隧道軟弱圍巖支護(hù)構(gòu)件受力特征分析

隧道軟弱圍巖支護(hù)構(gòu)件受力特征分析

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著我國鐵路、公路的大規(guī)模建設(shè)和施工水平的提高，隧道已越來越成為穿過山區(qū)的首選。軟圍巖隧道配套系統(tǒng)的設(shè)計和施工一直是隧道施工的難題。國內(nèi)外諸多學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究并取得了一些成果。吳夢軍與黃倫海為了獲得深埋軟弱圍巖的合理支護(hù)參數(shù),鐵道部聯(lián)合相關(guān)單位選取了貴陽—廣州鐵路天平山隧道22寒武系中砂巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖對比天平山隧道是新建貴陽—廣州鐵路的控制性工程之一,全長14km,最大埋深775m,為雙線單洞隧道,開挖斷面寬15.48m,高13.34m,設(shè)計時速250km,預(yù)留進(jìn)一步提速條件。2試驗段圍巖為寒武系清溪組中段(?q2)砂巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖互層。砂巖灰綠、淺灰色,厚層狀,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),巖質(zhì)較堅硬;頁巖、炭質(zhì)頁巖深灰色、灰黑色,薄層狀,巖質(zhì)軟。受段內(nèi)區(qū)域性斷層影響,段內(nèi)多發(fā)育次級小型構(gòu)造,巖體破碎,完整性差,節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理面平直光滑,猶如刀切,常出現(xiàn)光滑的鏡面及大量擦痕。根據(jù)地應(yīng)力測試資料,隧道試驗段附近的鉆孔(編號為DZ–天平山–深–4)測得的最大水平地應(yīng)力σ試驗段采用三臺階預(yù)留核心土法開挖,循環(huán)進(jìn)尺控制在80cm以內(nèi),局部地段間距為60cm,上、中、下臺階的高度分別為4.10,3.30和3.36m,各臺階長度不超過5m,馬口錯開2~3榀架,如圖1所示(圖中編號為開挖步)。3監(jiān)測斷面的支護(hù)參數(shù)為了掌握深埋隧道軟弱圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征,并最終確定其支護(hù)參數(shù),共設(shè)置3個試驗段,如圖2所示。監(jiān)測內(nèi)容包括:圍巖壓力、二襯接觸壓力、混凝土噴層應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)力、錨桿軸力、二襯混凝土應(yīng)力、拱頂沉降和洞壁收斂等,監(jiān)測儀器的布置如圖3所示。3個監(jiān)測斷面采用的支護(hù)參數(shù)見表1。錨桿軸力的量測采用CL-XZ-B型鋼筋應(yīng)力計,應(yīng)力計在噴射混凝土完成之后埋設(shè)。圍巖壓力采用JXY–4型振弦式雙膜壓力盒,壓力盒在圍巖爆破出碴后2h內(nèi)埋設(shè),壓力盒與圍巖緊密接觸。鋼架應(yīng)力采用JXG型鋼筋應(yīng)力傳感器,其中格柵鋼架的應(yīng)力傳感器焊接在格柵主筋上,型鋼鋼架的應(yīng)力傳感器焊接在型鋼的翼緣上。二襯接觸壓力采用JXY–4型振弦式雙膜壓力盒,在二襯澆注之前埋設(shè)于初支與二襯之間的接觸面上。根據(jù)隧道開挖后的地質(zhì)調(diào)查,3個監(jiān)測斷面的地質(zhì)條件較為接近,圍巖巖性均為清溪組中段(?q2)砂巖和炭質(zhì)頁巖,圍巖均呈碎裂結(jié)構(gòu),完整性差,節(jié)理裂隙發(fā)育。砂巖與頁巖呈互層狀產(chǎn)出,其中,第一、二試驗段頁巖出露較多,為V級圍巖,第三試驗段砂巖出露較多,為IV級圍巖。4監(jiān)控結(jié)果和分析4.1圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)分析錨桿軸力是錨桿與圍巖相互作用的結(jié)果。錨桿軸力的分布主要受圍巖狀況、錨桿類型、錨桿埋設(shè)時間及埋設(shè)方式等因素的影響。錨桿所受的剪切力與其軸力之間具有密切的關(guān)系,可以通過量測錨桿軸力來分析其所受剪切力的大小及分布,從而進(jìn)一步分析隧道圍巖的變形狀態(tài)天平山隧道試驗段的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,錨桿軸力以拉應(yīng)力為主,少數(shù)也出現(xiàn)壓應(yīng)力(錨桿軸力以拉為正,壓為負(fù));軸力最大值一般位于1.5~3.5m埋深范圍內(nèi),如表2及圖4所示,形成中間大、兩端小的軸力分布型式。