隧道單層襯砌穩(wěn)定性研究

隧道單層襯砌穩(wěn)定性研究

單段坍塌是一種新興的隧道保護(hù)體系，始于20世紀(jì)70年代。隨著近年來施工技術(shù)的發(fā)展，特別是射混凝土技術(shù)的發(fā)展，射混凝土的質(zhì)量得到了保證，該技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和應(yīng)用。瑞典和挪威較早地使用了單層襯砌,其中,在挪威460km左右的干線公路隧道中,采用了噴射混凝土或鋼纖維混凝土作為永久襯砌共有160km(部分是海底隧道),單層襯砌技術(shù)在瑞典斯德哥爾摩地鐵中的各個區(qū)域如地鐵區(qū)間、地鐵車站地鐵換乘大廳、車站的連接通道和換乘通道等得到了廣泛地發(fā)展和應(yīng)用。單層襯砌技術(shù)在瑞士的費爾艾哪隧道中的使用率大約占到97%。德國的慕尼黑地鐵也取消了內(nèi)層模筑混凝土和隔水板的施工技術(shù),而選擇了噴射混凝土做單層襯砌的方式。在19世紀(jì)80年代~90年代,巴西在大量的砂粘土和陡峭多孔性粘土地區(qū)采用噴射混凝土作為永久襯砌。法國從上世紀(jì)80年代引進(jìn)鋼纖維噴混凝土技術(shù)作為隧道襯砌,并在1990年將之作為隧道永久襯砌。在美國肯塔基州的哈倫,1條內(nèi)徑10.4m的泄洪隧洞亦采用了鋼纖維噴射混凝土作作永久襯砌。同樣,單層襯砌技術(shù)在日本的公路、鐵路隧道以及諸多歐洲國家都得到了廣泛應(yīng)用。中國在1960年代修建的成昆鐵路,在其中圍巖較好的隧道中,就成功地運用了噴射混凝土加錨桿的單層襯砌技術(shù)。1999年,在汕頭野花石油氣儲庫工程中單層襯砌支護(hù)技術(shù)得到了應(yīng)用并取得了較好的效果。鐵路隧道中,西康鐵路線中的秦嶺隧道中有1220m采用了噴射鋼纖維混凝土單襯,高蹁溝隧道采用噴射鋼纖維混凝土單襯長達(dá)289m,而在磨溝嶺隧道中,永久單層襯砌采用了模筑鋼纖維混凝土。單層襯砌技術(shù)不僅可應(yīng)用于各種隧道工程,同時在地下工程中也可廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外單層襯砌技術(shù)在軟弱圍巖和硬質(zhì)圍巖中都已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用,但是對于隧道單層襯砌用混凝土及單層襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究甚少,尤其是具有許多優(yōu)點的聚丙烯纖維增強混凝土機理的研究就更少。1設(shè)計線和圍巖高度關(guān)長山隧道位于重慶木洞鎮(zhèn)與雙河鎮(zhèn)交界處,為雙向行駛兩車道公路隧道,隧道全長885m,屬于中長隧道。隧道進(jìn)口高程約為235.11m,出口高程約為239.88m,隧道設(shè)計線進(jìn)口和洞身位于直線上,出口位于R=627.947m的圓曲線和緩和曲線上。隧道設(shè)計坡線為雙向坡(+1.1%/330,-0.92/555),最大埋深為120m。隧道周圍地層主要為粉砂質(zhì)泥巖,紫紅色,多由粘土礦物組成,含砂質(zhì)約20%左右,灰夾綠色鈣質(zhì)結(jié)核及多層乳白色約為1~2mm厚的石膏薄膜,砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),中層狀構(gòu)造。