大跨淺埋偏壓隧道圍壓實測及結(jié)構(gòu)受力分析

江 磊，侯哲生，吳海衛(wèi)

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺264005)

隨著我國高等級公路建設(shè)的發(fā)展，隧道工程成為重要的組成部分。對于大跨度隧道，由于地質(zhì)條件的限制，常常不可避免地處于淺埋偏壓段，且這種大跨淺埋偏壓隧道呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。由于大跨淺埋偏壓隧道內(nèi)部受力條件較為復(fù)雜[1－3]，極易引起不利于襯砌結(jié)構(gòu)的變形問題，甚至可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂破壞等嚴(yán)重后果[4－5]，成為工程界與學(xué)術(shù)界較為關(guān)注的問題之一。

關(guān)于大跨淺埋偏壓隧道的結(jié)構(gòu)受力特性，已有相關(guān)學(xué)者做過一定的研究，具有代表性的有:陳秋南等[6]做了耳墻式隧道結(jié)構(gòu)受力特征研究，得出地形偏壓率P=4.0時結(jié)構(gòu)受力比較合理的結(jié)論;李文江等[7]對地鐵區(qū)間大斷面隧道施工力學(xué)行為及地面建筑物對隧道結(jié)構(gòu)受力的影響進行了研究;申玉生等[8]對雙連拱偏壓隧道的結(jié)構(gòu)受力與施工工序之間的關(guān)系進行了研究;李訊等[9]做了基于圍巖力學(xué)參數(shù)反演的隧道結(jié)構(gòu)受力分析;宋克志等[10]做了圍巖彈性抗力對隧道結(jié)構(gòu)受力的影響分析;高世軍等[3]針對地形與地質(zhì)構(gòu)造偏壓隧道的結(jié)構(gòu)受力及其偏壓問題治理進行了分析;王恒松等[11]做了基于ANSYS的單線鐵路隧道結(jié)構(gòu)受力模擬分析，通過對支護襯砌結(jié)構(gòu)軸力圖、剪力圖和彎矩圖的分析，對結(jié)構(gòu)的安全性做出評價;鄧之友[12]做了淺埋偏壓隧道結(jié)構(gòu)荷載反分析研究。

由上述研究現(xiàn)狀可以看出，盡管這方面的研究成果較多，但在進行相關(guān)結(jié)構(gòu)計算時所施加的圍巖壓力基本是理論圍巖壓力。由于理論圍巖壓力與實際圍巖壓力之間往往存在較大的差別，從而導(dǎo)致其研究結(jié)論與實際之間具有一定的出入。為克服這一問題，本文以邢汾高速公路邢臺段后偏梁大跨度隧道的淺埋偏壓段為例，首先對實際的圍巖壓力進行了監(jiān)測，之后以該實測圍巖壓力為結(jié)構(gòu)計算的應(yīng)力邊界條件，對襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性進行了分析。

1 工程概況

1.1 隧道概況

后偏梁隧道位于邢汾高速公路邢臺至冀晉界段，是一條分離式雙向六車道大跨度隧道，左線長656 m，右線長 645 m，隧道凈寬 15.540 m，凈高 8.065 m。

隧址區(qū)地貌類型屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌，路線橫穿山脊，沿線地形地勢特點縱向為中間高，兩側(cè)低，橫向為中間低兩側(cè)高。隧道沿溝穿過山脊。隧址區(qū)海拔為553.40 m～578.92 m，地表植被發(fā)育，整體地形起伏較大。

根據(jù)工程地質(zhì)測繪及鉆孔揭露，隧址區(qū)出露巖性為上覆第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Qel+dl4)，主要為碎石;下伏全－強風(fēng)化上太古界石家欄組(Ar3sh)，巖性為黑云片麻巖。

1.2 支護參數(shù)與襯砌尺寸

后偏梁隧道左幅汾陽端由于受地質(zhì)條件限制，處于淺埋偏壓段，其設(shè)計支護參數(shù)為:Φ50超前小導(dǎo)管支護，L=4.5 m，環(huán)向間距35 cm;Φ25中空注漿錨桿，L=3.5 m，縱環(huán)向間距100 cm ×80 cm;C25噴射混凝土，設(shè)計厚度為28 cm;Φ8單層鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格設(shè)計間距20 cm×20 cm;22b工字鋼，設(shè)計間距60 cm;C25鋼筋混凝土，二次襯砌60 cm～100 cm(注:右側(cè)拱肩至右側(cè)拱腳位置二襯厚度由60 cm逐漸增加至100 cm，其他位置都是60 cm)。后偏梁隧道襯砌具體設(shè)計尺寸見圖1。

