大断面土质隧道围岩压力及支护结构时空规律研究

范志远

（中铁十二局集团第四工程有限公司 陕西西安 710054）

1 引言

银西铁路作为穿越董志塬地区的首条高速铁路，对于拉动当地经济发展具有重要意义。同时，董志塬作为世界第一大黄土塬，大厚度土层分布为隧道修建带来了一定挑战。因此，开展土质隧道围岩压力及支护结构受力研究具有重要的工程价值。

对隧道围岩压力分布规律及变形规律的研究，国内外专家学者已取得了一些成果。刘聪利用自己研发的大型可拼装式地质力学模型试验系统，提出应力变化可分为“应力积聚－应力释放－稳定状态”3个阶段［1］；金星亮认为大断面扁平状隧道拱顶部位面积大，受力向下移动，拱脚表现出应力集中［2］；段思聪将膨胀土围岩的遇水膨胀等效为材料热胀性特征，利用材料强度指标折减实现隧道衬砌在相关过程中的受力规律研究［3］；杨军平得出围岩在干湿循环条件下的围岩应力及衬砌应变－时间关系曲线［4］；李磊通过现场监测提出围岩压力前期变化相对较大，变化速率与时间呈现负相关，最后围岩压力趋于稳定［5］；陈明明确了围岩工程特性，利用现场监测分析古土壤隧道沉降变形规律［6－7］。

关于隧道支护结构受力特征的研究，国内外学者也进行了许多探索和研究。李鹏飞得到大断面黄土隧道接触压力分布情况，探讨了其受力特性［8］；冯文文研究了衬砌厚度变化对衬砌安全系数和结构稳定性的影响规律［9］；徐林生发现复合式衬砌存在偏压现象是造成原设计支护结构参数调整的重要原因［10］；张德华利用现场监测手段明确了双层支护结构受力变形规律［11］；赵勇提出采用刚度较大的初期支护钢拱架较格栅钢架可分担更多的围岩压力，能够显著改善支护体系内力分布状态［12］。

尽管国内外专家学者对围岩压力、支护结构内力展开了大量研究，但很少能反映其时空效应。鉴于此，本文以银西高铁某土质隧道为研究背景，采用现场监测、数值计算相结合的方法对围岩压力和支护结构时空规律进行研究，以期指导该类隧道工程建设。

2 工程背景及监测方案

（1）工程概况

早胜三号隧道位于董志塬南部边缘黄土沟壑梁峁区，梁面整体地势平坦、开阔，边缘破碎。沟壑较发育。

（2）隧道设计参数

该隧道设计为复合式衬砌，为Ⅳ级围岩深埋隧道，参数见表1。

表1 初期支护设计参数

（3）围岩工程特性

现场取样发现，围岩颜色较深，较为坚硬。通过对土体进行物理力学试验，认为该隧道围岩具有力学强度高、遇水膨胀的特点，见表2。

表2 围岩工程特性统计

（4）监测原理及方案

测试仪器主要采用振弦式传感器，根据监测内容不同，其具体作用见表3。

表3 仪器名称及作用

现场监测过程中，通常在拱顶、拱腰、拱脚和隧底分别布置 3、2、2 和3个监测点，总计10个，测点布置如图1所示。

图1 测点布置

3 现场监测结果及分析

3.1 围岩压力测试

从图2中可以看出，大多数监测点围岩压力呈现急剧增长—减速增长—趋于平缓三个变化阶段，在开挖至初期支护封闭成环时间段内，大多数监测点围岩压力增长较快。虽然此时部分支护结构已形成，但支护结构尚未成环，无法抑制围岩压力的变化；当初期支护封闭成环后，围岩压力经历缓慢波动阶段，其中1＃、4＃点呈围岩压力随时间的增加而增加的趋势，而 2＃、3＃、6＃、7＃点围岩压力均表现为随时间增加而减少的趋势。分析认为初支成环对抑制围岩压力增长起到决定性作用；当隧道二衬施作后，围岩压力不再发生变化；另外，从变化幅度来看，围岩压力表现出左侧＞右侧、拱顶＞仰拱的变化规律。

图2 围岩压力时空曲线

围岩压力整体量值较小，最大点出现在4＃点，量值为352.2 kPa，该点位于中台阶位置；最小点出现在8＃点，量值为15.9 kPa；同时，从图2中可以看出，待围岩压力稳定后，先开挖一侧围岩压力明显大于后开挖一侧。

3.2 接触压力

从图3中可以看出，施作仰拱后，8＃、10＃点均呈现出接触压力随时间先增加后趋于平稳的变化趋势，而9＃点则先减小后增加；当拱墙衬砌施作后，8＃点接触压力逐渐减小并最终趋于稳定，而9＃、10＃点则趋于平稳；其余各点除拱顶外，变化幅度均不大，当二衬施作3 d左右时，所有测点变化均趋于稳定。

