炭質(zhì)板巖地層公路隧道結(jié)構(gòu)受力特征及優(yōu)化

陳炳光，李化云，陳曄磊，曹蘇亞

(1.西華大學(xué)應(yīng)急學(xué)院，成都 610039；2.西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610039；3.中鐵隆工程集團(tuán)有限公司，成都 610041)

中國中西部地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這對當(dāng)?shù)厮淼蕾x存環(huán)境產(chǎn)生多方面影響，由不良地質(zhì)條件引起的隧道施工問題也逐漸增加。其中，炭質(zhì)板巖作為中西部地區(qū)常見的不良地質(zhì)條件，具有受力復(fù)雜、變形大等特點(diǎn)。在沒有合理支護(hù)情況下，很容易出現(xiàn)隧道變形問題，而對其安全性和長期穩(wěn)定性都產(chǎn)生不良影響；若支護(hù)強(qiáng)度過大則會導(dǎo)致材料強(qiáng)度發(fā)揮不充分，造成材料浪費(fèi)。因此，研究炭質(zhì)板巖隧道圍巖穩(wěn)定性和合理的控制技術(shù)具有重要的意義。

Jeon等[1]運(yùn)用數(shù)值模擬等方法，對軟弱地層隧道的施工過程以及軟弱隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與研究；Choi等[2]借助數(shù)值模擬分析，對大斷面軟弱圍巖隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并優(yōu)化了支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)；唐霞等[3]基于新奧法理念，得出二次襯砌最佳支護(hù)時(shí)間；鄧斌等[4]進(jìn)行支護(hù)研究時(shí)，為滿足實(shí)際工程支護(hù)要求，而提出“弱化錨桿+增強(qiáng)初期支護(hù)的剛度與強(qiáng)度”方案，且對其性能做了仿真對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方案有較高的應(yīng)用價(jià)值；仇文革等[5]以鄭萬鐵路客運(yùn)專線隧道工程為依托，優(yōu)化了初期支護(hù)方案；王星等[6]則對多種施工方法的效果做了有限元對比研究，且進(jìn)行優(yōu)化而確定出合理的施工方法；林志等[7]具體分析了石膏地層圍巖和支護(hù)穩(wěn)定性影響因素，且進(jìn)行簡化假設(shè)后提出了相應(yīng)的可靠性評價(jià)方法，基于所得結(jié)果改進(jìn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)；李雪峰等[8]則結(jié)合不同方法研究了多種支護(hù)模式圍巖變形的控制效果，且進(jìn)行內(nèi)力分析；王英帆等[9]通過改變初支鋼拱架距離，有效控制了高地應(yīng)力軟巖隧道大變形；曹明星等[10]通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法，探討了有無臨時(shí)仰拱對隧道應(yīng)力場和位移場的影響；李玉平等[11]針對炭質(zhì)板巖大變形段，提出了“圍壓拱”支護(hù)方案，將炭質(zhì)板巖大變形問題轉(zhuǎn)化為一般變形問題；張海太等[12]依托香麗高速海巴洛隧道，利用FLAC3D數(shù)值分析軟件，采用廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則反演圍巖參數(shù)，提出了針對高海拔薄層炭質(zhì)板巖隧道的支護(hù)優(yōu)化方案；王永剛等[13]通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，對比分析得出了炭質(zhì)板巖大變形地層二襯支護(hù)時(shí)機(jī)以及變形控制基準(zhǔn)；張秋實(shí)等[14]考慮了錨桿與巖層的夾角大小對支護(hù)效果的影響，采用有限元分析軟件優(yōu)化了層狀圍巖隧道的初期支護(hù)方案，得出了取消初期支護(hù)中與巖層成30°夾角以下的錨桿，對該部位圍巖受力影響不大的結(jié)論。

