機械化施工大斷面高鐵隧道圍巖壓力測試及分布特征研究

于 麗， 王志龍， 楊 涅

(1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通基礎設施建設方興未艾。隧道工程數(shù)量在不斷增加，隧道長度占線路總長的比例也在不斷攀升，長大隧道工程不斷涌現(xiàn)，進一步加大了隧道的設計難度，其中最主要的是圍巖壓力的設計，這也是隧道界研究的熱門課題。國內外學者提出很多圍巖壓力的計算方法，如關寶樹[1]、Bhawani等[2]、Jiang等[3]提出隧道圍巖壓力的理論計算公式、經(jīng)驗公式和太沙基理論，但由于隧道工程的特點以及復雜的地質條件，這些理論公式并沒有得到很好的推廣?，F(xiàn)行的《鐵路隧道設計規(guī)范》[4]和《公路隧道設計規(guī)范》[5]，由于缺乏系統(tǒng)理論的指導，按照經(jīng)驗公式進行隧道工程支護設計過于保守，造成經(jīng)濟成本的增加，并且在某些特殊條件下，如高地應力、擠壓性圍巖條件下，因圍巖壓力考慮不充分，支護結構設計參數(shù)偏小，造成安全事故。對此，國內較多學者針對不同地質條件隧道進行了現(xiàn)場圍巖壓力測試，如偏壓滑坡隧道[6]、軟弱圍巖隧道[7]和黃土隧道[8]等，并與設計圍巖壓力進行對比分析。王英學等[6]通過對現(xiàn)場圍巖壓力的測試，證明了通過埋設元件了解圍巖的地質狀況，并進行隧道支護措施設計的合理性；李鵬飛等[9]和伍冬[10]將國內典型隧道現(xiàn)場圍巖壓力測試數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性的分析，得到目前理論上圍巖壓力的計算方法存在較大的安全儲備，進一步證明了現(xiàn)場圍巖壓力的測試對隧道支護結構設計的重要性。

目前，圍巖壓力現(xiàn)場測試及分析多針對分部開挖法[11-24]，而關于大斷面隧道全斷面開挖法的圍巖壓力研究較少。全斷面開挖方法的優(yōu)點有： 1)工序少，相互干擾相對減少，便于施工組織管理； 2)全斷面開挖有較大的作業(yè)空間，有利于采用大型配套機械化作業(yè)，提高施工速度； 3)全斷面一次成型，對圍巖的擾動次數(shù)減少，利于隧道的圍巖穩(wěn)定。分析大斷面開挖方法下隧道圍巖壓力的分布規(guī)律，對大斷面開挖法的推廣具有重要的意義，并且可為分析隧道圍巖壓力作用機制和完善支護結構設計方法提供參考。因此，有必要開展對大斷面隧道全斷面開挖法下圍巖壓力分布規(guī)律和分布特征的研究。

本文依托鄭萬高速鐵路湖北段大斷面機械化隧道群，針對其隧道開挖斷面面積大(約為150 m2)、軟弱圍巖占比高(Ⅳ級和Ⅴ級圍巖總占比約為67%)、采用大斷面法施工(全斷面法和微臺階法)的特點，進行現(xiàn)場圍巖壓力監(jiān)測，并與TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》要求的荷載進行對比，研究圍巖壓力的變化規(guī)律和分布特征。

1 工程概況

鄭萬高鐵湖北段隧道開挖斷面面積約為150 m2，屬雙線大斷面隧道，全線隧道采用大斷面施工方法。全長約287 km，新建車站6座，隧道32.5座(香樹灣隧道跨重慶和湖北2省，計為0.5座)，設計速度為350 km/h，隧道總延長約167.7 km，全線10 km以上隧道7座，隧線比約為58.4%。

鄭萬高鐵湖北段隧道圍巖主要為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，其中Ⅳ級和Ⅴ級軟弱破碎圍巖總占比約為67%，如圖1所示。

