二次襯砌施工對(duì)黃土隧道圍巖壓力的影響分析

作者簡(jiǎn)介：

郭志軍（1974—），工程師，研究方向：橋梁工程、公路工程管理、安全管理。

摘要：文章依托甘肅省某黃土隧道工程，借助埋設(shè)于隧道圍巖內(nèi)部的智能壓力傳感器采集了從初期支護(hù)到二次襯砌完成后一年的圍巖壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)研究超長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)圍巖壓力隨時(shí)間的變化情況，得出了隧道圍巖壓力的變化趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)隧道二次襯砌施工引起圍巖壓力突變的階段進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：二次襯砌施工后圍巖壓力先急劇下降，隨后快速增加，最后趨于穩(wěn)定；二次襯砌施工期間圍巖壓力突變階段的壓力變化率是整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的9.5倍，在隧道橫斷面不同部位差異較大，拱頂處高達(dá)22.5倍；對(duì)隧道圍巖壓力的研究有助于確定二次襯砌施工的時(shí)間，對(duì)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有重要意義。

關(guān)鍵詞：黃土隧道；二次襯砌；圍巖壓力；臺(tái)階法

中圖分類號(hào)：U455.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 35 118 3

0 引言

二次襯砌是隧道工程施工在初期支護(hù)內(nèi)側(cè)施作的模筑混凝土或鋼筋混凝土襯砌，與初期支護(hù)共同組成復(fù)合式襯砌。二次襯砌是相對(duì)初期支護(hù)而言的，主要是在隧道初期支護(hù)已完成的條件下，用鋼筋混凝土修建內(nèi)層襯砌，以達(dá)到加固支護(hù)、優(yōu)化路線防排水系統(tǒng)、美化外觀，方便設(shè)置通信、照明、監(jiān)測(cè)等設(shè)施的作用，以適應(yīng)現(xiàn)代化高速道路隧道建設(shè)的要求［1-3］。二次襯砌施作一般在圍巖和初期支護(hù)變形趨于穩(wěn)定后進(jìn)行，二次襯砌施作的條件有兩個(gè)：（1）隧道水平凈空變化速度及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降；（2）隧道位移相對(duì)值已達(dá)到相對(duì)位移量的90%以上［4-5］。過(guò)早施工隧道二次襯砌不利于隧道整體襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，若隧道初期支護(hù)變形未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)即施作二次襯砌，可能引起二次襯砌承受較大的圍巖及初期支護(hù)的壓力，此壓力超過(guò)二次襯砌的承受能力時(shí)，二次襯砌將會(huì)開(kāi)裂［6-7］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道二次襯砌的受力情況進(jìn)行了大量的研究，主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模擬的研究方法，研究?jī)?nèi)容主要有二次襯砌的施作時(shí)間、初期支護(hù)與二次襯砌之間的受力、圍巖與初期支護(hù)之間的受力等。二襯混凝土所受較大壓應(yīng)變主要位于隧道拱腰肩位置，與初支和二襯間接觸應(yīng)力最大值位置具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系［8］。二襯荷載分擔(dān)比集中在0～20%，接觸壓力有明顯的時(shí)間效應(yīng)，隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為快速增長(zhǎng)至峰值之后減小，進(jìn)而緩慢增大趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定所需時(shí)間在二襯澆筑后30 d左右［9］；接觸壓力空間分布規(guī)律為拱頂→拱肩→拱腰→拱墻增大，拱墻→拱腳→拱底減小。二襯在承受來(lái)自初支的接觸壓力后進(jìn)行了應(yīng)力調(diào)整分配，導(dǎo)致了不同部位承受拉壓力的差異性，但其仍具有較高的安全儲(chǔ)備［10-11］。由大量學(xué)者的研究可知，隧道圍巖壓力可隨時(shí)間變化劃分為快速增長(zhǎng)→緩慢增長(zhǎng)→趨于穩(wěn)定3個(gè)階段，其中快速增長(zhǎng)階段多集中在隧道開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)或支護(hù)結(jié)構(gòu)尚未完全發(fā)揮作用的一段時(shí)間，同時(shí)對(duì)隧道圍巖壓力沿洞周分布規(guī)律進(jìn)行研究［12-14］。

