水平砂泥岩地层隧道变形规律和预留变形量研究

2020-12-30种玉配熊炎林齐燕军刘书奎

河南城建学院学报 2020年5期

种玉配，熊炎林，齐燕军，刘书奎

(1.中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院，广东广州 511400；2.广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室，广东广州 511400；3.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116)

随着西部大开发和一带一路战略实施，山岭区域隧道建设数量和规模不断扩大。由于地形地质条件的约束，许多隧道建造在水平砂泥岩地层。水平砂泥岩地层隧道设计中预留变形量的确定对隧道建设成本和隧道初期支护变形稳定均具有较大影响。

目前，国内许多学者对隧道预留变形量进行了研究：吴勇等[1]针对丽香某破碎岩体隧道，提出围岩破碎、极破碎情况下，隧道预留变形量分别取25 cm和30 cm比较合适；唐民、赵东平、樊纯坛等[2-4]对黄土隧道的拱顶沉降和净空收敛进行分析，提出黄土隧道变形预留量可以根据初期支护封闭的时间和实测监测数据确定；曹海静等[5]针对蒙华铁路黄土隧道，提出Ⅳ级和Ⅴ级围岩隧道预留变形量分别取8～10 cm和12～15 cm为宜；孙国凯等[6]通过分析隧道沉降数据，提出软弱围岩隧道的预留变形量取30～35 cm比较合适；金美海等[7]采用数值计算和现场实测数据分析相结合的手段，提出了黄土隧道在不同偏压时的预留变形量建议值。

针对水平砂泥岩地层隧道预留变形量的研究，目前还鲜有报道。蒙华重载铁路段家坪隧道大部分位于水平砂泥岩地层，论文通过数值模拟分析和现场实测的变形数据，得到水平砂泥岩地层隧道预留变形量，为类似工程设计和施工提供参考。

1 工程概况

段家坪隧道位于陕西省延安市宜川县境内，隧道进口里程DK446+664.02，出口里程DK457+387.00，隧道全长10 722.98 m，为单洞双线隧道，最大埋深450 m，两浅埋处最小覆土厚度分别为3.5 m与14 m。上覆第四系全新统冲积砂质新黄土、砂土及碎石类土、上更新统风积砂质新黄土、冲洪积砂质老黄土、黏质老黄土及砂类土和碎石类土，下伏三叠系砂岩、泥岩等。区域内发育的节理主要有 NWW、NNE 两组节理，其中 NWW 组较为发育。初期支护参数如表1所示。

表1 初期支护参数

图1 数值计算模型图

2 数值模拟

2.1 模型的建立

通过MIDAS/GTS建立水平砂泥岩地层隧道二维平面应变弹塑性计算模型[8]，隧道的开挖总宽度为14 m，开挖总高度为11 m。计算模型如图1所示。

左右两侧边界长度取隧道总跨度的3倍，隧道模型下方边界取隧道总高度的2.2倍，隧道模型的上边界取隧道总高度的2.5倍。建立的隧道模型宽为100 m，高为70 m。隧道模型的竖向边界以及下边界采用零位移约束条件进行约束，而上边界设为自由边界。钢架的作用采用等效方法予以考虑，隧道围岩及支护材料的相关参数见表2。

表2 围岩及支护材料参数

2.2 模拟结果分析

水平砂泥岩隧道围岩变形云图如图2所示。

图2 隧道围岩变形云图

由图2可知：该数值模拟中，水平砂泥岩地层隧道IV级围岩段拱顶沉降为54.77 mm，净空收敛为36.04 mm，拱顶沉降最大值大于净空收敛最大值。

3 现场监测数据分析

3.1 监测点布置

选择直径不小于20 mm的螺纹钢作为测点材料，长度约为20～30 cm，在螺纹钢尾部(隧道洞内方向)焊接钢板或者进行45°斜切面，并且在钢板上面或斜切面处粘贴测量专用反射膜片。初期支护应与围岩密贴，测点埋设在钢架、格栅等初期支护上，测点一端紧贴岩面，无钢架和格栅等初期支护时，测点应埋入围岩不小于20 cm，并埋设牢固。具体布置如图3所示。