圖1 圍巖級別比例

鄭萬高鐵湖北段隧道采用大型機械化施工工法，主要配套機械為三臂鑿巖臺車、自行式多功能作業(yè)臺車、防水板作業(yè)臺架、鋼筋綁扎作業(yè)臺車、襯砌模板臺車、移動式混凝土養(yǎng)生臺架，部分機械如圖2和圖3所示。

圖2 鋼筋綁扎作業(yè)臺車

圖3 襯砌模板臺車

鄭萬高鐵湖北段隧道工程主要采用2種大斷面工法施工，即全斷面法和微臺階法。全斷面法即含仰拱一次全環(huán)開挖，完成后初期支護立即閉合成環(huán)，見圖4。微臺階法分上下臺階2次開挖、2次支護，其中根據(jù)下臺階高度不同，可分為2種情況，即下臺階高度為仰拱高度稱為微臺階Ⅰ法，見圖5(a); 下臺階高度3～4 m稱為微臺階Ⅱ法，見圖5(b)。

圖4 全斷面法施工示意圖

2 圍巖壓力現(xiàn)場測試

2.1 測試斷面概況

從鄭萬高鐵在建隧道中選取保康隧道、向家灣隧道、榮家灣隧道、高家坪隧道和新華隧道共計5座隧道進行隧道洞身段圍巖接觸壓力的監(jiān)測，并選取其中20個具有代表性的監(jiān)測斷面圍巖壓力進行統(tǒng)計分析，各監(jiān)測斷面信息如表1所示。

(a) 微臺階Ⅰ法

(b) 微臺階Ⅱ法

表1 各監(jiān)測斷面信息

2.2 測試元件

現(xiàn)場采用土壓力盒對圍巖壓力進行測試，采用YT-200A型振弦式高精度雙膜壓力盒，測試范圍為0～2 MPa，計算公式為

p=K×(fi2-f02)/1 000。

(1)

式中：K為標定系數(shù)，kPa/Hz2；p為壓力，kPa；fi為本次讀數(shù)，Hz；f0為初始讀數(shù)，Hz。

土壓力盒及其現(xiàn)場安裝如圖6和圖7所示。

2.3 測點布置

各監(jiān)測斷面布置5個測點，拱頂為1個監(jiān)測點，由拱頂向左右拱墻分別每6 m布置1個測點，具體布置如圖8所示。

圖6 土壓力盒

圖7 土壓力盒現(xiàn)場安裝

圖8 測點布置示意圖(單位： m)

3 圍巖壓力分析

3.1 圍巖壓力分析思路

將選取的監(jiān)測斷面按照圍巖級別、埋深條件分為不同的工況，研究在大斷面機械化施工條件下圍巖壓力的分布規(guī)律和分布特征； 通過對同種工況下圍巖壓力值的包絡，得到圍巖壓力的分布規(guī)律，進而與規(guī)范荷載進行比較，分析其分布特征。主要研究思路如圖9所示。

圖9 圍巖壓力研究思路流程圖

3.2 圍巖壓力測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

將現(xiàn)場實測圍巖壓力數(shù)據(jù)按照不同圍巖級別、埋深和開挖方法進行統(tǒng)計和分析，分別為Ⅳ深埋微臺階Ⅰ法、Ⅳ深埋全斷面法、Ⅴ深埋微臺階Ⅰ法和Ⅴ深埋微臺階Ⅱ法，共計4種工況，選取典型斷面圍巖壓力時程曲線進行圍巖壓力變化規(guī)律分析，如圖10所示。

圖10 圍巖接觸壓力時程曲線

Fig. 10 Time-history curves of contact pressures of surrounding rock

將各監(jiān)測斷面信息、圍巖壓力最大值及穩(wěn)定時間匯總，如表2所示。

根據(jù)圖10和表2可知：

1)圍巖壓力變化大致分為快速增長、緩慢增長和穩(wěn)定3個階段。當圍巖接觸壓力增長率不超過1%時，即可認為圍巖壓力值達到穩(wěn)定。根據(jù)表2對各監(jiān)測斷面圍巖壓力穩(wěn)定時間的統(tǒng)計，得到最終圍巖壓力從21～27 d開始穩(wěn)定，Ⅳ級圍巖壓力穩(wěn)定時間較Ⅴ級圍巖接觸壓力穩(wěn)定時間早。