本文通過(guò)采用智能圍巖壓力傳感器獲取的隧道從初期支護(hù)完成后至二次襯砌施工完成后一年的圍巖壓力，深入分析二次襯砌施工階段圍巖壓力的變化特征。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 項(xiàng)目工程概況

本研究以甘肅省平?jīng)鍪芯硟?nèi)某一黃土隧道為研究對(duì)象。隧道位于黃土溝壑，屬于黃土Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，隧道凈寬為10.5 m、凈高為5 m，隧道正常段落采用二臺(tái)階法施工，緊急停車帶采用單側(cè)臂導(dǎo)坑法（CD法）。本研究隧道圍巖壓力數(shù)據(jù)采集段落為TVC襯砌結(jié)構(gòu)段，此襯砌結(jié)構(gòu)采用Ⅰ20a型工字鋼支護(hù)，鋼拱架縱向間距為80 cm，初期支護(hù)為厚度26 cm的噴射混凝土，二次襯砌厚度為50 cm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隧道上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺為1.6 m，下臺(tái)階和仰拱緊跟上臺(tái)階施工，確保安全步距滿足規(guī)范要求。

1.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

隧道上臺(tái)階開(kāi)挖完成后，立即進(jìn)行鋼架支撐，將圍巖壓力盒布設(shè)于圍巖表面，確保壓力盒與圍巖密貼。布點(diǎn)方式采用“五點(diǎn)法”，即在拱頂、兩拱腰、兩拱腳分別布點(diǎn)。拱腳測(cè)點(diǎn)在距離地面1 m處布置，拱腰測(cè)點(diǎn)在上臺(tái)階斷面45°方向布設(shè)。為了確保壓力盒能夠與圍巖同變形，在壓力盒布設(shè)處挖槽將其嵌入，壓力盒外側(cè)與隧道襯砌支護(hù)鋼筋網(wǎng)片焊接牢固。用摻入速凝劑的水泥砂漿將壓力盒與圍巖的縫隙填塞密實(shí)，數(shù)據(jù)傳輸線在初期支護(hù)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行包裹保護(hù)層處理，確保數(shù)據(jù)線工作的可靠性。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)完成后，將同斷面5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)線匯集到一處引處隧道口數(shù)據(jù)采集裝置。壓力盒傳感器安裝完成后及時(shí)進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)，安裝人員將壓力盒埋設(shè)位置及注意事項(xiàng)向噴漿手進(jìn)行交底，噴漿過(guò)程先調(diào)小噴漿壓力進(jìn)行傳感器布設(shè)位置噴射，待圍巖壓力盒完全覆蓋后再進(jìn)行大面噴射作業(yè)。

本研究選擇在隧道進(jìn)口TVC襯砌段連續(xù)設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，第一個(gè)斷面為K1755+360，第二個(gè)斷面為K1755+390，第三個(gè)斷面為K1755+420。在每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)圍巖壓力傳感器，分別在拱頂、兩拱腰、兩拱腳各布置1個(gè)。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

本研究采用智能圍巖壓力傳感器采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力值，通過(guò)隧道口數(shù)據(jù)接收裝置獲取數(shù)據(jù)，可從成都理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本項(xiàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用布設(shè)在隧道口的太陽(yáng)能板為其提供能源。

二次襯砌施工對(duì)黃土隧道圍巖壓力的影響分析/

郭志軍，胡文斌，賀耀偉，王海堂，王 照

采集系統(tǒng)每天可連續(xù)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，為了便于數(shù)據(jù)分析，選擇每天18：00的數(shù)據(jù)為當(dāng)天的壓力值（單位為MPa）。對(duì)3個(gè)采集斷面15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)可發(fā)現(xiàn)有5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)缺失、無(wú)變化等。為了能夠準(zhǔn)確地分析圍巖壓力的變形特征，將這5個(gè)出現(xiàn)異常的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)從分析中剔除，并進(jìn)一步分析產(chǎn)生數(shù)據(jù)不正常的原因，為將來(lái)圍巖壓力的研究總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