1.1現(xiàn)場試驗元件及現(xiàn)場測試元件的布置單層襯砌試驗段選擇在K23+525~K23+775段,在該里程段隧道穿越侏羅系上統(tǒng)遂寧組地層,巖性為粉砂質(zhì)泥巖,地下水呈點滴狀出水,隧道處于深埋狀態(tài)。為全面掌握單層襯砌試驗段的圍巖分布特征和結(jié)構(gòu)的受力特征,總計布設(shè)了4個典型斷面:即K23+698.7、K23+715、K23+730、K23+745。本段隧道開挖采用上下臺階法開挖施工,上部開挖后埋設(shè)拱頂及左、右拱腰處測試元件,下部斷面開挖后再埋設(shè)左、右邊墻處的測試元件。每個斷面的測試項目及所用儀器見表1所示?，F(xiàn)場測試元件的埋設(shè)分兩種類型:斷面K23+698.7及K23+745元件的埋設(shè)采用圖1的形式;斷面K23+715及K23+730元件的埋設(shè)采用圖2的形式。錨桿作為隧道單層襯砌支護(hù)技術(shù)中的主動支護(hù)體系,從加強圍巖自身承載力出發(fā)進(jìn)行圍巖的加固,在系統(tǒng)中有重要的作用。因此,在現(xiàn)場實驗中,特別增加了錨桿軸力的監(jiān)測,在斷面K23+715.6和K23+745的拱頂、左、右拱腰分別安裝了錨桿軸力計,錨桿上傳感器的布置見圖3所示。1.2測試結(jié)果和分析1.2.1格柵混凝土應(yīng)力K23+698.7斷面所處圍巖巖性為粉砂質(zhì)泥巖,隧道埋深約為55m。按埋設(shè)順序,其測試結(jié)果和綜合分析如下所述。1)圍巖與噴射混凝土層接觸壓力測試結(jié)果如圖4所示,可以看出:除左邊墻測點,斷面各埋設(shè)點的圍巖與噴射砼層接觸壓力量測值都為正值,表明均為受壓,測試值一般在施工結(jié)束后20d基本穩(wěn)定。右拱腰位置的接觸壓力量測值為最大,為0.131MPa;左拱腰最大值為0.098MPa;拱頂最大值為0.064MPa;而左側(cè)邊墻部位的接觸壓力受壓最大值僅為0.01MPa?？傮w來看,實測到的圍巖壓力絕對值都比較小。2)格柵鋼架內(nèi)主筋應(yīng)測試結(jié)果如圖5所示,可以看出:格柵鋼架內(nèi)主筋除在左拱腰外側(cè)受拉外,其余部位只承受壓力,且在施工完成后30d基本穩(wěn)定。在斷面中,左拱腰外側(cè)、左拱腰內(nèi)側(cè)、拱頂外側(cè)、拱頂內(nèi)側(cè)、右拱腰外側(cè)、左邊墻外側(cè)、左邊墻內(nèi)側(cè)、右邊墻外側(cè)、右邊墻內(nèi)側(cè)部位鋼筋應(yīng)力最大值分別為:1.14、0.86、0.64、0.41、0.9、0.07、0.32、0.06、0.08MPa。另外,左邊墻外側(cè)部位鋼筋應(yīng)力初期出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值,為0.05MPa;左拱腰外側(cè)位置的鋼筋應(yīng)力量測值最大,壓應(yīng)力值為1.14MPa;總體而言,格柵鋼架應(yīng)力都很小。3)噴射混凝土內(nèi)應(yīng)力測試結(jié)果如圖6所示,可以看出:本斷面左拱腰外側(cè)位置的混凝土內(nèi)應(yīng)力量測值最大,最大值為9.83MPa;左拱腰內(nèi)側(cè)、拱頂外側(cè)、右拱腰外側(cè)、右拱腰內(nèi)側(cè)、左邊墻外側(cè)、左邊墻內(nèi)側(cè)、右邊墻外側(cè)、右邊墻內(nèi)側(cè)部位混凝土內(nèi)應(yīng)力最大值分別為:-2.27、2.04、4.58、3.81、0.69、2.52、-1.02、0.72MPa。