2)圍巖壓力沿隧道開挖輪廓分布較為離散，同一斷面對稱各測點圍巖接觸壓力有較大差距；不同斷面圍巖接觸壓力最大值出現(xiàn)在不同位置。

3)同一圍巖級別條件下，隧道采用不同的施工工法對圍巖壓力最大值及穩(wěn)定時間沒有較明顯的影響。

3.3 圍巖壓力分布形式分析

3.3.1 分析方法

為了解大斷面機械化施工隧道圍巖壓力分布特征，將Ⅳ級和Ⅴ級深埋條件下圍巖壓力值進行包絡，并與現(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》中深埋隧道荷載計算圍巖壓力值進行對比分析，進而得到現(xiàn)場實測圍巖壓力分布特征。

1)規(guī)范荷載值采用現(xiàn)行《鐵路隧道設計規(guī)范》中深埋隧道荷載計算方法進行計算。

2)將現(xiàn)場實測斷面圍巖壓力值按照不同的圍巖級別進行整理和分析，并做出各圍巖級別條件下實測圍巖壓力包絡圖。其中，在Ⅳ級圍巖條件下有部分監(jiān)測斷面巖性為志留系下統(tǒng)羅惹坪組頁巖夾砂巖，巖層產狀主要為N45°～75°E /25°～50°S，與線路夾角18°～40°，傾向線路左側，隧道洞身右側順層偏壓。本文將此條件下的監(jiān)測斷面圍巖壓力值進行單獨整理并分析其分布形式。各條件下圍巖壓力包絡圖如圖11所示。

表2 各工況下監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總

(a) Ⅳ級深埋

(b) Ⅳ級深埋(偏壓)

(c) Ⅴ級深埋

Fig. 11 Envelope diagrams of maximum measured pressures of surrounding rock (unit: kPa)

3)根據(jù)面積等效的方法，將Ⅳ級和Ⅴ級實測圍巖壓力包絡值按照《鐵路隧道設計規(guī)范》荷載分布形式轉化為等效荷載。

圍巖壓力均布等效計算方法：

①根據(jù)各監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)，將所測的徑向圍巖壓力分解為水平力和豎向力，將各測點水平及豎向圍巖壓力值按照線性等差分布形式連起來，如圖12所示。

圖12 分解徑向圍巖接觸壓力值

Fig. 12 Decomposition of radial contact pressures of surrounding

rock

根據(jù)式(2)—(8)計算豎向和水平向圍巖壓力。

(2)

(3)

(4)

Fvn=Fsin[(θ/180)π]；

(5)

Fun=Fcos[(θ/180)π]；

(6)

(7)

(8)

式(2)—(8)中：Fv為豎向壓力，kPa；Fu為左側水平壓力，kPa；Fu′為右側水平壓力，kPa；θ為圍巖壓力徑向與水平向夾角，(°)；F為圍巖徑向力，kPa；n為測點編號；l為隧道洞室最大跨度，m。

②根據(jù)式(9)—(12)，將水平力和豎向力按照面積等效原則轉化為均布分布模式。

(9)

(10)

(11)

(12)

式(9)—(12)中：q為等效豎向均布圍巖壓力，kPa/m2；H為隧道洞室高度，m；e、e′分別為等效左右水平向圍巖壓力，kPa/m2；eave為等效水平向圍巖壓力均值，kPa/m2。

對于一般地段，水平圍巖均布壓力可采用式(12)進行計算；對于存在明顯偏壓地段，分別采用式(10)和式(11)進行計算。最終得到如圖13所示的圍巖等效均布分布模式。