本文主要為了分析二次襯砌施工對(duì)隧道圍巖壓力的變化特征，從連續(xù)采集的圍巖壓力檢測(cè)數(shù)據(jù)中，選擇30 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這30 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為二次襯砌施工前10 d和二次襯砌施工后20 d。對(duì)每個(gè)圍巖壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，探討圍巖壓力的變化規(guī)律，指導(dǎo)隧道安全施工。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 圍巖壓力隨時(shí)間變化特征分析

將3個(gè)斷面10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力數(shù)據(jù)繪制成圍巖壓力-時(shí)間變化曲線圖，如圖1所示。其中斷面一有2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，斷面二有3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，斷面三有5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。橫坐標(biāo)表示圍巖壓力變化的時(shí)間，縱坐標(biāo)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力值。

從圍巖壓力隨時(shí)間的變化曲線圖上可以看出，二次襯砌施工后（第10 d）10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力-時(shí)間曲線圖均出現(xiàn)拐點(diǎn)，表現(xiàn)為圍巖壓力突然降低，然后再逐漸增大。

二次襯砌施工完成后，襯砌混凝土鋪滿初期支護(hù)表面，對(duì)初期支護(hù)產(chǎn)生一個(gè)徑向支撐力，導(dǎo)致圍巖壓力短時(shí)間內(nèi)降低。隨著二次襯砌混凝土鋪度的增加，在拱部初期支護(hù)與二次襯砌之間出現(xiàn)間隙，圍巖和初期支護(hù)繼續(xù)變形。當(dāng)圍巖和初期支護(hù)變形與二次襯砌結(jié)構(gòu)之間密貼時(shí)，圍巖和初期支護(hù)將受到二次襯砌徑向的支撐力，使隧道整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，表現(xiàn)為隧道圍巖壓力不再隨時(shí)間增加。

3.2 二次襯砌施工后圍巖壓力變化分析

為了深入探討二次襯砌施工對(duì)隧道圍巖壓力變化規(guī)律的影響，將二次襯砌施工后圍巖壓力突變階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，主要分析二次襯砌施工后圍巖壓力開(kāi)始突然降低的時(shí)間、最大突變值、突變率。本文對(duì)整個(gè)圍巖壓力監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的圍巖壓力參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括觀測(cè)持續(xù)時(shí)間、壓力變化值（終期觀測(cè)值-初始值）、平均圍巖壓力變化率（壓力變化值/觀測(cè)持續(xù)時(shí)間）。將二次襯砌施工前后和整個(gè)圍巖壓力監(jiān)測(cè)周期內(nèi)圍巖壓力相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

由表1可知：

（1）二次襯砌施工完后，圍巖壓力會(huì)突然降低，持續(xù)2～8 d。不同監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)部位圍巖壓力突然降低階段持續(xù)時(shí)間有所不同。斷面二圍巖壓力突然降低階段持續(xù)時(shí)間為3～5 d、斷面三為2～5 d、斷面一為4～8 d。二次襯砌施工后圍巖壓力突然降低階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的部位為拱頂，持續(xù)時(shí)間為5～8 d，其他部位的持續(xù)時(shí)間均在2～4 d。

（2）二次襯砌施工完成后，隧道圍巖壓力突然降低階段的最大值可達(dá)11.975 kPa，平均值為7.277 kPa。斷面一、斷面二、斷面三的平均突變值分別為7.410 kPa、6.67 kPa、7.589 kPa；拱頂、拱腰、拱腳處圍巖壓力平均突變值分別為8.14 kPa、6.03 kPa、9.11 kPa。

（3）二次襯砌施工完成后，在圍巖壓力突然降低階段，最大突變率可達(dá)2.395 kPa/d，平均變化率為1.456 kPa/d。斷面一、斷面二、斷面三的平均變化率分別為1.482 kPa/d、1.334 kPa/d、1.518 kPa/d；拱頂、拱腰、拱腳處圍巖壓力平均變化率分別為1.628 kPa/d、1.205 kPa/d、1.822 kPa/d。

