砂巖夾泥巖地層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征研究

黃琳

(石家莊鐵道大學(xué)研究生學(xué)院，河北石家莊050043)

砂巖夾泥巖地層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征研究

黃琳

(石家莊鐵道大學(xué)研究生學(xué)院，河北石家莊050043)

巖體節(jié)理信息與支護(hù)體系受力特征是砂巖夾泥巖地層大變形隧道修建過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。以吉林至琿春客運(yùn)專線鐵路慶嶺隧道為依托，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量巖體信息、支護(hù)受力情況，研究掌子面砂巖夾泥巖節(jié)理特征，繪制赤平投影圖，確定巖體優(yōu)勢(shì)節(jié)理面(組數(shù)、傾向、傾角)，分析支護(hù)體系受力特征。分析結(jié)果表明:慶嶺隧道變形基本對(duì)稱，下臺(tái)階開(kāi)挖初期拱頂沉降、邊墻收斂較為明顯，可作為變形監(jiān)控關(guān)鍵控制步;圍巖壓力以豎向?yàn)橹?，水平?cè)壓力系數(shù)為0.25;鋼拱架以承受壓應(yīng)力為主，拱頂?shù)膹澗?、軸力最大;采用容許應(yīng)力法檢算，原設(shè)計(jì)I20a鋼拱架無(wú)法滿足抗彎要求，建議更換為I25a型鋼拱架或者采用I20a雙層鋼拱架，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

隧道 砂巖夾泥巖 赤平投影 支護(hù)體系 受力特征

近年來(lái)，隨著我國(guó)客運(yùn)專線快速發(fā)展，鐵路隧道不可避免地穿越節(jié)理發(fā)育地層。節(jié)理產(chǎn)狀和支護(hù)體系直接決定隧道的穩(wěn)定性［1-2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)節(jié)理巖體特征與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究，并且取得一定成果［3］。

鄭穎人等［4］采用模型試驗(yàn)與數(shù)值分析手段，研究了巖體節(jié)理產(chǎn)狀對(duì)隧道穩(wěn)定性及破壞模式的影響。鄒飛等［5］采用破壞性模型試驗(yàn)，研究巖體節(jié)理間距、傾角的力學(xué)效應(yīng)，以及節(jié)理巖體裂紋擴(kuò)展規(guī)律。王華牢等［6］采用非連續(xù)分析方法(DDA)，研究了隧道開(kāi)挖引起節(jié)理擴(kuò)展過(guò)程，分析了節(jié)理巖體的力學(xué)行為。高乾豐等［7］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和有限元數(shù)值模擬，探索了圍巖塑性圈和松動(dòng)圈厚度的影響因素，分析了初期支護(hù)的受力特征。夏孝維等［8］以麻崖子隧道為依托，利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及時(shí)掌握掌子面圍巖和地層情況，并提出初期支護(hù)控制措施。

目前大部分學(xué)者將巖體節(jié)理面信息與隧道支護(hù)體系分開(kāi)研究，沒(méi)有很好地結(jié)合在一起［9-10］，采用優(yōu)勢(shì)節(jié)理面方法分析砂巖夾泥巖地層隧道穩(wěn)定性的文獻(xiàn)較少。因此，本文以新建客運(yùn)專線吉林至琿春鐵路慶嶺隧道為依托，進(jìn)行隧道掌子面巖體精細(xì)化描述，確定優(yōu)勢(shì)節(jié)理面和關(guān)鍵塊體，并且分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性、受力特征，以期今后對(duì)類似地層鐵路隧道的設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工提供參考。

1 工程概況

客運(yùn)專線吉林至琿春鐵路慶嶺隧道位于慶嶺鎮(zhèn)西北約1 km處，起訖里程為DK33+850—DK35+704，全長(zhǎng)1 854 m，最大埋深452 m。隧道進(jìn)出口距離公路較近，交通條件較好。隧址區(qū)地勢(shì)平緩，相對(duì)高差約76 m，地面高程為328～404 m，進(jìn)口縱向坡度約10°，出口縱向坡度約14°。

