富水大斷面軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)

劉瑞斌

(山西交通控股集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030006)

富水區(qū)山嶺隧道修建具有投資大、施工周期長(zhǎng)、施工技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)因素多等特點(diǎn)，是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)建設(shè)工程[1]。隨著我國(guó)綜合國(guó)力提升，一大批現(xiàn)代化國(guó)家級(jí)重點(diǎn)交通基礎(chǔ)設(shè)施開始興建，其中有不少隧道處于富水深埋地層中，帶來(lái)一系列工程問題，圍巖失穩(wěn)和襯砌破壞現(xiàn)象非常突出[2,3]。主體結(jié)構(gòu)受力特征和作用在支護(hù)上水荷載是富水大斷面隧道修建過程中的兩個(gè)關(guān)鍵性問題，亟待突破。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了科學(xué)研究，并取得了相關(guān)研究成果。

李鵬飛等[4]利用理論解析的方法，推導(dǎo)了地應(yīng)力和水壓力耦合作用下的圍巖滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)解析公式，并且進(jìn)行了FLAC數(shù)值模擬驗(yàn)證。楊為民等[5]研制了適用高地應(yīng)力、高水壓條件下隧道模型試驗(yàn)系統(tǒng)，以歇馬隧道為依托，驗(yàn)證適合流固耦合的相似材料，提出隧道突水前兆。何本國(guó)等[6]以雙線鐵路隧道為背景，研究構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)條件下穩(wěn)定性與地應(yīng)力方向的定量關(guān)系，并且提出具體設(shè)計(jì)建議。李廷春等[7]建立了孔隙顆粒介質(zhì)流失的滲流模型，分析了隧道穿越斷層破碎帶突水坍塌機(jī)理，為復(fù)雜條件下隧道災(zāi)變?cè)O(shè)計(jì)提供依據(jù)。張民慶和高揚(yáng)[8]根據(jù)深埋富水滑動(dòng)型軟弱帶突水突泥特點(diǎn)，建立具體的控制流程，即排水降壓、旋噴加固、超前管棚。吳培榮[9]根據(jù)梁山隧道富水陡傾軟弱帶突水事件，在充分調(diào)研、理論分析基礎(chǔ)上，提出長(zhǎng)距離水平旋噴樁方案，并且給出施工工藝、關(guān)鍵控制技術(shù)。劉健[10]采用ABAQUS有限元程序，進(jìn)行流固耦合計(jì)算，分析不同排水措施、不良地質(zhì)加固方法的作用效果，對(duì)隧道富水不良地質(zhì)隧道的設(shè)計(jì)、施工提供理論依據(jù)。也有學(xué)者采用力學(xué)等效的方法，提出高水壓隧道加載方法，并且研發(fā)了相應(yīng)的設(shè)備，進(jìn)行破壞性模型試驗(yàn)，明確了水壓作用下的襯砌受力特性[11]。

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，目前學(xué)者研究主要集中于數(shù)值模擬和解析推導(dǎo)，其達(dá)西滲流和衡水頭邊界條件理想假設(shè)與工程現(xiàn)場(chǎng)情況總是存在一定的差距。因此，本文以太原至石家莊客運(yùn)專線石板山隧道為依托工程，研究Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖條件下初期支護(hù)圍巖壓力、鋼架受力、襯砌背后水壓和襯砌接觸壓力，具有重要理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值。