2 圍巖壓力測量

2.1 監(jiān)測斷面地質(zhì)條件

為了獲取實際的圍巖壓力，選擇后偏梁隧道左幅淺埋偏壓段的ZK63+352.6處為監(jiān)測斷面。該監(jiān)測斷面圍巖發(fā)育兩組節(jié)理，一組產(chǎn)狀為99°∠27°，巖層走向與洞軸線(247°)夾角為 58°，另一組節(jié)理走向與第一組節(jié)理接近垂直，巖體整體較破碎。圖2為監(jiān)測斷面處地形偏壓示意圖，圖3為監(jiān)測斷面處掌子面工程地質(zhì)素描圖，圖4為監(jiān)測斷面處掌子面圍巖實拍照片。

2.2 壓力盒布置

為了獲得監(jiān)測斷面處整個拱架外緣的圍巖壓力，在本監(jiān)測斷面共布置37個壓力盒，相鄰壓力盒間距均為0.8 m。全部布置于初期支護內(nèi)的工字鋼外側(cè)，所用壓力盒為XYJ－4型鋼弦式雙模壓力盒。其中上導(dǎo)坑31個，在上導(dǎo)坑開挖后立即安裝;下導(dǎo)坑6個，在下導(dǎo)坑開挖后立即安裝。壓力盒整體布置及編號見圖5。

為保證拱架外緣的全部壓力均傳遞至壓力盒上，在每相鄰兩個壓力盒之間均搭接了橋式傳力鋼板，如圖6所示。

2.3 實測圍巖壓力

壓力盒安裝后，對各個壓力盒的頻率進行了持續(xù)跟蹤監(jiān)測，直至各壓力盒的頻率基本穩(wěn)定，即壓力盒受力基本穩(wěn)定。圖7為整個監(jiān)測斷面上所有壓力盒的受力總和隨時間的變化曲線。圖8為整個監(jiān)測期間總壓力達到最大值時各個壓力盒的壓力值分布圖，具有典型的偏壓特征，與圖2相對照，可見這種偏壓特征與地形之間具有較為一致的對應(yīng)性。

3 結(jié)構(gòu)受力數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型的建立

本文二次襯砌結(jié)構(gòu)受力分析的數(shù)值計算軟件采用ANSYS。數(shù)值模型的建立依據(jù)圖1給出的淺埋偏壓段的襯砌尺寸與支護參數(shù)。

3.1.1 單元劃分

選擇BEAM3梁單元對二襯進行單元剖分?？紤]到二襯厚度為0.6m，且采用平面應(yīng)變進行分析，BEAM3梁單元的橫截面如圖9所示，其橫截面積A=0.6 m2，對應(yīng)中性軸的慣性矩I=bh312 =0.018 m4(注:右側(cè)拱肩至右側(cè)拱腳處慣性矩按照二襯厚度的變化重新計算取值)。

圖10 為數(shù)值模型的單元劃分情況，其中二襯共劃分為56個BEAM3梁單元，單元編號為1號～56號。圍巖對支護結(jié)構(gòu)的彈性抗力采用COMBIN14單元進行模擬，在具體求解計算時需第一次計算后將受拉的COMBIN14單元刪除并重新進行計算，直至剩余的COMBIN14單元中不產(chǎn)生拉力為止[13]。

3.1.2 節(jié)點分布

圖11為數(shù)值模型的節(jié)點分布情況，二襯共布置56個節(jié)點，從左側(cè)拱腳開始沿順時針方向編號依次為1號～56號。

3.1.3 邊界條件

本結(jié)構(gòu)受力分析的應(yīng)力邊界條件以本文實測獲得的圍巖壓力為準(zhǔn)，即以圖8所示的圍巖實測壓力為依據(jù)，在計算模型上添加與該圖相一致的不對稱非均勻壓力。位移邊界條件為將所有COMBIN14單元在圍巖一側(cè)的全部節(jié)點約束X方向與Y方向位移。邊界條件的總體情況如圖12所示。