2 隧道圍巖節(jié)理特征與優(yōu)勢(shì)節(jié)理面分析

2.1 隧道圍巖節(jié)理特征

針對(duì)隧道施工過(guò)程中掌子面和側(cè)壁等區(qū)域出露的巖體節(jié)理，按照國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)建議的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其節(jié)理信息進(jìn)行逐一采集、編錄。以左線DIK35+505為例，分析走向、傾向、傾角的分布規(guī)律，然后根據(jù)節(jié)理分布密度，確定巖體優(yōu)勢(shì)節(jié)理面。慶嶺隧道左線DIK35 +505掌子面巖體信息現(xiàn)場(chǎng)采集見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)采集巖體信息

從現(xiàn)場(chǎng)觀察看出，巖性主要為褐黃色、灰黑色中厚層狀強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化砂巖夾炭質(zhì)泥巖，局部風(fēng)化呈黏土狀，遇水易軟化，失水易崩解，屬較軟巖。圍巖裂隙、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面密集發(fā)育，巖體破碎，主要呈碎裂松散結(jié)構(gòu)。從整體上看圍巖完整性及自穩(wěn)性差，初步判定該里程內(nèi)圍巖屬于破碎巖石。慶嶺隧道進(jìn)口左線里程DIK35+505圍巖級(jí)別初步定為Ⅴ級(jí)，選定的隧道斷面處地下水較發(fā)育，圍巖整體較濕潤(rùn)，多為滲透狀出水，局部呈線狀滴水。隧道掌子面素描見(jiàn)圖2，巖體延續(xù)性中等。

圖2 掌子面巖體素描

2.2 優(yōu)勢(shì)節(jié)理面

天然巖體節(jié)理分布具有一定的規(guī)律性，而且有些節(jié)理具有控制巖體整體穩(wěn)定性的作用。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的節(jié)理信息進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)，節(jié)理產(chǎn)狀分布見(jiàn)圖3。統(tǒng)計(jì)該圓內(nèi)不同位置極點(diǎn)數(shù)目占極點(diǎn)總數(shù)的比例，得到節(jié)理密度分布見(jiàn)圖4。

圖3 巖體節(jié)理產(chǎn)狀分布

從圖4可以看出:節(jié)理主要集中在3個(gè)區(qū)域，將其定義為隧道節(jié)理巖體的優(yōu)勢(shì)節(jié)理面。慶嶺隧道掌子面巖體3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理面見(jiàn)表1。

根據(jù)表1中的產(chǎn)狀，繪制赤平投影圖(圖5)，得到隧道軸線與優(yōu)勢(shì)節(jié)理面的關(guān)系。

從圖5可以看出，隧道軸線穿過(guò)J1，J2，J3公共區(qū)域，掌子面及前方巖體穩(wěn)定性較差，如開(kāi)挖后不能及時(shí)支護(hù)，可能發(fā)生關(guān)鍵塊體的脫落及局部失穩(wěn)災(zāi)害。

圖4 巖體節(jié)理密度

表1 慶嶺隧道掌子面巖體優(yōu)勢(shì)節(jié)理面

圖5 赤平投影圖

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與受力特征

隧道采用馬蹄形標(biāo)準(zhǔn)斷面，凈空面積152.4 m2，跨度14.86 m，高度12.54 m。初期支護(hù)為C25噴射混凝土，厚28 cm;錨桿長(zhǎng)4 m，拱部采用中空注漿錨桿、邊墻為砂漿錨桿，梅花形布置;φ8鋼筋網(wǎng)20 cm× 20 cm;I20a型鋼拱架，間距80 cm。二次襯砌為50 cm厚C35鋼筋混凝土。