1 工程概況與試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

石板山長(zhǎng)大隧道位于石太客運(yùn)專線河北井陘縣內(nèi)，是全線的重點(diǎn)控制工程。標(biāo)準(zhǔn)的350 km/h高速鐵路隧道斷面，開挖跨度14.38 m，高度12.24 m，雙線單洞隧道，開挖面積達(dá)159.5 m2。隧道入口在八里溝村附近，經(jīng)冶西、胡雷、胡仁至大落水，隧道出口位于黑水坪村東北，起訖里程為DIK49+585～DIK57+090，全長(zhǎng)7505 m。隧道為越嶺隧道，穿越兩條區(qū)域性大斷裂，且褶曲發(fā)育，局部地段地下水發(fā)育，主要富存于斷層破碎帶、地層接觸帶、向斜構(gòu)造軸部，這些部位節(jié)理、裂隙發(fā)育。隧道Ⅳ級(jí)圍巖占25.37%、Ⅴ級(jí)圍巖占21.63%。根據(jù)隧址區(qū)含水層類型，地下水主要分為變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水、松散層空隙水以及碎屑巖夾碳酸鹽巖空隙裂隙巖溶水，上層主要靠大氣降水或上覆含水層中地下水徑流補(bǔ)給，下層主要為潛水，局部可能存在承壓水，地下水埋深一般1.5～5 m，富水性較強(qiáng)。隧道施工范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)地勘調(diào)查結(jié)果，預(yù)測(cè)石板山隧道正常涌水量為2845 m3/d，最大涌水量為8150 m3/d，施工過程中隧道掌子面突水如圖1所示。隧道沿程分布的4座水庫(kù)，尤其是較大規(guī)模的群英水庫(kù)，隧道幾乎沿水庫(kù)壩趾穿過，水庫(kù)水位僅高于隧道路肩約47 m。在軟弱破碎地層條件和地下水作用下，隧道開挖過程中水壓、圍巖壓力共同作用下支護(hù)體系受力特征、關(guān)鍵控制部位成為工程建設(shè)人員必須面對(duì)的技術(shù)難題，為此開展了不同圍巖級(jí)別的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖1 石板山隧道現(xiàn)場(chǎng)涌水

采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段，研究不同圍巖級(jí)別地層條件下結(jié)構(gòu)受力特征，其中DIK54+680為Ⅳ級(jí)圍巖，DIK55+010為Ⅴ級(jí)圍巖段，試驗(yàn)段位置如圖2所示。試驗(yàn)段隧道埋深在204～236 m之間，主要是碎屑巖夾碳酸鹽巖孔隙裂隙巖溶水，含水層主要為大紅峪組、高于莊組長(zhǎng)石石英砂巖和石英巖狀砂巖夾白云巖，孔隙、節(jié)理、白云巖小溶洞較發(fā)育，其出露于溝谷或山坡的下部，分別上覆和下伏寒武系泥頁(yè)巖、變質(zhì)巖系隔水層。主要靠上游鄰區(qū)地下水徑流側(cè)向補(bǔ)給，排泄方式為以散流的形式呈小股流或滴狀流出，無(wú)泉水和水井。地下水主要為潛水，局部可能存在承壓水，富水性較強(qiáng)。

圖2 隧道縱剖面

1.2 試驗(yàn)方案

沿隧道拱部布置測(cè)點(diǎn)，支護(hù)荷載測(cè)試采用雙模壓力盒埋設(shè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)初期支護(hù)圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、襯砌外水壓力和接觸壓力，測(cè)試元件具體布置方案如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意

圍巖壓力盒在開挖后、支護(hù)前安裝，焊接在鋼拱架上面，然后架設(shè)帶有鋼筋計(jì)的鋼拱架，如圖4a所示。待初支完成后，安裝水壓計(jì)，鋪設(shè)土工布和防水板。然后綁扎二次襯砌鋼筋。接著安裝接觸壓力盒和澆筑襯砌混凝土，如圖4b所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)儀器安裝

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.1 初期支護(hù)圍巖壓力

圍巖壓力是所有設(shè)計(jì)工作的根本，現(xiàn)有的計(jì)算圍巖壓力理論，如普氏理論、泰沙基理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式、鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范公式均沒有考慮富水因素。因此，有必要對(duì)富水軟巖隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。根據(jù)上述試驗(yàn)方案，得到Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖隧道初期支護(hù)圍巖壓力分布如圖5所示。