基于以上的分析可知，目前中外學(xué)者已對控制軟弱地層隧道圍巖變形及隧道支護(hù)優(yōu)化進(jìn)行大量的研究，并且取得了一定的成果。但從總體來講，在炭質(zhì)板巖隧道方面目前既有的研究大部分都是采用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)等手段，由于存在諸多的假設(shè)和相似處理，并不能有效反映炭質(zhì)板巖真實(shí)的變形和力學(xué)特征。鑒于此，現(xiàn)依托豹貍崗隧道，采用現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值分析相結(jié)合手段，分析了Ⅳ級圍巖段初期支護(hù)、二次襯砌的受力情況，然后優(yōu)化改進(jìn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，以期為類似的工程問題提供一定的參考。

1 工程概況

豹貍崗隧道進(jìn)口位于峨眉市金口河區(qū)和平鄉(xiāng)解放村園木溝左岸中下部，傍山穿越豹貍崗，隧道出口位于枕頭壩水電站江溝料場尾端的岔河右岸陡坡中下部。豹貍崗隧道右線起止樁號K071+146～K074+749，長3 603 m；左線起止樁號ZK071+161～ZK074+811，長3 650 m，屬于特長隧道，是全線控制性工程。豹貍崗隧道監(jiān)測段圍巖級別為Ⅳ級，埋深696 m，平均開挖進(jìn)尺為3.0 m/d。隧道一般情況下初期支護(hù)采用的是Φ22藥卷錨桿和I18單層鋼拱架，在圍巖變?nèi)醯牡囟尾捎肐20單層鋼拱架。拱架間距為0.9 m，根據(jù)強(qiáng)度相關(guān)要求選擇C25噴射混凝土，厚250 mm。二襯則選擇C30素混凝土，厚400 mm。在監(jiān)測斷面處采用的是上下臺階分部開挖法。監(jiān)測斷面尺寸參數(shù)如圖1所示。

圖1 隧道斷面尺寸Fig.1 Tunnel section size

2 現(xiàn)場監(jiān)測方案確定與數(shù)據(jù)分析

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測布設(shè)方案

依托豹貍崗隧道，對隧道左洞ZK73+586斷面Ⅳ級圍巖段進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，掌握隧道開挖后圍巖壓力變化規(guī)律及分布特點(diǎn)、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，對支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工方案進(jìn)行優(yōu)化,在滿足隧道施工安全基礎(chǔ)上，節(jié)約了施工成本。

圍巖壓力及接觸壓力采用鋼弦式土壓力盒進(jìn)行監(jiān)測，如圖2(a)所示。圍巖壓力測點(diǎn)分別設(shè)置在左右拱頂、拱肩、拱腰、墻腳及仰拱，共10個(gè)點(diǎn)；接觸壓力測點(diǎn)分別設(shè)置在左右拱頂、拱肩、拱腰和墻腳，共8個(gè)點(diǎn)。鋼拱架內(nèi)力采用正弦式鋼筋計(jì)進(jìn)行量測，如圖2(b)所示；二襯應(yīng)力采用混凝土應(yīng)變計(jì)進(jìn)行量測，如圖2(c)所示；具體測點(diǎn)布置如圖2(d)所示。

2.2 監(jiān)控測量數(shù)據(jù)分析

2.2.1 圍巖壓力

根據(jù)采集的圍巖壓力相關(guān)測量結(jié)果，獲得圍巖壓力的變化時(shí)程曲線和橫斷面分布圖，具體情況如圖3和圖4所示。

從圖3可知，土壓力盒安裝后15 d左右(距離掌子面約45 m)，拱頂范圍圍巖壓力增加變緩，且在20 d后基本上保持穩(wěn)定，其他部位在15 d后數(shù)值已基本趨于穩(wěn)定，距離掌子面45 m?？梢缘弥?，豹貍崗隧道掌子面開挖影響范圍約為4.5D～5.0D(D為開挖跨度)。土壓力最大的位置是在拱頂范圍，其次是仰拱附近，邊墻處受到的土壓力較小；左拱腰受到的土壓力幾乎為0 MPa，可能元件已損壞。左洞斷面ZK73+586的埋深為696 m，由《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[15]中8.2.1及8.2.2的規(guī)定可知監(jiān)測斷面為深埋情況，松動荷載為5.78 m×23 kN/m3=0.133 MPa。從圖4可知：根據(jù)監(jiān)測斷面實(shí)際測量圍巖壓力峰值為0.129 MPa，低于相應(yīng)的松動荷載。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備布置Fig.2 Site layout of monitoring equipment