圍巖變形采用全站儀非接觸量測(cè);圍巖壓力埋設(shè)雙模壓力盒量測(cè)，共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在拱頂、左右拱腳和左右邊墻;將鋼筋計(jì)焊接在初期支護(hù)鋼拱架的內(nèi)外邊緣，測(cè)量鋼拱架應(yīng)變，換算成內(nèi)力(彎矩、軸力)，進(jìn)而計(jì)算其安全系數(shù)。

3.1 隧道圍巖變形時(shí)間效應(yīng)

隧道周邊位移是隧道圍巖穩(wěn)定性的最直接反映。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。

圖6 隧道變形測(cè)點(diǎn)布置

經(jīng)過(guò)一個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，洞周變形時(shí)程曲線見(jiàn)圖7。

圖7 砂巖夾泥巖段洞周位移曲線

從圖7可以看出，隧道變形以拱頂下沉為主，左右變形基本對(duì)稱，拱頂沉降最大達(dá)到64.5 mm;邊墻水平收斂峰值為45.8 mm。受施工影響，下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，拱頂沉降、邊墻收斂較為明顯，為急劇變形期，可作為變形監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)階段。隨后變形速率明顯降低，在開(kāi)挖25 d后，變形基本穩(wěn)定。

3.2 圍巖壓力分布特征

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，隧道初期支護(hù)圍巖壓力分布見(jiàn)圖8。

從圖8可以看出，圍巖壓力以豎向?yàn)橹?，拱頂、右拱腳壓力值相對(duì)較大，峰值為159 kPa。邊墻較低，左邊墻水平壓力為63 kPa，右邊墻為90 kPa。水平側(cè)壓力系數(shù)為0.25?？傮w來(lái)看，斷面圍巖壓力數(shù)值偏大，給鋼拱架結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全隱患。

圖8 圍巖壓力分布(單位:kPa)

3.3 鋼拱架力學(xué)響應(yīng)與安全性評(píng)價(jià)

在隧道斷面對(duì)稱埋設(shè)CL-XZ-B型鋼筋計(jì)，鋼拱架內(nèi)力分布見(jiàn)圖9。

圖9 鋼拱架內(nèi)力分布

從圖9可見(jiàn)，斷面拱頂及右側(cè)鋼拱架以承受壓應(yīng)力為主，拱頂壓應(yīng)力最大，對(duì)應(yīng)軸力為96.92 kN;拱頂彎矩最大，內(nèi)側(cè)受拉，峰值為61.3 kN·m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，選取I20a型鋼拱架，間距為80 cm，取支護(hù)結(jié)構(gòu)的縱向單位長(zhǎng)度(1 m)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)材料力學(xué)中梁的彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式

式中:M為作用在梁上的彎矩;y為到形心的距離;I為軸慣性矩。

采用《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C查得I20a型鋼抗彎截面系數(shù)為Wx=237 cm3，Wy=31.5 cm3，鋼筋容許應(yīng)力［σ］=160 MPa，參考材料力學(xué)抗彎截面系數(shù)Wx=Ix/ymax，可知I20a鋼拱架最大容許彎矩為

由圖9可知，拱頂鋼拱架實(shí)際彎矩為61.3 kN·m (遠(yuǎn)大于容許彎矩37.92 kN·m)，故I20a鋼拱架無(wú)法滿足抗彎要求。為使鋼拱架滿足抗彎要求，根據(jù)上式，應(yīng)滿足W'x×［σ］＞61.3 kN·m，則鋼拱架抗彎截面系數(shù)應(yīng)為W'x＞383 cm3，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C可選取I25a型鋼拱架(Wx＞402 cm3)或者采用I20a雙層鋼拱架，即可滿足抗彎要求。

對(duì)I25a鋼拱架進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》鋼筋抗壓強(qiáng)度［σ］'=188 MPa，I25a鋼拱架截面積為A'=48.5 cm2，初期支護(hù)拱頂軸力N約為96.92 kN，可得應(yīng)力σ為