圖13 圍巖接觸壓力均布模式

Fig. 13 Uniform distribution mode of surrounding rock contact pressure

3.3.2 結果分析

根據(jù)以上圍巖壓力轉化方法，將現(xiàn)場實測圍巖壓力數(shù)據(jù)以及隧道輪廓參數(shù)(如表3和圖14所示)，帶入相關方程進行計算，最終將實測圍巖壓力轉化為均布分布模式，轉化結果如圖15所示。

表3 計算參數(shù)

圖14 測點編號

(a) Ⅳ級深埋

(b) Ⅳ級深埋(偏壓)

(c) Ⅴ級深埋

將圖15中實測圍巖壓力等效荷載與規(guī)范荷載同圍巖級別條件下計算得到的等效荷載進行對比分析，結果如表4和表5所示。

表4 Ⅳ級和Ⅴ級圍巖實測荷載與規(guī)范荷載對比

表5 Ⅳ級圍巖(偏壓)實測荷載與規(guī)范荷載對比

由表4和表5可知：

1)Ⅳ級圍巖深埋條件下，實測荷載小于規(guī)范荷載，實測豎向荷載約為規(guī)范豎向荷載的0.26倍，實測水平荷載約為規(guī)范水平荷載的0.32～0.63倍；實測荷載側壓力系數(shù)均大于規(guī)范荷載側壓力系數(shù),約為規(guī)范荷載側壓力系數(shù)的1.2～2.4倍。造成實測側壓力系數(shù)比規(guī)范側壓力系數(shù)大的原因可能與各隧道采用的大斷面開挖方法有關，施工過程中采用的三臂鑿巖臺車等大型機械對實測圍巖側壓力系數(shù)也有一定影響。

2)Ⅴ級圍巖深埋條件下，實測荷載小于規(guī)范荷載，實測豎向荷載約為規(guī)范豎向荷載的0.33倍，實測水平荷載約為規(guī)范水平荷載的0.28～0.47倍；實測荷載側壓力系數(shù)在規(guī)范規(guī)定的側壓力系數(shù)范圍內,約為規(guī)范規(guī)定側壓力系數(shù)的0.86～1.43倍。

3)Ⅳ級圍巖深埋(偏壓)條件下，左側側壓力系數(shù)較大，超出規(guī)范規(guī)定的范圍，右側側壓力系數(shù)在規(guī)范規(guī)定的范圍內。

4 結論與討論

本文通過對鄭萬高鐵大型機械化隧道圍巖壓力的監(jiān)控量測，考慮隧道開挖斷面面積大、軟弱圍巖占比高、采用大型機械化施工等特點，對隧道圍巖壓力的分布規(guī)律進行研究，并得到以下結論。

1)當圍巖接觸壓力增長率不超過1%時，即可認為圍巖接觸壓力值達到穩(wěn)定。根據(jù)對大量監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得到大斷面機械化施工隧道圍巖接觸壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)從21～27 d開始穩(wěn)定；圍巖壓力分布較離散，最大值可能出現(xiàn)在隧道輪廓的任何一個位置。

2)Ⅳ級深埋條件下，實測荷載側壓力系數(shù)約為規(guī)范荷載側壓力系數(shù)的1.2～2.4倍；Ⅴ級深埋條件下，實測荷載側壓力系數(shù)約為規(guī)范規(guī)定側壓力系數(shù)的0.86～1.43倍；

3)采用規(guī)范圍巖壓力分布模式得到的實測均布荷載與規(guī)范荷載相比較小，支護結構安全儲備較大，但由于圍巖條件的復雜性，參數(shù)優(yōu)化時應綜合考慮各支護結構的安全性。

4)本文只分析了回填注漿前圍巖壓力的分布規(guī)律及分布特征，并沒有對回填注漿后圍巖壓力的分布規(guī)律及特征進行研究，今后將繼續(xù)對現(xiàn)場監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)進行研究，以進一步分析回填注漿后圍巖壓力的分布規(guī)律及特征。