圖3 ZK73+586斷面圍巖壓力變化趨勢Fig.3 Change trend of surrounding rock pressurein section ZK73+586

圖4 圍巖壓力分布Fig.4 Pressure distribution of surrounding rock

2.2.2 初期支護(hù)內(nèi)力

對測量所得鋼拱架內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行處理，并計(jì)算得到初期支護(hù)軸力和彎矩值，如圖8所示。根據(jù)圖5(a)可知，初期支護(hù)為全截面受壓，墻腳處的軸力最大，其次為拱腰，拱頂處的軸力最小。根據(jù)圖5(b)可知，拱頂、拱腰處受正彎矩作用，而其他部位都受負(fù)彎矩作用；拱頂部位的彎矩達(dá)到最大數(shù)值，其次為拱肩，而拱腰處最小。由此可判斷監(jiān)測斷面處豎向荷載占據(jù)主導(dǎo)地位，整體受力對稱，沒有出現(xiàn)偏壓情況。

圖5 ZK73+586斷面初期支護(hù)內(nèi)力分布Fig.5 Distribution ofinternal force of primary support in section ZK73+586

2.2.3 初期支護(hù)與二襯間接觸壓力

從圖6(a)可知，土壓盒在安裝第7天后，除拱頂范圍外，其余各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，拱頂和右拱肩部位接觸壓力變化較大，拱頂接觸壓力在元器件埋設(shè)10 d后基本趨于穩(wěn)定；從圖6(b)可知，初期支護(hù)與二次襯砌接觸壓力最大的位置在拱頂附近，其次是右拱肩。拱腰及左墻腳的接觸壓力幾乎接近于0 MPa，可能原因?yàn)樵p壞。綜上所述，對接觸壓力數(shù)值大小分析可得，相對圍巖與初支間的接觸壓力，初支與二襯間的壓力明顯要小，說明初期支護(hù)承擔(dān)了大部分荷載。

2.2.4 二襯內(nèi)力

為了獲得二次襯砌內(nèi)力，在每個(gè)截面的內(nèi)外側(cè)各布置一個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)，從而獲得二次襯砌內(nèi)外側(cè)混凝土的應(yīng)力，根據(jù)材料力學(xué)公式，得到二次襯砌軸力N和彎矩M，具體計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：σ1為襯砌內(nèi)側(cè)應(yīng)力；σ2為襯砌外側(cè)應(yīng)力；A為截面面積(取單位襯砌長度)；I為慣性矩；y為測點(diǎn)距截面形心距離。

由曲線圖7(a)可知，軸力最大部位為墻腳，其次是左拱腰，軸力最小的是拱頂右。根據(jù)圖7(b)可判斷出拱頂、拱腰處受正彎矩作用，其他區(qū)域則相反。

圖6 ZK73+586斷面初支與二襯接觸壓力變化曲線與分布Fig.6 Distributionand change curve of contact pressure between primary support and secondary lining in section ZK73+586

圖7 ZK73+586斷面二襯內(nèi)力分布Fig.7 Distribution of internal force of secondary lining in section ZK73+586

彎矩最大部位分布在拱頂，其次為左拱肩處，彎矩?cái)?shù)值最小處為拱腰。綜上所述，截面軸力左右基本對稱，而彎矩圖同樣具有對稱性。二襯承擔(dān)的荷載占比僅為24.9%。在施工過程中，二襯承擔(dān)的載荷相對小。

3 基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)

3.1 初期支護(hù)安全性評價(jià)