圖5 初期支護(hù)圍巖壓力分布/kPa

從圖5a看出，Ⅳ級(jí)圍巖(DIK54+680斷面)左拱肩壓力盒因工人粗放型施工而損壞，圍巖右拱肩處的圍巖壓力值最大，達(dá)到500.08 kPa，拱頂處的圍巖壓力值相對(duì)較小，只有58.68 kPa。從圖5b看出，Ⅴ級(jí)圍巖斷面左拱腰處壓力盒因外力而損壞。當(dāng)土壓力盒安裝就位后，圍巖與初期支護(hù)間的接觸壓力值在初期支護(hù)施作完成后很快就達(dá)到其最終值且保持相對(duì)穩(wěn)定。圍巖右邊墻處的接觸壓力值最大，達(dá)到448 kPa，左邊墻處的接觸壓力值最小，只有10.89 kPa。可能是受到不連續(xù)節(jié)理、裂隙和下臺(tái)階交錯(cuò)落底開挖作用，在富水軟巖地層圍巖壓力分布不均勻。

經(jīng)典的普氏理論、泰沙基理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式、交通隧道設(shè)計(jì)規(guī)范公式得到的豎向圍巖壓力均為均勻分布[13]，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 各種經(jīng)典圍巖壓力公式的比較

從圖6看出，各種圍巖壓力理論公式計(jì)算結(jié)果均大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，可能的原因是由于滲流作用的效果，帶走了部分細(xì)小的巖粒，使得圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不是很緊密結(jié)合。經(jīng)典的普氏理論、泰沙基理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式、隧道設(shè)計(jì)規(guī)范公式得到的豎向圍巖壓力均沒有考慮地下水作用效果，與工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地質(zhì)條件相矛盾。因此，針對(duì)富水軟巖大斷面隧道，建議開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試支護(hù)體系受力特征，來(lái)評(píng)估支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2 初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力

Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖隧道鋼拱架應(yīng)力分布如圖7所示。圖中虛線為鋼架外翼緣量測(cè)元件所測(cè)應(yīng)力，實(shí)線為內(nèi)翼緣應(yīng)力。

圖7 初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力分布/MPa

從圖7a可以看出，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的Ⅳ級(jí)圍巖段DIK54+680鋼拱架應(yīng)力拱部大于下部，最大值出現(xiàn)在拱頂?shù)膬?nèi)翼緣處，其值為125 MPa，小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，處于安全階段。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的時(shí)間上看，鋼拱架一旦架設(shè)立刻發(fā)揮支護(hù)效果，是控制圍巖穩(wěn)定性的有效工具，應(yīng)該引起足夠的重視，發(fā)揮其支撐作用。

從圖7b可以看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)Ⅴ級(jí)圍巖段DIK55+010初期支護(hù)鋼拱架受力較大，以拱部為主，邊墻為輔，鋼拱架內(nèi)側(cè)受力大于外側(cè)，以壓力為主，量值上明顯大于Ⅳ級(jí)圍巖，但是均小于Q235鋼架的極限強(qiáng)度，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

2.3 襯砌背后水壓力

水荷載是富水隧道襯砌失穩(wěn)的主要外在因素之一，在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)水壓力計(jì)，測(cè)試襯砌水荷載。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，不同圍巖級(jí)別隧道襯砌背后水壓力分布如圖8所示。

圖8 襯砌背后水壓力分布/kPa

從圖8a看出，Ⅳ級(jí)圍巖隧道右拱肩位處襯砌背后的水壓力值最大，最大值為57.44 kPa。在施工過程中應(yīng)注意排水，及時(shí)施作支護(hù)以避免出現(xiàn)塌方失穩(wěn)或者其他的事故。水壓計(jì)安裝完以后，圍巖背后的水壓力值在初期支護(hù)完成后很快趨于穩(wěn)定，但在二次襯砌的施做完畢后圍巖背后的水壓力會(huì)有所增大，而后重新趨于穩(wěn)定。