（4）二次襯砌施工完成后，在圍巖壓力突然降低階段，平均突變率為1.456 kPa/d；在整個(gè)圍巖壓力監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，圍巖壓力平均變化率為0.153 kPa/d。二次襯砌施工后圍巖壓力突然變形階段圍巖壓力的平均變化率為9.5倍的整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)圍巖壓力平均變化率。二次襯砌施工突變階段圍巖壓力平均變化率與整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)圍巖壓力平均變化率之比在斷面一、斷面二、斷面三的比值分別為12.2、9.2、8.9。二次襯砌施工突變階段圍巖壓力平均變化率與整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)圍巖壓力平均變化率之比在拱頂、拱腰、拱腳的比值分別為22.5、6.7、12.9。

隧道圍巖壓力變化是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，受多種因素的綜合影響。隧道圍巖壓力的變化受隧道圍巖級(jí)別、橫斷面位置、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隧道開(kāi)挖方式等因素的影響，二次襯砌施工過(guò)程能夠引起圍巖壓力的較大波動(dòng)。綜合各監(jiān)測(cè)斷面、不同監(jiān)測(cè)部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化特征，可發(fā)現(xiàn)二次襯砌施工后，圍巖壓力出現(xiàn)較大幅度降低、然后快速增長(zhǎng)，最后趨于穩(wěn)定。隧道二次襯砌施工前，圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)同步持續(xù)變形，表現(xiàn)為圍巖壓力值逐漸增加。二次襯砌混凝土施工后，二次襯砌結(jié)構(gòu)將會(huì)對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)徑向的支撐力，隧道圍巖壓力表現(xiàn)為突然降低。隨著二次襯砌混凝土凝結(jié)硬化，二次襯砌與初期支護(hù)之間的防水隔離層膨脹，二次襯砌對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐力降低，表現(xiàn)為圍巖壓力持續(xù)增加。當(dāng)圍巖壓力與二次襯砌的支撐力相等時(shí)，整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究借助埋設(shè)于隧道圍巖內(nèi)部的智能壓力傳感器采集了從初期支護(hù)到二次襯砌完成后一年的圍巖壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)超長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)圍巖壓力隨時(shí)間的變化分析得出了隧道圍巖壓力的變化趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)隧道二次襯砌施工引起圍巖壓力突變的階段進(jìn)行了重點(diǎn)分析。本文的主要研究結(jié)論如下：

（1）二次襯砌施工完成后，圍巖壓力急劇下降，這一階段約為2～8 d，然后逐漸增大。隧道拱頂圍巖壓力急劇下降階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，為5～8 d。

（2）二次襯砌施工完成后，隧道圍巖壓力突然降低階段的最大值可達(dá)11.975 kPa，在整個(gè)圍巖壓力監(jiān)測(cè)階段圍巖壓力平均值為7.277 kPa，拱腳處圍巖壓力突變值最大，為9.11 kPa。

（3）二次襯砌施工完成后，在隧道圍巖壓力突然降低階段最大突變率可達(dá)2.395 kPa/d，平均變化率為1.456 kPa/d。

（4）二次襯砌施工完成后，在圍巖壓力突然降低階段，平均突變率為1.456 kPa/d；在整個(gè)圍巖壓力監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，圍巖壓力平均變化率為0.153 kPa/d。二次襯砌施工后圍巖壓力突然變形階段圍巖壓力的平均變化率為整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)圍巖壓力平均變化率的9.5倍。在隧道拱頂二次襯砌施工后圍巖壓力突然變形階段平均變化率為22.5倍的整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)圍巖壓力平均變化率。

二次襯砌之所以會(huì)破壞，主要原因是二次襯砌施工時(shí)初期支護(hù)變形未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此如何確定隧道二次襯砌的施工時(shí)間是一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題。隧道二次襯砌應(yīng)當(dāng)在初期支護(hù)變形穩(wěn)定后施工，但是隧道施工安全規(guī)范規(guī)定二次襯砌施工與掌子面的距離不應(yīng)大于規(guī)定距離，因此在實(shí)際施工過(guò)程中二次襯砌不能確保在初期支護(hù)基本穩(wěn)定后施工。對(duì)隧道初期支護(hù)變形的穩(wěn)定時(shí)間、二次襯砌承載能力、二次襯砌穩(wěn)定時(shí)間的研究對(duì)隧道整體襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有重要的意義。

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