在左拱腰內(nèi)側(cè)及右邊墻外側(cè)出現(xiàn)了拉應(yīng)力,但應(yīng)力值相對較小,總體而言,各埋設(shè)點的應(yīng)力均小于混凝土設(shè)計強度。1.2.2格柵部位應(yīng)力分析K23+715斷面所處圍巖巖性為粉砂質(zhì)泥巖,隧道埋深約為65m。按埋設(shè)順序,其測試結(jié)果和綜合分析如下所述。1)圍巖與噴射混凝土層間接觸壓力測試結(jié)果如圖7所示,可以看出:從K23+175斷面圍巖與噴射混凝土間均以壓應(yīng)力為主,且壓應(yīng)力值較小,表明單層襯砌與圍巖共同變形釋放了部分圍巖壓力。斷面左拱腰位置的接觸壓力最大值為0.294MPa;右拱腰最大值為0.107MPa;拱頂最大值為0.034MPa;左側(cè)邊墻部位的接觸壓力最大值為0.031MPa,左側(cè)邊墻部位的接觸壓力最大值為0.045MPa。2)格柵鋼架內(nèi)主筋應(yīng)力測試結(jié)果如圖8所示,可以看出:斷面各埋設(shè)點的格柵鋼架應(yīng)力量測值都為負(fù)值,左拱腰外側(cè)、左拱腰內(nèi)側(cè)、拱頂外側(cè)、拱頂內(nèi)側(cè)、右拱腰外側(cè)、右拱腰內(nèi)側(cè)、左邊墻外側(cè)、左邊墻內(nèi)側(cè)、右邊墻外側(cè)、右邊墻內(nèi)側(cè)部位鋼支撐應(yīng)力最大值分別為:0.7、0.75、0.45、0.49、1、0.71、0.14、0.28、0.22、0.28MPa;右拱腰外側(cè)位置的格柵鋼架主筋應(yīng)力量測值最大,其值為1MPa。總體而言,格柵鋼架主筋的應(yīng)力值均較小,表明格柵鋼架、噴射混凝土和圍巖在共同變形過程中,分擔(dān)的力較少。3)噴射混凝土內(nèi)應(yīng)力測試結(jié)果如圖9所示,可以看出:斷面各測點的量測值在施工完成30d后基本趨于穩(wěn)定,左拱腰外側(cè)、左拱腰內(nèi)側(cè)、拱頂外側(cè)、右拱腰外側(cè)、右拱腰內(nèi)側(cè)、左邊墻外側(cè)、左邊墻內(nèi)側(cè)、右邊墻外側(cè)、右邊墻內(nèi)側(cè)部位混凝土內(nèi)應(yīng)力最大值分別為:3.04、0.31、6.99、2.51、2.72、0.73、2.76、0.01、1.59MPa。在所有監(jiān)測部位中,拱頂外側(cè)的混凝土內(nèi)應(yīng)力量測值為最大,其值為6.99MPa?？傮w而言,各埋設(shè)點的應(yīng)力均小于混凝土設(shè)計強度。4)錨桿軸力量測為掌握錨桿的受力特征,在斷面K23+715的拱頂、左、右拱腰分別安裝了錨桿軸力計進(jìn)行現(xiàn)場測試,圖10、圖11及圖12分別為左拱腰、右拱腰及拱頂錨桿的軸力實測值?？梢钥闯?隨著時間的推移,左拱腰部位的錨桿軸力性質(zhì)會發(fā)生轉(zhuǎn)化,主要表現(xiàn)為臨空面?zhèn)戎铃^桿中部的軸力會由初期的受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài);而在遠(yuǎn)離隧道一側(cè)錨桿端部的軸力一直保持為受拉;實測的軸力值中,最大壓力值為0.34kN,最大拉力值為0.3kN。同樣,右拱腰的錨桿軸力亦會隨著時間的推移,呈現(xiàn)與左側(cè)拱腰錨桿相同的軸力轉(zhuǎn)化;而在遠(yuǎn)離隧道一側(cè)錨桿端部的軸力一直保持為受壓;實測的軸力值中,最大壓力值為7.21kN,最大拉力值為0.29kN。