3.1.4 材料參數(shù)取值

由圖1可知，監(jiān)測斷面處淺埋偏壓段的二次襯砌為C25鋼筋混凝土，由文獻[14－15]確定其密度、彈性模量和泊松比以及地層彈性系數(shù)如表1所示。

3.2 計算結(jié)果及分析

3.2.1 襯砌變形

圖13為二襯的變形情況，其中黑色虛線為受力前的初始輪廓線，藍色實線為受力變形后的輪廓線?？梢钥闯龆r在受圍巖壓力最大的左側(cè)拱肩處變形相應(yīng)最大，向隧道中心方向壓入;右側(cè)邊墻向圍巖方向輕微擠出，仰拱總體向下變形且中部變形小兩端變形大。

3.2.2 軸 力

圖14為二襯的軸力等色圖。軸力在受壓力較大的左側(cè)拱肩處最小，在兩側(cè)拱腳處最大，其他部位軸力大小介于前兩者之間，二襯整個拱圈范圍內(nèi)各個部位的軸力相差不大。

3.2.3 彎 矩

圖15為二襯的彎矩圖。由圖15可見左側(cè)拱腳到拱腰位置二襯外側(cè)受拉內(nèi)側(cè)受壓，在受壓力最大的左側(cè)拱肩處二襯外側(cè)受壓內(nèi)側(cè)受拉，拱頂中部到右側(cè)拱腳處二襯外側(cè)受拉內(nèi)側(cè)受壓，仰拱外側(cè)受壓內(nèi)側(cè)受拉。在二襯整個拱圈范圍內(nèi)各個部位的彎矩差別較大。

3.2.4 二襯受力狀況

圖16為二襯整個拱圈范圍內(nèi)各個節(jié)點處的應(yīng)力分布情況，其中包括軸力引起的應(yīng)力、彎矩引起的二襯外側(cè)應(yīng)力和內(nèi)側(cè)應(yīng)力、二襯外側(cè)總應(yīng)力和內(nèi)側(cè)總應(yīng)力(注:①圖中的節(jié)點編號對應(yīng)于圖11中的節(jié)點編號;②圖中應(yīng)力以受壓為正受拉為負(fù))。

由圖15可見:彎矩引起的二襯外側(cè)應(yīng)力在左側(cè)拱腳(1號節(jié)點)至左側(cè)拱肩(16號節(jié)點)之間逐漸增大;在左側(cè)拱肩(16號節(jié)點)至右側(cè)拱肩(27號節(jié)點)之間二襯外側(cè)應(yīng)力逐漸變小;在右側(cè)拱肩(27號節(jié)點)至右側(cè)拱腰(34號節(jié)點)之間逐漸增大;在右側(cè)拱腰(34號節(jié)點)至右側(cè)拱腳(42號節(jié)點)之間逐漸減小;在仰拱右側(cè)(42號節(jié)點)至仰拱左側(cè)(56號節(jié)點)之間逐漸減小。

彎矩引起的二襯外側(cè)應(yīng)力在左側(cè)拱腳(1號節(jié)點)至左側(cè)拱腰(10號節(jié)點)位置為負(fù)值(拉應(yīng)力)，左側(cè)拱腰(10號節(jié)點)到左側(cè)拱肩(16號節(jié)點)位置為正值(壓應(yīng)力)，從左側(cè)拱肩(16號節(jié)點)到拱頂中部(21號節(jié)點)位置為正值(壓應(yīng)力)，從拱頂中部(21號節(jié)點)到右側(cè)拱肩(27號節(jié)點)位置為負(fù)值(拉應(yīng)力);從右側(cè)拱肩(27號節(jié)點)到右側(cè)拱腳(43號節(jié)點)位置為負(fù)值(拉應(yīng)力);仰拱右側(cè)(43號節(jié)點)到左側(cè)中部(53號節(jié)點)位置為正(壓應(yīng)力);仰拱左側(cè)(53號節(jié)點)中部到左側(cè)拱腳(56號節(jié)點)位置為負(fù)值(拉應(yīng)力);彎矩引起的二襯外側(cè)應(yīng)力最小值在左側(cè)拱腳(1號節(jié)點)處，為負(fù)值(拉應(yīng)力)，最大值在左側(cè)拱肩(16號節(jié)點)，為正值(壓應(yīng)力)。