從圖8b看出，Ⅴ級(jí)圍巖斷面DIK55+010處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在隧道的左拱腰處襯砌背后的水壓力值最大，最大值為73.76 kPa；在隧道的右拱腰位置處襯砌背后的水壓力值最小，其值為1.88 kPa，并且隧道的左臂水壓分布較大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水壓顯示非均勻特性，有別于經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的均勻水壓力[14]。

參照圍巖壓力分布圖5a，可以發(fā)現(xiàn)在Ⅳ級(jí)圍巖段，右拱肩的位置圍巖壓力值最大，而水壓力最大值同樣出現(xiàn)在右拱肩位置，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置的水壓。針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖，比較圍巖壓力分布圖5b和外水壓力分布圖8b，發(fā)生圍巖壓力和水壓力的峰值位置并不一致，兩者沒有直接的關(guān)系。

2.4 襯砌接觸壓力

襯砌和初期支護(hù)之間的接觸壓力直接決定主體結(jié)構(gòu)是否安全，通過現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)壓力盒監(jiān)測(cè)，Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖隧道二次襯砌接觸壓力分布如圖9所示。

圖9 二次襯砌接觸壓力分布/kPa

從圖9a可以看出，Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)對(duì)二次襯砌的接觸壓力最大值為36.18 kPa，位于右側(cè)下部邊墻處。拱頂位置接觸壓力為14.85 kPa；拱頂處的初期支護(hù)對(duì)二次襯砌接觸壓力相對(duì)較小，可能原因是隧道拱頂部位的二次襯砌混凝土施工時(shí)的密實(shí)程度比兩側(cè)要差一些，即拱頂澆筑混凝土密實(shí)度不夠。

從圖9b可以看出，Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)對(duì)二次襯砌的接觸壓力最大值為320.64 kPa，位于右側(cè)下部邊墻處，襯砌接觸壓力最小值出現(xiàn)在右側(cè)邊墻位置，大小為66.03 kPa。

3 基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)安全性

根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[12](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)的建議，采用荷載-結(jié)構(gòu)有限元三維計(jì)算模型。其中，襯砌結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元SOLID65模擬，襯砌和初期支護(hù)之間相互作用采用LINK10單元，設(shè)置其只抗壓、不抗拉功能，總共25083個(gè)節(jié)點(diǎn)，2011個(gè)單元，計(jì)算模型如圖10所示。本文襯砌結(jié)構(gòu)受力模擬采用的是SOLID65實(shí)體單元，并不能直接得到單元的內(nèi)力，只能得到單元的應(yīng)力。典型位置截面上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力對(duì)截面形心積分，得到截面的軸力，再對(duì)該截面形心二次積分，得到截面的彎矩。

C30襯砌彈性模量取31 GPa，拱頂厚度50 cm，仰拱厚度60 cm，泊松比0.2，密度2500 kg/m3。Ⅳ級(jí)圍巖彈性抗力系數(shù)取為350 MPa/m，Ⅴ級(jí)圍巖彈性抗力系數(shù)取為150 MPa/m[12]。

圖10 有限元計(jì)算模型 /cm

3.1 Ⅳ級(jí)圍巖斷面

襯砌結(jié)構(gòu)受到水壓和接觸壓力共同作用，針對(duì)這種條件下的襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)有研究相對(duì)較少。在施工現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過一段時(shí)間的定期測(cè)量之后，獲得了襯砌背后水壓力、接觸壓力大量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)圖8a，9a壓力分布，在不同的位置進(jìn)行疊加，具體數(shù)值如表1所示。