而拱頂?shù)腻^桿從錨桿中部至臨空面?zhèn)韧瑯颖憩F(xiàn)為受壓向受拉轉(zhuǎn)化的特性;而在遠(yuǎn)離隧道一側(cè)錨桿端部的軸力一直保持為受拉;實測的軸力值中,最大壓力值為0.38kN,最大拉力值為0.33kN?？傮w而言,對于左拱腰及拱頂部位,軸力值無論正或負(fù),其絕對數(shù)值都很小,最大拉力值為0.32kN,最大壓力值為0.09kN,這主要是錨桿孔內(nèi)壓注的水泥砂漿在凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生的收縮引起的;而對于右拱腰部位,最大軸力值為7.21kN,且處于受壓狀態(tài),這是由于圍巖變形所引起的。2周邊收斂收斂特征檢測點放線點及其收斂速率監(jiān)控量測是地下工程、隧道工程施工中不可或缺的內(nèi)容,是新奧法施工的“眼睛”,隧道施工監(jiān)控量測為識別結(jié)構(gòu)工作狀態(tài),支護(hù)手段的合理性,施工方法的選擇及支護(hù)設(shè)計參數(shù)的可行性提供了現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐,在保證施工安全質(zhì)量的前提下,為后續(xù)隧道工程施工提供較好的經(jīng)驗支持。在關(guān)長山隧道單層襯砌試驗段,共布置了6個監(jiān)測斷面:K23+668、K23+683、K23+702、K23+726、K23+741、K23+759。在每個監(jiān)測斷面布置3個拱頂下沉點,2條水平測線,測線布置如圖13所示。K23+668斷面埋深約160m,監(jiān)測結(jié)果如下:1)周邊收斂收斂位移時間曲線和收斂速率時間曲線分別如圖14和圖15所示。上測線收斂值在測點埋設(shè)后的前11d呈快速增長,其值達(dá)8.493mm;而在第12~33d間,則屬緩慢增長階段;隨后,趨于穩(wěn)定狀態(tài),最終收斂值為11.704mm。下測線在測點埋設(shè)后的前6d,收斂值增長較快,累計為3.607mm,第7~16d時增長較為緩慢;隨后處于穩(wěn)定狀態(tài),最終收斂值為9.276mm。上測線收斂速率在測點埋設(shè)后的第2d增長最大,其值達(dá)到1.118mm,隨后總體呈逐漸減小趨穩(wěn)狀態(tài),最后趨于0.006mm;下測線收斂速率在測點埋設(shè)后的第2d增長最大,其值達(dá)到0.999mm,隨后總體呈逐漸減小狀態(tài),最后趨于0.006mm。2)拱頂下沉位移圖16和圖17分別為監(jiān)測斷面K23+668處的拱頂下沉位移-時間曲線和下沉速率-時間曲線。左、中、右3個測點下沉量在測點埋設(shè)后的第15d,累計值分別達(dá)8.87、9.45、8.85mm;在第16d后呈緩慢增長并趨穩(wěn),到下臺階開挖后第13d內(nèi),呈緩慢增長狀態(tài),隨后趨于穩(wěn)定階段,最后穩(wěn)定收斂值分別為13.46、13.80、13.17mm;3個測點在埋設(shè)后的前2d下沉速率最大,其值分別達(dá)到1.15、1.25、1.09mm,隨后總體則呈逐漸減小狀態(tài);下臺階開挖后出現(xiàn)繼續(xù)增長,隨后一段時間總體呈逐漸減小并回落,到下測點埋設(shè)第26d后,速率平均趨于0.003mm。3施工前后錨桿抗拉力測試從以上圖中各段監(jiān)測斷面混凝土噴層位移隨時間變化的曲線中可以看出:圍巖與噴射砼層接觸壓力量測值都為正值,均為受壓,測試值在施工結(jié)束后20d基本穩(wěn)定;格柵鋼架內(nèi)主筋大多承受壓力,且在施工完成后30d基本穩(wěn)定;噴射混