图3 初期支护与二衬接触压力时空曲线

3.3 初期支护混凝土变形

图4为初期支护混凝土变形时空曲线，混凝土应变计受压为正，受拉为负。从图4可以看出，除3＃测点混凝土部分呈现抗拉状态外，其余各点均呈受压状态。分析认为初期支护未封闭成环时，3＃测点处拱架间连接筋轴力较大，造成拱架对混凝土挤压致使混凝土向四周扩展，表现出受拉状态；同时，当初期支护封闭成环后，混凝土变形未达到稳定状态，仰拱衬砌施作后绝大多数测点达到稳定状态，而当拱墙衬砌形成后全部测点均达到稳定状态。

3.4 拱架间轴力

图5为钢拱架轴力时空曲线，根据标定书规定，钢筋应力计受压为正，受拉为负。从图5可以看出，拱架间轴力绝大多数呈受压状态；同时可以看出，除3＃点外，其余各点拱架间轴力均表现出随时间增加而增加的趋势，在仰拱衬砌施作前，拱架间轴力变化幅度较大，说明初支形成相邻拱架间连接筋的受力并未达到稳态，仍然需要一段时间进行调整；但当支护结构形成3 d左右时（即二衬仰拱施作后），拱架间连接筋受力状态趋于稳定；而当二衬形成1～2 d后，拱架间轴力不再发生变化。认为初支施作后存在一定的变形余地，随着拱墙衬砌施作，初支受到了较大约束。

图5 拱架间轴力时空曲线

当二次衬砌形成后，拱架间轴力趋于稳定。从图5b可以看出，拱架间轴力最大值出现在2＃点，为30.024 kN；而最小值出现在拱顶部位（1＃点），量值为2.364 kN。当支护结构成环后，拱架间轴力明显分布不均，因此，决定了在拱架成环过程中各测点并未保持在同一里程面。

4 数值计算及分析

4.1 模型构建

模拟选取断面为实际监测位置的对应断面，采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟。为充分考虑掘进方向的空间效应，并减弱边界效应产生的影响，模型尺寸取为100 m×100 m×4.8 m（长×宽×高），每掘进1.6 m为一开挖步。根据室内土工试验测试结果，围岩参数如表2所示，20a型钢与初期支护混凝土参数如上表1所示。围岩和衬砌结构采用C3D8R单元，钢拱架与锚杆采用B31梁单元。模型采取全对称网格划分，且洞周围岩与支护结构网格加密，模型最终网格划分效果如图6所示。

图6 数值模型

4.2 计算结果与分析

图7a与图7b为衬砌结构闭环前围岩数值模拟结果云图，图7c与图7d为衬砌结构闭环后围岩数值模拟结果云图。

由图7可知：整体而言，数值模拟能较好地反映围岩与衬砌结构的受力变形情况。其中，应力分布数值模拟结果与现场监测结果规律一致，即一个施工步开挖完毕后应力最大值位于拱腰位置，最低值位于仰拱位置。而位移分布云图略有差异，其最大值位于仰拱位置，这与实际收敛测试中呈现的拱顶沉降最大规律不符，通过分析可以判断，数值模拟过程为整个变形全过程的变形量，而实际施工布置收敛观测相对延迟，观测结果为部分变形量。同时，随着初期支护封闭成环，围岩应力与位移均表现出随时间增加而减少的趋势，因此黄土隧道施工过程中建议早日将衬砌结构封闭成环以改善结构整体应力及位移状态。

图7 闭环前后围岩应力及变形云图

5 结论

从大断面土质隧道围岩压力、支护结构受力变形规律着手开展研究，得到以下结论：

（1）大断面土质隧道围岩压力呈现急剧增长—减速增长—趋于平缓三个变化阶段；受围岩卸荷影响，围岩压力表现出左侧＞右侧、拱顶＞仰拱的变化规律；围岩接触压力在空间范围内表现出拱顶、拱底较大，其余各点较小的分布形式，拱顶位置接触压力与初支围岩压力空间状态表现出一定的相关性。

（2）初期支护混凝土受力基本呈现受压状态，拱顶处围岩压力值较大，拱顶混凝土沿轴向受压；二衬的形成能够显著改善混凝土受力状态，使其由波动变化变为稳定状态；拱架间测点轴力绝大多数呈受压状态，各测点轴力基本表现出随时间增加而增加的趋势，在仰拱衬砌施作前，测点轴力变化幅度较大。当拱墙衬砌形成后，轴力趋于稳定。

（3）位移分布云图显示最大值位于仰拱位置，随着初期支护闭合成环，围岩应力与位移均表现出随时间增加而减少的趋势，因此实际施工过程中建议尽早将衬砌结构封闭成环以改善结构整体应力位移状态。