表1 Ⅳ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)承受水壓與接觸壓力 kpa

結(jié)合圖10和表1，進(jìn)行有限元計(jì)算，得到各個(gè)單元的內(nèi)力，即彎矩和軸力，如表2所示。發(fā)現(xiàn)Ⅳ級(jí)圍巖隧道襯砌仰拱處的軸力最大，峰值為2320 kN；右邊墻的軸力最小，為1150 kN。隧道右邊墻彎矩最大，為624 kN·m；左拱肩的彎矩最小，為23 kN·m。根據(jù)《規(guī)范》[12]中的破損階段法，計(jì)算IV級(jí)圍巖隧道襯砌結(jié)構(gòu)典型截面安全系數(shù)見表2中的最后一列。

從表2可以看出，從隧道結(jié)構(gòu)來(lái)看，右墻腳處最不安全，最小安全系數(shù)K為1.5，小于《規(guī)范》[12]要求，成為襯砌結(jié)構(gòu)受力最不利位置。左拱腰處安全系數(shù)最大，為8.5，滿足《規(guī)范》[12]要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

表2 IV級(jí)圍巖隧道襯砌內(nèi)力和安全系數(shù)

3.2 Ⅴ級(jí)圍巖斷面

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)試驗(yàn)得到的Ⅴ級(jí)圍巖隧道襯砌背后水壓力(圖8b)、襯砌背后接觸壓力(圖9b)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和疊加得到Ⅴ級(jí)圍巖斷面DIK55+010襯砌背后荷載如表3所示。

襯砌背后水壓力、接觸壓力作為結(jié)構(gòu)安全性關(guān)鍵荷載計(jì)算參數(shù)，關(guān)系到支護(hù)受力狀態(tài)及穩(wěn)定程度。進(jìn)行水壓和土壓共同作用下的有限元計(jì)算，同時(shí)參考《規(guī)范》[12]，結(jié)構(gòu)典型截面安全系數(shù)見表4。

表3 Ⅴ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)承受水壓與接觸壓力 kpa

表4 Ⅴ級(jí)圍巖隧道襯砌內(nèi)力和安全系數(shù)

從表4可以看出，通過有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)Ⅴ級(jí)圍巖隧道仰拱處的軸力最大，峰值為1900 kN，左邊墻軸力最小，為888 kN。隧道左墻腳處彎矩最大，為597 kN·m；右拱腰彎矩最小，為30 kN·m。隧道右拱腰處最安全，但是左拱腳和左墻腳處最不安全，最小安全系數(shù)K僅為1.02，小于《規(guī)范》[12]要求，成為隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)鍵控制部位。

4 結(jié) 論

(1)富水軟巖地層隧道圍巖壓力分布不均勻，傳統(tǒng)基于松散介質(zhì)的普氏理論、泰沙基理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式、交通隧道設(shè)計(jì)規(guī)范公式得到的豎向圍巖壓力均為均勻分布，與地質(zhì)結(jié)構(gòu)相矛盾，且傳統(tǒng)理論公式?jīng)]有考慮水的因素。因此，針對(duì)富水軟巖大斷面隧道，建議采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試支護(hù)體系荷載，來(lái)評(píng)估支護(hù)結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性。

(2)由于地層偏壓與兩邊臺(tái)階法開挖交錯(cuò)落腳導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)支護(hù)承受的圍巖壓力、水壓、接觸壓力并不對(duì)稱。墻腳、拱腳成為關(guān)鍵安全控制部位，建議加強(qiáng)參數(shù)，采用非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)。

(3)富水地層隧道結(jié)構(gòu)受力特征應(yīng)同時(shí)考慮水壓和土壓共同作用，同時(shí)隧道水壓力受到非連續(xù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響，呈現(xiàn)出非均勻水壓分布，評(píng)估隧道穩(wěn)定性應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力，有別于經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的均勻水壓力。

(4)富水軟巖環(huán)境下，隧道鋼拱架均為壓應(yīng)力，其中內(nèi)側(cè)大于外側(cè)，拱部大于邊墻，仰拱中間大于兩側(cè)，鋼拱架架設(shè)后能夠立即承載，是富水大變形隧道加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性的有效手段。