在進(jìn)行安全性檢驗(yàn)時(shí)，選擇處于最大荷載的支護(hù)結(jié)構(gòu)為對象，基于《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[15]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，在偏心距e0≤0.2h(h為支護(hù)截面厚度)條件下，承載力主要取決于抗壓強(qiáng)度，在偏心距e0>0.2h情況下則受控于抗拉強(qiáng)度。監(jiān)測斷面處鋼拱架間距為0.9 m，初期支護(hù)厚度為0.25 m，因而在計(jì)算時(shí)設(shè)其截面寬0.9 m，厚度0.25 m，C25混凝土。表1為初期支護(hù)的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果，圖8為斷面初支安全度分布圖。

斷面ZK73+586處初期支護(hù)拱頂是受拉控制，拱肩、拱腰和墻腳為受壓控制，各處的安全系數(shù)高于1.7，由此可判斷出在隧道施工過程中，整個(gè)斷面初期支護(hù)處于安全狀態(tài)。

表1 ZK73+586斷面初期支護(hù)內(nèi)力安全性驗(yàn)算表Table 1 Safety check table of internal force of primary support in section ZK73+586

圖8 ZK73+586斷面初支安全度分布Fig.8 Safety degree distribution of primary support in section ZK73+586

3.2 二次襯砌安全性評價(jià)

采用最大荷載的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行安全性驗(yàn)算，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[15]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，在偏心距e0≤0.2h條件下，承載力主要取決于抗壓強(qiáng)度，e0>0.2h情況下則受控于抗拉強(qiáng)度。設(shè)置二襯的截面寬1 m、厚0.4 m，選擇C30混凝土。表2為二襯安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果，圖9為斷面二襯安全度分布圖。

表2 ZK73+586斷面二襯內(nèi)力安全性驗(yàn)算表Table 2 Safety check table for internal force of secondary lining insection ZK73+586

圖9 ZK73+586斷面二襯安全度分布Fig.9 Safety degree distribution of secondary lining in section ZK73+586

左洞監(jiān)測斷面的二襯支護(hù)安全系數(shù)均高于2.4，滿足安全性要求。其峰值位于拱腰處，比臨界安全系數(shù)大15.47倍；而最小安全系數(shù)位于拱頂處，達(dá)到了臨界值的9.28倍。根據(jù)以上結(jié)果可知，二襯結(jié)構(gòu)在施工過程中承載性能取決于抗壓強(qiáng)度，拱腰處的安全性最高，而拱頂和墻腳部位相對薄弱，但是整體上都處于很高的安全狀態(tài)，表明二襯結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置冗余度大，偏于保守，存在較大的優(yōu)化空間。

4 基于有限元模擬的隧道二襯結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

4.1 建立模型反演

模型參數(shù)依據(jù)豹貍崗隧道地勘資料獲取，并采用有限元分析軟件“荷載-結(jié)構(gòu)”模型進(jìn)行反演。隧道模型縱向取1 m計(jì)算，支護(hù)結(jié)構(gòu)為主要受力結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載主要與圍巖有關(guān)。由于外荷載與內(nèi)力在結(jié)構(gòu)上只能通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，所以采用等效節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算。計(jì)算公式為

(3)

(4)

式中：e1、e2為不同節(jié)點(diǎn)的水平松動荷載；q1、q2為不同節(jié)點(diǎn)的垂直松動荷載；x、y為模型坐標(biāo)值；Fxi為節(jié)點(diǎn)i的等效節(jié)點(diǎn)荷載，F(xiàn)yj為節(jié)點(diǎn)j的等效節(jié)點(diǎn)荷載。

圖10為反演的內(nèi)力結(jié)果。根據(jù)圖13可知，模型反演的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本吻合，兩者彎矩和軸力數(shù)值誤差在允許的范圍內(nèi)，說明該模型反演可為豹貍崗隧道ZK73+586斷面實(shí)際工程提供參考。

圖10 模型計(jì)算ZK73+586斷面二襯軸力與彎矩Fig.10 Figure of model calculation for axial force and bending moment of second lining in section ZK73+586