根據(jù)理論分析,隧道開挖后,當(dāng)重分布應(yīng)力超過了圍巖的屈服強度后,將在洞周形成一個塑性松動區(qū),由于塑性松動區(qū)的變形較大,而塑性松動區(qū)以外的彈性區(qū)變形很小,如圖5所示,圖5中變形曲線為隧道側(cè)壁圍巖的水平向位移,塑性松動區(qū)的圍巖相對于錨桿向隧道內(nèi)變形,而彈性區(qū)的圍巖相對于錨桿向外變形,因此在塑性松動區(qū)和彈性區(qū)的交界處易形成錨桿軸力的峰值。由此推斷,天平山隧道試驗段塑性松動區(qū)厚度約為3.5m。14.2監(jiān)測斷面的圍巖壓力圖7為各監(jiān)測斷面圍巖壓力分布圖。由圖7可知,圍巖壓力并非均勻地分布于支護(hù)結(jié)構(gòu)之上,由于受眾多因素的影響,其分布型式復(fù)雜,不同部位的圍巖壓力相差較大,局部甚至?xí)霈F(xiàn)圍巖壓力集中的現(xiàn)象,而最大壓力出現(xiàn)的位置也不一定就在拱頂,從3個監(jiān)測斷面的結(jié)果來看,最大壓力多出現(xiàn)在左右側(cè)的拱腰部位。13個監(jiān)測斷面的圍巖壓力對比如表3所示。從表3可以看出,2如前所述,圍巖壓力主要受圍巖的地質(zhì)條件、初始地應(yīng)力狀態(tài)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度等因素的影響。3個試驗段距離相隔較近,因此3個試驗段的初始地應(yīng)力狀態(tài)可近似認(rèn)為相同。第一、二試驗段的圍巖均為V級,第三試驗段圍巖稍好,為IV級。1圍巖壓力隨時間變化的典型曲線如圖8所示,由于采用三臺階七步開挖法施工,因此,上臺階埋設(shè)的壓力盒量測的數(shù)據(jù)受中、下臺階及仰拱開挖的影響而出現(xiàn)較大波動,同理,中臺階的壓力數(shù)據(jù)也受下臺階及仰拱開挖的影響。如第一試驗段,其9月12日完成上臺階開挖同時埋設(shè)了上臺階的壓力盒,其后的開挖順序分別為中臺階右側(cè)、中臺階左側(cè)、下臺階右側(cè)、下臺階左側(cè),并最終于10月21日完成仰拱開挖,整個開挖工序共歷時39d,在這段時間內(nèi),圍巖壓力變化較大,而到12月12日以后,圍巖壓力基本上處于穩(wěn)定狀態(tài),隨時間而增大的幅度很小,可見,試驗段圍巖壓力的調(diào)整最終趨于穩(wěn)定大致需要3個月。4.3初支鋼架類型作用在初支上的圍巖壓力,在二襯混凝土施作之前,都將由初支鋼架和噴混凝土共同承擔(dān),即圍巖壓力將轉(zhuǎn)化為初支鋼架和初支混凝土的應(yīng)力,因此,初支鋼架的應(yīng)力主要受圍巖壓力、鋼架和初支混凝土各自的剛度控制。圖9為各監(jiān)測斷面初支鋼架應(yīng)力分布圖,3個監(jiān)測斷面采用的鋼架類型分別為H175型鋼鋼架、φ25mm的6肢格柵鋼架及I20b型鋼鋼架。從圖9可以看出,H175的型鋼鋼架應(yīng)力分布比較均勻,I20b的型鋼鋼架次之,而格柵鋼架應(yīng)力分布變異最大,在局部產(chǎn)生了強烈的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖10為初支鋼架應(yīng)力隨時間變化曲線。由圖10可知,型鋼鋼架的應(yīng)力隨時間平穩(wěn)增大,H175和I20b兩種型鋼鋼架的應(yīng)力都隨著時間平穩(wěn)地增長,大約15d左右達(dá)到穩(wěn)定,鋼架應(yīng)力不再增大。而格柵鋼架的應(yīng)力隨時間波動較大,且在局部出現(xiàn)強烈的應(yīng)力集中,導(dǎo)致鋼筋彎曲破壞,如圖11所示,DK372+760~785格柵支護(hù)段拱頂普遍出現(xiàn)混凝土脫落、格柵主筋向下鼓出彎曲的破壞現(xiàn)象。5圍巖壓力隨時間的變化隧道圍巖的支護(hù)體系是由各個支護(hù)構(gòu)件單獨或組合構(gòu)成的,與圍巖協(xié)同作用共同承擔(dān)由于隧道開挖而形成的荷載。本文通過對貴廣鐵路天平山隧道試驗段的監(jiān)測,分析研究了深埋軟弱圍巖隧道錨桿軸力、初支圍巖壓力以及鋼架應(yīng)力的分布特征及其隨時間的變化特征,得到如下結(jié)論:(1)軟弱圍巖中的全長錨固型錨桿,其軸力多呈中間大、兩端小的分布型式;由于軟巖的變形時間長,導(dǎo)致錨桿軸力的變化歷時長,不易穩(wěn)定。(2)軟弱圍巖隧道的圍巖壓力并非均勻地分布于支護(hù)結(jié)構(gòu)之上,不同部位的圍巖壓力相差較大,局部甚至?xí)霈F(xiàn)圍巖壓力強烈集中的現(xiàn)象;圍巖壓力隨時間的變化受開挖方法的影響較大;在相同地質(zhì)軟弱圍巖條件下,型鋼鋼架的圍巖壓力比格柵鋼架的圍巖壓力增大了70%~90%。(3)軟弱圍巖中,型鋼鋼架的應(yīng)力分布比較均勻,且隨時間的變化也較平穩(wěn);而格柵鋼架應(yīng)力分布變異較大,應(yīng)力在局部產(chǎn)生了強烈的集中現(xiàn)象,且隨時間波動較大。由此可見,對于早期變形較快的軟弱圍巖,型鋼鋼架比格柵鋼架具有更好的支護(hù)效果?？梢?對于變形較大的軟弱圍巖,尤其是早期變形較快的軟弱圍巖,型鋼鋼架要比格柵鋼架具有更好的支護(hù)效果,這主要是因為格柵鋼架的早期剛度低,