩特征，片岩片理化发育，岩体整体较破碎，边墙易片帮、收敛；地下水不发育，状态分级为Ⅰ级。

3 支护结构形态分析

3.1 围岩压力

围岩压力时程曲线如图2；围岩压力稳定值空间分布如图3。

从图2、3可看出：① 隧道开挖后围岩压力释放较为明显，对初期支护压力也较大，围岩有较为明显的向洞内挤压趋势；② 2个断面受施工步影响，部分测点围岩压力存在波动特征，DK837+915断面以施工步6(仰拱开挖支护、二衬及填充)影响最为明显，该施工步下左右墙脚处压力迅速增大至0.29、0.174 MPa，随着掌子面继续推进，应力释放，2个位置处压力迅速回落。不同于DK837+915断面，DK838+560断面部分测点压力波动性更强，不同施工步多次扰动影响，其中以下台阶开挖支护对拱顶、左右拱脚压力影响最为明显，拱顶压力最大达到了0.467 MPa；③ 拱墙二衬施做后，各测点围岩压力测值趋于稳定，但左墙中稳定时间较其他测点要长。

总体而言，围岩压力稳定后，DK837+915断面左侧围岩压力要大于右侧围岩压力，最大出现在左墙中(0.167 MPa)，拱顶压力较小；DK837+560断面围岩压力整体要比DK837+915断面要大，且左右较对称，仰拱左墙脚处压力最大，其次是拱顶处，分别达到0.234、0.183 MPa。对比图3(a)、(b)可知：墙脚以上，DK837+560断面围岩压力大于DK837+915断面；墙脚以下，DK837+560断面要稍小于DK837+915断面。

图2 围岩压力时程曲线Fig. 2 Time history curve of surrounding rock pressure

图3 围岩压力稳定值分布Fig. 3 Distribution of stable value of surrounding rock pressure

3.2 钢架应力

钢架应力时程曲线如图4；钢架应力稳定值空间分布如图5。

从图4、5可知(负号表示受拉，正号表示受压)：① DK837+915断面右拱腰处钢架应力在施工步3(中台阶左侧开挖支护)开始后迅速上升至400 MPa左右，但表面应变计被破坏，无法量测该位置后期受力情况。左拱腰、右墙中位置钢架处基本一直处于受拉状态，且随时间发展呈“S”型，稳定值在-300 MPa左右。右拱脚处钢架受施工步6影响最为明显，该施工步下，钢架受拉迅速转为受压。其他位置处钢架应力表现为缓慢增长至稳定；②与DK837+915断面类似，右拱脚出钢架受下台阶开挖步影响大，该台阶开挖后迅速接近600 MPa并趋于稳定；右拱腰处初期存在波动变化，在拱墙二次衬砌施做后变化也较为明显，升至445 MPa左右后趋于稳定。其他位置表现为缓慢增长至稳定；③ 2个断面各测点在拱墙二次衬砌施做后不久基本就处于稳定状态。

整体而言，钢架应力随时间发展基本按照“急剧增大→增大放缓→趋于稳定”的变化过程，即钢架应力在支护后即开始显著增大，随着变形稳定，应力值趋于稳定，钢架总体都处于受压状态。DK837+915断面左拱腰、右拱脚及右墙中处钢架应力大，受力均匀性一般；DK838+560断面拱顶、左拱脚处钢架压力远大于其他位置，分别达到252、215.4 MPa，钢架受力非常不均匀。故在施工中，应注意左拱脚至拱顶的稳定。对比图5(a)、(b)可知：墙脚以上，DK837+560断面钢架应力大于DK837+915断面；墙脚以下，DK837+560断面要稍小于DK837+915断面。

图4 钢架应力时程曲线Fig. 4 Time history curve of steel frame stress

图5 钢架应力稳定值分布Fig. 5 Distribution of stable value of steel frame stress

3.3 初支混凝土应力

在初期支护混凝土中埋设混凝土应变计，量测混凝土应变，再以单向应变按胡克定律估算得到混凝土应力，由此判断初支的安全性。朱家山隧道初支喷射混凝土采用C25，弹性模量为28 GPa，轴线抗压强度标准值为16.7 MPa，设计值为11.9 MPa；轴心抗拉强度标准值为1.78 MPa，设计值为1.27 MPa。初支混凝土应力时程曲线如图6；混凝土应力稳定值空间分布如图7。

由图6、7可看出：① DK837+915断面左拱腰处应力在施工步1(上台阶开挖支护步)工作面推进中迅速增大，在后续施工步中在0.75 MPa范围内波动。右拱脚应力在量测初期迅速增大，施工步4(下台阶左侧开挖支护)中变化不大，但下台阶右侧开挖后再次增大，直到施工步6(仰拱开挖支护、二衬及填充)后回落并趋于稳定。其他位置应力随时间发展存在“急剧增大→增大放缓→趋于稳定”的演化过程，在这个过程中部分位置量测后一段时间内表现为拉应力，但均小于C25混凝土轴心抗拉强度标准值，略大约设计值；②与DK837+915断面不同，DK838+560断面各位置应力随时间发展过程可归结为“台阶式增长→趋于稳定”形式，其中穿插有部分施工步中的回落阶段。右拱脚、右墙中位置在施工过程中一直保持拉应力状态，尤以右拱脚最为突出，施工中最大拉应力超过了20 MPa，远大于抗拉强度标准值；③ 拱墙二衬施做后，2个断面各测点初支混凝土应力测值趋于稳定，但仰拱稳定时间较其他测点要长。