軸力引起的應(yīng)力在各個節(jié)點處相差不大。彎矩引起的應(yīng)力變化比較大。彎矩引起的二襯內(nèi)側(cè)應(yīng)力值與彎矩引起的二襯外側(cè)應(yīng)力值大小相等方向相反。二襯總應(yīng)力受軸力引起的應(yīng)力影響較小，受彎矩引起的應(yīng)力影響較大。在整個拱圈范圍內(nèi)最危險的部位位于受圍巖壓力最大的左側(cè)拱肩處。

3.3 不同厚度情況下二襯應(yīng)力分析

考慮到不同的二襯厚度可能會對結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生影響，本文在前述二襯厚度為60 cm～100 cm計算之后，另外將其依次減少2 cm，分別按照58 cm～98 cm、56 cm ～96 cm、54 cm～94 cm、52 cm ～92 cm、50 cm～90 cm(注:此處二襯厚度的說明參見2.2節(jié))五種情況進行相應(yīng)的數(shù)值模擬。

計算之后，將二襯外側(cè)總應(yīng)力與二襯內(nèi)側(cè)總應(yīng)力在各種厚度下的情況匯總于圖17和圖18之中(注:①圖中節(jié)點編號對應(yīng)于圖11中的節(jié)點編號;②圖中應(yīng)力以受壓為正受拉為負(fù))。

由圖17和圖18可見，二襯外側(cè)總應(yīng)力在左側(cè)拱腳(1號節(jié)點)與左側(cè)拱腰(10號節(jié)點)位置之間隨著二襯厚度的減小而逐漸減小;在左側(cè)拱腰(10號節(jié)點)與拱頂中部(20號節(jié)點)位置之間隨著二襯厚度的減小逐漸增大;在拱頂中部(20號節(jié)點)與右側(cè)拱肩(29號節(jié)點)位置之間隨著二襯厚度的減小逐漸減小;右側(cè)拱肩(29號節(jié)點)到右側(cè)拱腳(41號節(jié)點)位置之間隨著二襯厚度的減小逐漸變小。在各個部位隨著二襯厚度的變化其外側(cè)總應(yīng)力都有變化，但是這種變化的幅度不是很大。

二襯內(nèi)側(cè)總應(yīng)力變化規(guī)律與二襯外側(cè)總應(yīng)力變化規(guī)律相反。

4 結(jié)論

本文以邢汾高速公路后偏梁隧道為例，通過實測圍巖壓力，對大跨度淺埋偏壓隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性進行了分析，獲得以下一些主要結(jié)論:

(1)首次采用加大壓力盒密度以及搭接傳力鋼板等手段，獲得了大跨淺埋偏壓隧道整個拱圈之上的圍巖壓力分布情況。實測圍巖壓力與地形之間具有較為一致的對應(yīng)性，埋深大處壓力大，埋深小處壓力小，圍巖壓力受地形的影響顯著。

(2)在整個拱圈范圍內(nèi)，軸力引起的應(yīng)力在二襯各個部位相差不大。彎矩引起的應(yīng)力在二襯各個部位變化比較大。彎矩引起的二襯內(nèi)側(cè)應(yīng)力值與彎矩引起的二襯外側(cè)應(yīng)力值大小相等方向相反。二襯總應(yīng)力主要由彎矩引起的應(yīng)力控制。最危險的部位位于受圍巖壓力最大的左側(cè)拱肩處。

(3)隨著厚度的變化，二襯外側(cè)總應(yīng)力在左側(cè)拱腳與左側(cè)拱腰之間逐漸減小;在左側(cè)拱腰與拱頂中部之間逐漸增大;在拱頂中部與右側(cè)拱肩之間逐漸減小;在右側(cè)拱肩到右側(cè)拱腳之間逐漸減小。二襯內(nèi)側(cè)總應(yīng)力與外側(cè)總應(yīng)力變化規(guī)律相反。盡管總應(yīng)力與二襯厚度之間具有上述變化規(guī)律，但變化幅度比較有限。

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