图3 监测断面布点示意图

3.2 典型监测数据的分析

DK453+600～DK454+100里程范围内，隧道埋深大于300 m，属于高地应力区，围岩累计变形量较大。隧道纵向每10 m布置1组监测断面，包含拱顶沉降监测点和净空收敛监测点，围岩变形较大位置处适当加密拱顶沉降和净空收敛监测点，以获取较大数据进行分析。

DK453+600～DK454+100里程范围内，隧道监测变形数据较大，此处选取3组断面DK453+710、DK453+880和DK454+030的监测数据进行变形量和变形规律分析。3组断面的位移-时间关系曲线如图4～图6所示。

图4 DK453+710断面位移-时间关系图

图5 DK453+880断面位移-时间关系图

图6 DK454+030断面位移-时间关系图

由图4～图6可以看出：3组监测断面拱顶沉降、周边收敛随时间变化的规律不尽相同，但是整体呈现相似的趋势，拱顶沉降和周边收敛位移累计值随时间增长逐步趋于稳定。3组监测断面的变形累计值与数值模拟计算结果基本相同。

根据图4～图6中的变化曲线，可将隧道断面开挖后的变形大致分为4个阶段：开始变形阶段、加速变形阶段、过渡变形阶段和稳定变形阶段。

(1)开始变形阶段

在隧道开挖后的7 d内，围岩持续变形，但是变形量和变形速率相对加速变形阶段偏小，变形相关数据见表3。

表3 开始变形阶段断面变形数据

(2)加速变形阶段

在隧道开挖后的8～18 d内，围岩变形剧烈，变形速率较大并且有较大波动，变形相关数据见表4。

表4 加速变形阶段断面变形数据

(3)过渡变形阶段

在隧道开挖后的19～26 d内，围岩变形速率相对缓慢并且没有较大波动，变形相关数据见表5。

表5 过渡变形阶段断面变形数据

(4)稳定变形阶段

在隧道开挖后的27 d后，围岩基本上不发生变形或变形速率近乎为零。

3.3 预留变形量确定

选取隧道断面里程DK453+600～DK454+100范围内的监测数据作为预留变形量分析确定的数据来源，根据隧道监控量测规范，每10 m布置1组综合监测断面，监测拱顶沉降和净空收敛，在变形较大位置处增加监测断面数目，数据统计见表6。

表6 统计数据表

根据表6的统计数据绘制拱顶沉降和净空收敛占比与变形区间的分布图，如图7所示。

根据数值模拟计算结果和相关监测数据可以发现：水平砂泥岩隧道围岩的拱顶沉降最终累计值大于净空收敛最终累计值，并且拱顶沉降变形区间个数也大于净空收敛变形区间个数。因此，仅对拱顶沉降累计值和变形区间进行分析。

图7 拱顶沉降和净空收敛最终累计值分布状况图

图8 监测数据散点图

根据图7可以将拱顶沉降最终累计值区间大致分为3个等级，第一等级：变形区间为40～60 mm的断面占比在50%以上；第二等级：变形区间为0～20 mm和30～40 mm的断面占比在10%～50%；第三等级：剩余变形区间的断面占比小于10%。拱顶沉降最终累计值分布在40～60 mm的断面数为29，分布在0～20 mm和30～40 mm断面数为21，剩余变形区间的断面数为6。拱顶沉降最终累计值40～60 mm的概率为51%，认为拱顶沉降最终累计值在此范围内概率最大。拱顶沉降最终累计值为20～30 mm的概率为3.3%，认为拱顶沉降最终累计值在此范围内概率最小。

根据表6统计数据，获得不同相对保证率的散点图，如图8所示。

由图8可知：预留变形量为40 mm、50 mm、60 mm、90 mm时，保证率分别为41%、66%、93%、100%，基于现场监控量测数据和数值模拟计算结果，认为水平砂泥岩隧道IV级围岩预留变形量取55～60 mm为宜。