可見(jiàn)，I25a滿足抗壓要求。

4 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量吉林至琿春客運(yùn)專線慶嶺隧道掌子面砂巖夾炭質(zhì)泥巖資料，繪制赤平投影，確定優(yōu)勢(shì)節(jié)理面。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究施工過(guò)程中隧道圍巖變形特性、圍巖壓力、鋼拱架力學(xué)響應(yīng)，并對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了分析。得出以下主要結(jié)論。

1)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)獲取掌子面巖體節(jié)理規(guī)模、產(chǎn)狀，為分析優(yōu)勢(shì)節(jié)理面和支護(hù)體系受力特征提供了科學(xué)依據(jù)。

2)在采集現(xiàn)場(chǎng)巖體信息的基礎(chǔ)上，繪制隧道掌子面赤平投影和巖體節(jié)理密度圖，確定3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理面產(chǎn)狀(205°∠22°，312°∠84°和123°∠49°)，為支護(hù)參數(shù)的確定提供了依據(jù)。

3)該隧道左右變形基本對(duì)稱，拱頂沉降明顯，最大達(dá)到64.5 cm。下臺(tái)階開(kāi)挖會(huì)引起拱頂?shù)募眲∠鲁?，可作為變形監(jiān)控的關(guān)鍵控制步。在開(kāi)挖25 d后，變形基本穩(wěn)定。

4)圍巖壓力以豎向?yàn)橹鳎绊?、右拱腳最為明顯，峰值為159 kPa。邊墻較低，左右邊墻水平壓力分別為63 kPa和90 kPa。水平側(cè)壓力系數(shù)為0.25。總體上看，斷面圍巖壓力數(shù)值偏大，應(yīng)加強(qiáng)鋼拱架的結(jié)構(gòu)安全。

5)鋼拱架以承受壓應(yīng)力為主，彎矩、軸力最大值發(fā)生在拱頂，軸力峰值為96.92 kN，彎矩峰值為61.3 kN·m。采用容許應(yīng)力法進(jìn)行鋼拱架檢算，得到原設(shè)計(jì)I20a鋼拱架無(wú)法滿足抗彎要求，建議更換為I25a型鋼拱架或者采用I20a雙層鋼拱架。

［1］段隆臣，閆豐，蒲有林，等．考慮節(jié)理的六盤山隧道圍巖穩(wěn)定性研究［J］．鐵道建筑，2013(8):59-61．

［2］張偉，劉艷青．福川隧道初期支護(hù)變形原因分析及處理［J］．鐵道建筑，2013(3):66-68．

［3］關(guān)寶樹(shù)．隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］．北京:人民交通出版社，2003．

［4］鄭穎人，王永甫，王成，等．節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定分析與破壞規(guī)律探討［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011(4):649-656．

［5］鄒飛，李海波，周青春，等．巖石節(jié)理傾角和間距對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)破巖特性影響的試驗(yàn)研究［J］．巖土力學(xué)，2012(6): 1640-1646．

［6］王華牢，許崇幫，夏才初．?dāng)嗬m(xù)節(jié)理擴(kuò)展算法在隧道圍巖穩(wěn)定分析中的應(yīng)用［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2012(2):349-354．

［7］高乾豐，董輝，胡柏學(xué)，等．隧道開(kāi)挖后圍巖松動(dòng)區(qū)及襯砌荷載分析［J］．施工技術(shù)，2013(19):107-111．

［8］夏孝維，黃志軍，陳陽(yáng)．高地應(yīng)力軟巖隧道施工方法與監(jiān)測(cè)［J］．鐵道建筑，2013(9):48-51．

［9］JAMAL I，MARWAN A H，THIERRY V．Numerical Modelling of Masonry Joints Degradation in Built Tunnels［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2009(6):617-626．

［10］劉加華．采用護(hù)拱法處理隧道塌方施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2012(12):29-31．

(責(zé)任審編葛全紅)

U45

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．21

1003-1995(2015)04-0077-04

2014-10-20;

2015-02-27

黃琳(1979—)，女，江西宜春人，講師，碩士。