隧洞埋深对仰拱受力特征影响的试验研究

宗世虎

（新疆水利水电项目管理有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 引言

随着我国基础建设的快速发展,地下空间隧洞工程的规模得到了快速发展。其中仰拱是隧洞衬砌结构的重要组成部分。实际工程中由于隧洞仰拱设计及施工的缺陷可能会诱发隧洞产生变形以及开裂等工程问题。因此研究隧洞仰拱的受力特征是国内外研究的重点和难点。

喻凌峰[1]基于数值模拟手段研究了隧洞埋深对山岭隧道的结构动力响应特征及震害机理。结果表明,土-结构相互作用关系对隧洞衬砌的受力变形起控制作用。方焘等[2]基于物理模型试验研究了盾构隧道埋深对地层变形的影响。结果表明,随着隧洞埋深的增大,地层内部产生“土拱效应”,地表最大沉降值逐渐减小。屠越等[3]采用MIDAS 数值模拟研究了电缆隧洞埋深及宽度对地表沉降的影响。结果表明,隧洞埋深是影响沉降槽宽度系数的主要因素,隧洞变形的精确程度很大程度依赖于隧道半径。唐晓武等[4]采用理论推导改进了软土地区Peck 公式,并与实时监测数据进行对比,证明了修正模型的合理性。本文依托新疆伊犁河流域BA 干渠朝阳隧洞工程,基于现场监测数据开展不同埋深的隧洞对仰拱受力特征的影响研究。

2 工程概况及监测方法

2.1 工程概况

研究隧洞属于土质隧洞,隧洞全长为1.7 km,最大和最小埋设深度分别约为50 m 和5 m。隧洞的出口段为深埋型,埋深介于30 m~50 m。隧洞地层主要以为第四系中更系统黏质黄土为主。隧洞开挖采用上下台阶预留核心土工法。

现场监测断面选择深埋处断面和浅埋处断面各一处,其中深埋处断面埋深为50 m,浅埋处断面埋深6 m,以此进行埋深对仰拱受力影响的对比研究。

2.2 监测方法

为深入研究隧洞埋深对仰拱受力特征影响,本次现场监测内容包括基底接触压力和钢拱架应变。接触压力采用土压力盒测试,安装深度约为钢拱架底部12 cm 位置处,钢拱架应变测试采用正弦式表面应变计测试,安装于钢架腹板位置。其中应力值的大小可根据胡克定律导出。测试仪器布置具体见图1。测试位置主要包括拱底。左右拱脚处,每处布置两个测量仪器以便相互验证。

3 计算结果与分析

3.1 基底接触压力分布

图2 汇总得到左右拱脚和拱底中心位置处,隧洞浅埋段和深埋段接触压力随监测时间的变化曲线。结果表明,接触压力的变化分为三段：分别为快速增大-缓慢增大-趋于平稳的变化趋势。浅埋隧洞的第一阶段主要持续15 d,第二阶段主要持续60 d；深埋隧洞的第一阶段主要持续20 d,第二阶段主要持续20 d。导致这一现象的主要原因是由于浅埋区隧洞开挖后土拱效应难以形成,故压力重分布周期更长；相反,深埋隧洞由于土拱效应的作用,围岩压力迅速调整,基底压力也很快趋于平稳。

图2 基底接触压力时程曲线

总的来看,对于浅埋隧洞区而言,右拱脚的接触压力最大,其次是左拱脚,拱顶中心位置处的接触压力最小；对于深埋隧道区而言,左拱脚的接触压力最大,其次是右拱脚,拱顶中心位置处的接触压力最小。无论是隧洞深埋或者浅埋,基底接触压力的最大值均发生在拱脚位置。此外,当基底压力趋于稳定时,对于浅埋区隧道,左右拱脚处的接触压力分别为300 kPa 和420 kPa,而拱底中心处的基底接触压力值为200 kPa；对于深埋区隧洞,左右拱脚处的接触压力分别为400 kPa 和200 kPa,而拱底中心处的基底接触压力值为130 kPa。

对比以上结果不难发现,隧洞无论深埋或者浅埋,仰拱的接触压力最小值均发生在拱底中心。导致这一现象的主要原因是由于深埋隧洞的围岩压力分布比较均衡,而相同条件下浅埋隧洞的接触压力明显大于深埋隧道。

3.2 钢拱架应力分析

图3 汇总得到了钢拱架应力分布规律。其中受拉为正,受压为负。结果表明,浅埋段钢拱架应力分布规律也呈现三阶段：分别为快速减小-缓慢减小-趋于平稳的变化趋势；对深埋钢拱架应力而言,整体表现出平缓增加的趋势。其中浅埋段隧洞钢拱架应力快速增大持续时间约40 d,而缓慢增大持续时间约30 d。

图3 钢拱架应力时程曲线

分析表明,稳定后的钢拱架应力具体数值在不同位置的具体值有较大的的差异,其中浅埋段钢拱架在拱底中心的最大压应力最大为12 MPa,左拱脚稳定段最大压力为6 MPa,右拱脚最大压力为10 MPa；对深埋段隧洞,在拱底中心的最大压应力最大为16 MPa,左拱脚稳定段最大压力为25 MPa,右拱脚最大压力为32 MPa。

总体来看,钢拱架应力稳定后各个位置的应力差别较大,深埋段钢拱架应力明显大于浅埋段钢拱架压力。浅埋段最大压力出现在拱底中心,而深埋段最大压力出现在拱脚处。

4 施工建议

综合以上对基底接触压力与钢拱架的受力特征分析与研究,在具体施工过程中应针对深埋段隧洞和浅埋段隧洞进行差异化处置。其中对于浅埋段隧道而言,增大钢拱架支护结构断面,增加拱底位置处的支护强度,可以显著提高抵抗压力的能力。同时由于隧洞浅埋容易受外部降水及地表积水的影响,实际工程需着重考虑加强排水措施,避免隧洞出现较大的变形或者开裂；对于深埋段隧洞,应适当增加拱脚位置处的支护强度,提高抵抗压力的能力,以控制围岩变形,避免或者减小仰拱受力不均匀导致的隧洞底部鼓胀和开裂。此外,隧洞仰拱在开挖的同时要及时进行支护,严格控制施工流程,发现问题及时处理,减少安全隐患。

5 结论

本文基于某不同埋深隧道基底接触压力和钢拱架支护结构的现场实测数据的受力特征进行分析,对比基底接触压力和钢拱架应力不同位置处的分布规律空间变化规律,得到如下几点结论：

（1）隧洞浅埋段和深埋段接触压力随监测时间的变化曲线可分为三段：分别为快速增大-缓慢增大-趋于平稳的变化趋势,同时浅埋段变化速率大于深埋段。

（2）钢拱架应力稳定后各个位置的应力差别较大,深埋段应力明显大于浅埋段钢拱架压力；浅埋段最大压力出现在拱底中心,而深埋段最大压力出现在拱脚处。

（3）对于浅埋段隧洞而言,应适当增加拱底位置处的支护强度,同时由于隧洞浅埋,着重考虑加强排水措施；对于深埋段隧洞,应适当增加拱脚位置处的支护强度,控制围岩变形。