总体来看，二衬混凝土应力最大值出现在仰拱底部，分别为22.379、28.681 MPa，均超过C25混凝土轴心抗压强度标准值；喷混凝土另一个受力特征是出现了较大拉应力区，DK837+915、DK838+560断面分别主要集中于围岩压力较大的左墙中和右拱脚位置；其中：DK838+560断面右拱脚位置初支混凝土拉应力达到了12.052 MPa，远大于C25混凝土轴心抗拉强度标准值。在施工过程中右喷混凝土开裂掉块现象严重，侧拱部和边墙多次发生小坍塌，可考虑修改初期支护设计参数，如增大喷射混凝土厚度、改变型钢型式或布置间距等措施。

图6 初支混凝土应力时程曲线Fig. 6 Time history curve of the initial support concrete stress

图7 初支混凝土应力稳定值分布Fig. 7 Distribution of stable value of the initial support concrete stress

3.4 初支与二衬接触压力

初支与二衬接触压力时程曲线如图8；压力稳定值沿隧道衬砌空间分布如图9。

由图8、9可知：初支与二衬接触压力的分布规律不同于围岩压力和钢架应力：① 二衬施做后，2个断面多个位置(DK837+915断面拱顶及左右墙中和DK838+560断面的拱顶、左墙中及右拱腰拱脚)的压力迅速升高至最大值，然后随着二衬结构达到设计强度及拱顶上方围岩压力重分布后逐渐降低并趋于平稳。其中拱顶处压力最大值明显大于其他位置的压力最大值，其数值分别达到了1.367、1.124 MPa；② DK837+915 断面右拱腰、DK838+560断面左拱腰处压力发展趋势与前几个位置类似，先增大再降低至稳定，但最大值小于0.3 MPa；③ 除上述位置外，其他位置均是施做二衬后缓慢增长至平稳，且压力均在0.2 MPa内变化。

图8 初支与二衬接触压力时程曲线Fig. 8 Time history curve of contact pressure between primary and inner lining

整体来看，DK837+915断面初支与二衬接触压力测值稳定后，右侧明显大于左侧，说明隧道处于偏压状态；DK838+560断面拱脚以上左侧压力大于右侧，拱脚以下右侧压力大于左侧，隧道同样处于偏压状态。在二衬施做后，各测点压力急剧增大，这可能与DK837+915断面砂岩夹千枚岩遇水泥化和DK838+560断面砂岩夹泥遇水软化有关，且压力存在一定的波动，但各测点测值最终都趋于平稳。对比图9(a)、(b)可知：墙脚以上，DK837+560断面初支与二衬接触压力大于DK837+915断面；墙脚以下，DK837+560断面要稍小于DK837+915断面。

图9 初支与二衬接触压力稳定值分布Fig. 9 Distribution of stable value ofcontact pressure betweenprimary and inner lining

3.5 二衬混凝土应力

在二次衬砌中埋设混凝土应变计，量测混凝土应变，再以单向应变按胡克定律估算得到混凝土应力，由此判断二次衬砌的安全性。朱家山隧道二次衬砌按照环境等级H1、H2分别采用C35、C40混凝土，试验断面均采用C35，弹性模量为31.5 GPa，轴线抗压强度标准值为23.4 MPa，设计值为16.7 MPa；轴心抗拉强度标准值为2.2 MPa，设计值为1.57 MPa。二衬混凝土应力时程曲线如图10；应力稳定值沿隧道衬砌空间分布如图11。

由图10可知：① 2个断面各测点二衬混凝土应力随时间发展趋势基本一致，变化过程均可划分为快速阶段、过渡阶段和缓慢及稳定阶段，快速阶段应力以较大速率增大，缓慢及稳定阶段应力则以小幅度增大最终趋于稳定。其中快速段持续时间分别为 3～4 d，应力变化量约占最终稳定值的1/2，过渡段持续时间为5～6 d；②除个别测点应力曲线存在交叉现象外，其他测点应力增长为同步状态，说明二衬施做后，混凝土应力分布形式变化不大，受力状态较为单一；③ DK837+915断面拱顶、左右拱脚及右墙中位置应力初期出现负值(拉应力)，除右拱脚处经过7 d应力转为压应力，其他3处短时间内应力由拉转压，且各位置拉应力最大不超过0.5 MPa，远小于混凝土轴心抗拉强度设计值。

总体来看，2个断面二衬混凝土应力测值稳定后二衬处于偏压状态，左墙角至拱顶应力大于右墙角至拱顶应力。由图10可知：二衬混凝土应力最大值出现在拱顶，分别为20.16、36.54 MPa，前者接近C35混凝土轴心抗压强度标准值，后者则超过，两者均超过了设计值，故施工中应适当提高混凝土强度。对比图11(a)、(b)可知：墙脚以上，DK837+560断面二衬混凝土应力大于DK837+915断面；墙脚以下两个断面差异不大。