隧道軟弱圍巖支護構件受力特征分析

隧道軟弱圍巖支護構件受力特征分析

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)的設計和施工一直是隧道施工的難題。國內(nèi)外諸多學者對其進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參數(shù),鐵道部聯(lián)合相關單位選取了貴陽—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,設計時速250km,預留進一步提速條件。2試驗段圍巖為寒武系清溪組中段(?q2)砂巖、頁巖、炭質頁巖互層。砂巖灰綠、淺灰色,厚層狀,泥質結構,巖質較堅硬;頁巖、炭質頁巖深灰色、灰黑色,薄層狀,巖質軟。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力σ試驗段采用三臺階預留核心土法開挖,循環(huán)進尺控制在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)測斷面的支護參數(shù)為了掌握深埋隧道軟弱圍巖支護結構的受力特征,并最終確定其支護參數(shù),共設置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、混凝土噴層應力、鋼拱架應力、錨桿軸力、二襯混凝土應力、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)測斷面采用的支護參數(shù)見表1。錨桿軸力的量測采用CL-XZ-B型鋼筋應力計,應力計在噴射混凝土完成之后埋設。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,壓力盒與圍巖緊密接觸。鋼架應力采用JXG型鋼筋應力傳感器,其中格柵鋼架的應力傳感器焊接在格柵主筋上,型鋼鋼架的應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于初支與二襯之間的接觸面上。根據(jù)隧道開挖后的地質調(diào)查,3個監(jiān)測斷面的地質條件較為接近,圍巖巖性均為清溪組中段(?q2)砂巖和炭質頁巖,圍巖均呈碎裂結構,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)控結果和分析4.1圍巖支護結構分析錨桿軸力是錨桿與圍巖相互作用的結果。錨桿軸力的分布主要受圍巖狀況、錨桿類型、錨桿埋設時間及埋設方式等因素的影響。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,錨桿軸力以拉應力為主,少數(shù)也出現(xiàn)壓應力(錨桿軸力以拉為正,壓為負);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,當重分布應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結構之上,由于受眾多因素的影響,其分布型式復雜,不同部位的圍巖壓力相差較大,局部甚至會出現(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)測斷面的結果來看,最大壓力多出現(xiàn)在左右側的拱腰部位。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條件、初始地應力狀態(tài)以及支護結構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力狀態(tài)可近似認為相同。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了上臺階的壓力盒,其后的開挖順序分別為中臺階右側、中臺階左側、下臺階右側、下臺階左側,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,即圍巖壓力將轉化為初支鋼架和初支混凝土的應力,因此,初支鋼架的應力主要受圍巖壓力、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的型鋼鋼架應力分布比較均勻,I20b的型鋼鋼架次之,而格柵鋼架應力分布變異最大,在局部產(chǎn)生了強烈的應力集中現(xiàn)象。圖10為初支鋼架應力隨時間變化曲線。由圖10可知,型鋼鋼架的應力隨時間平穩(wěn)增大,H175和I20b兩種型鋼鋼架的應力都隨著時間平穩(wěn)地增長,大約15d左右達到穩(wěn)定,鋼架應力不再增大。而格柵鋼架的應力隨時間波動較大,且在局部出現(xiàn)強烈的應力集中,導致鋼筋彎曲破壞,如圖11所示,DK372+760~785格柵支護段拱頂普遍出現(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體系是由各個支護構件單獨或組合構成的,與圍巖協(xié)同作用共同承擔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力的分布特征及其隨時間的變化特征,得到如下結論:(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結構之上,不同部位的圍巖壓力相差較大,局部甚至會出現(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);而格柵鋼架應力分布變異較大,應力在局部產(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效果,這主要是因為格柵鋼架的早期剛度低,