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

根據(jù)以上結(jié)果可知，此隧道初期支護(hù)與二次襯砌都滿足安全性要求，二襯承擔(dān)的荷載占總荷載的比例為24.9%，并且二襯結(jié)構(gòu)受力很小，混凝土抗壓強(qiáng)度沒有發(fā)揮充分。對此，運(yùn)用ANSYS有限元數(shù)值分析軟件，采用Beam3單元模擬襯砌、Link10模擬圍巖，對隧道Ⅳ級圍巖二次襯砌進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)及參數(shù)如表3所示。

表3 計(jì)算工況及支護(hù)參數(shù)表Table 3 Calculation of operating conditions and support parameters table

4.3 優(yōu)化后支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

參數(shù)優(yōu)化后的二襯內(nèi)力及安全度分布情況如圖11所示。

由圖11(a)可知，除仰拱外，隧道墻腳的軸力為240.79 kN，達(dá)到峰值；拱頂處最小，為133.11 kN。由圖11(b)可知，彎矩最大的部位為二襯拱頂，達(dá)到11.10 kN·m；拱腰處的最小，為0.41 kN·m。雖然工況1和工況2總體的內(nèi)力分布規(guī)律基本相同，但在內(nèi)力數(shù)值上相差較大。工況1、工況2軸力峰值相差20.07%，彎矩峰值相差18.16%。這是因?yàn)楣r2二襯厚度比工況1小，結(jié)構(gòu)與圍巖共同受力，這種情況下就產(chǎn)生“小彎矩、大軸力”的現(xiàn)象。此外工況2中的彎矩相對較小，說明襯砌混凝土充分發(fā)揮抗壓能力，優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)起了良好的作用。

圖11 優(yōu)化后ZK73+586斷面二襯內(nèi)力及安全度分布Fig.11 Distribution of the optimized safety degree and internal force of secondary lining in section ZK73+586

從表4和圖11(c)可知，左洞ZK73+586斷面的二襯支護(hù)安全系數(shù)峰值出現(xiàn)在拱頂處，而墻腳處的最小。進(jìn)行隧道施工時(shí)，二襯結(jié)構(gòu)的承載力除拱頂外受控于抗壓強(qiáng)度；對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后雖然安全系數(shù)有所下降，但都大于臨界安全系數(shù)2.4，滿足規(guī)范的最小要求，優(yōu)化方案可行。

表4 優(yōu)化后ZK73+586斷面二襯內(nèi)力安全性驗(yàn)算表Table 4 Safety check table of the optimized internal force of secondary lining in section ZK73+586

5 結(jié)論

通過對豹貍崗隧道Ⅳ級圍巖的初期支護(hù)與二次襯砌的現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)合“荷載-結(jié)構(gòu)”模型的有限元分析，對隧道二襯支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，主要得到以下結(jié)論。

(1)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，得到豹貍崗隧道內(nèi)力特征：初期支護(hù)軸力最大部位位于墻腳，軸力最小部位是在拱頂位置；彎矩最大部位在拱頂，彎矩最小值出現(xiàn)于拱腰。二次襯砌軸力峰值出現(xiàn)于墻腳，拱頂右處的最?。还绊?shù)膹澗刈畲?，墻腳的最小。

(2)隧道初期支護(hù)施工過程中，整個(gè)斷面的安全系數(shù)都大于臨界安全系數(shù)1.7，滿足安全性要求。二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力很小，安全系數(shù)遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)2.4，說明二襯結(jié)構(gòu)參數(shù)取值相對保守，可進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

(3)優(yōu)化二次襯砌厚度參數(shù)后，整體安全系數(shù)都高于臨界值2.4，滿足安全性要求；提出的優(yōu)化支護(hù)優(yōu)化方案整體可行，保障結(jié)構(gòu)安全同時(shí)，節(jié)約了建設(shè)成本，可為類似的工程問題提供一定的參考價(jià)值。