董云松

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

隧道初期支护的变形、破坏主要是由于初期支护在围岩压力的作用下,其内应力超过其强度引起的,围岩压力的大小和分布直接影响隧道初期支护的稳定性[1]。我国现行《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)中深埋隧道的围岩压力按松散压力计算[2],并未考虑膨胀压力、构造残余应力等对围岩压力的影响。

地质复杂地区的深埋隧道(或深埋段),围岩压力由于受构造残余应力的影响,其大小、分布与《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)计算的松散压力差异较大,相应地,初期支护的内力大小及分布,变形、破坏特点也不同。

随着我国铁路的大规模建设和技术标准的不断提高,复杂地质地区修建的长大隧道越来越多,隧道埋深也越来越大,为适应上述铁路建设的新形势,在隧道设计和施工中考虑构造残余应力的影响十分必要。大量的应力测试结果表明：埋深较大的隧道地层中赋存着以水平方向为主的构造残余应力,应力历史及大小直接关系到隧道开挖后作用在支护结构上围岩压力的大小及分布[3～5]。因此,研究不同侧压比(水平向围岩压力与竖向围岩压力的比值)下隧道初期支护的内力分布特点,变形、破坏特征及其稳定性具有十分重要的现实意义。研究成果对复杂地质条件下深埋隧道的设计、施工具有重要的指导意义。

本文以龙厦铁路象山特长隧道深埋段实测围岩压力为基础,系统分析了不同侧压比下隧道初期支护的内力分布特点,稳定性及变形、破坏特征。

2 围岩压力分布特点

象山特长隧道采用左、右单洞单线、两条隧道并行的方案。隧道穿越区域位于大田—龙岩拗陷带之广平—龙岩复式向斜和政和—大埔深大断裂上,隧址区地质构造复杂,褶皱、断裂极其发育[6]。为掌握隧道深埋段围岩压力的分布特点,特选取典型地段进行围岩压力测试。

测试地段隧道埋深600～650 m,围岩等级为Ⅳ级；隧道开挖后掌子面构造形迹明显,褶曲、小断层非常发育(图1),大部分地段地下水不发育,局部地段渗水量大。

图1 测试地段围岩层薄、构造形迹明显

2.1 围岩松散压力

现行《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)规定,深埋隧道围岩压力按松散压力考虑。松散压力是开挖引起的松动、塌落岩体作用在支护上的压力,具有顶压大、侧压小的特点。

按照《铁路隧道设计规范》松散压力的计算方法,水平压力e与垂直压力q的比值如表1所示[2]。测试地段(Ⅳ围岩,容重21.5 kN/m3,隧道宽B=9.1 m)按规范计算的松散压力分布如图2所示。

表1 水平压力e与垂直压力q的关系[2]

图2 围岩松散压力分布(单位：kPa)

2.2 实测围岩压力与松散压力的对比

在测试地段共布置了12个监测断面。围岩压力采用振弦式双膜土压力盒(量程2.0 MPa,灵敏度0.001 MPa)进行量测。部分监测断面的实测围岩压力分布如图3所示。

图3 部分断面实测围岩压力分布(单位：kPa)

将实测围岩压力与松散压力对比可得如下基本结论：

(1)总体而言,测试地段实测围岩压力比Ⅳ级围岩条件下按《铁路隧道设计规范》计算的松散压力大；

(2)实测拱顶围岩压力(88.0～320.1 kPa)是松散压力(109.1 kPa)的0.8～2.93倍；实测水平向围岩压力(25.9～530.0 kPa)是松散压力(32.7 kPa)的0.8～16.2倍；

(3)就围岩压力实测值与松散压力的比值而言,水平方向的明显比竖向的大；

(4)大多数断面实测围岩压力的分布并未呈现出松散压力顶压大、侧压小的特点。

围岩压力的实测结果以及测试地段构造形迹明显、地下水水位高、围岩结构面发育但地下水不发育的特点均表明：测试地段初期支护所受围岩压力除松散压力外,还有比松散压力大得多的构造残余应力。

3 初期支护内力随侧压比的变化

构造残余应力的存在将使初期支护所受的水平向围岩压力明显增大、水平向与竖向围岩压力的比值(侧压比)增大。受其影响,初期支护的内力大小及分布、变形、破坏特点也将发生相应的改变。

为揭示不同侧压比下初期支护的内力分布及变形、破坏特点,将不同侧压比下的围岩压力作用在初期支护上建立初期支护内力计算的数值模型,计算初期支护的弯矩和轴力。

测试地段围岩等级为Ⅳ级,初期支护采用150型格栅钢架和25 cm厚C25喷射混凝土。格栅钢架间距1.2 m、主筋为4根φ22 mm的HRB335钢筋。

与水平向围岩压力相比,由于竖向围岩压力实测值与按《铁路隧道设计规范》计算的松散压力总体差别不大,所以计算时竖向围岩压力的数值取其等于松散压力。考虑到初期支护未成环前的受力状态最不利、稳定性最差,为使计算结果对施工更有指导意义,以初期支护未成环的工况进行计算。

象山特长隧道深埋段Ⅳ级围岩、不同侧压比下初期支护未成环前的弯矩、轴力计算结果如图4～图9所示。

图4 侧压比为0.2时初期支护的内力分布

图5 侧压比为0.4时初期支护的内力分布

图6 侧压比为0.6时初期支护的内力分布

由图4～图9可看出：

(1)侧压比小于0.6时,拱顶弯矩随侧压比的增加逐渐减小；当侧压比为0.6时,拱顶弯矩由使截面内侧受拉、外侧受压变为内侧受压、外侧受拉,随后,拱顶弯矩随侧压比的增加逐渐增大；拱顶轴力随侧压比的增加不断增大；

图8 侧压比为1.0时初期支护的内力分布

图9 侧压比为1.4时初期支护的内力分布

(2)侧压比小于0.6时,拱腰弯矩随侧压比的增加逐渐减小；当侧压比为0.6时,弯矩由使截面内侧受压、外侧受拉变为内侧受拉、外侧受压,随后,拱腰弯矩随侧压比的增加逐渐增大；侧压比的变化对拱腰轴力的影响不大；

(3)当侧压力比为0.8时,边墙弯矩由使截面内侧受压、外侧受拉变为内侧受拉、外侧受压,随后,边墙弯矩随侧压比的增加不断变大。侧压比的变化对边墙轴力的影响不大。

4 初期支护稳定性随侧压比的变化

在初期支护内力计算的基础上,按照《铁路隧道设计规范》的方法可对不同侧压比下初期支护的稳定性进行计算。初期支护安全系数随侧压比的变化如图10所示。

图10 初期支护安全系数与侧压比的关系

由图10并结合图2～图9可看出：

(1)侧压比<0.35时,拱顶、拱腰处安全系数最低(大于1.5、但小于3.0),初期支护未成环前变形、破坏的关键部位为拱顶和拱腰,最可能的破坏形式为拱顶下沉量大,拱顶、拱腰初期支护内侧(临空侧)钢筋鼓出、喷射混凝土拉裂。

(2)侧压比=0.35～0.65时,初期支护的安全系数大于3,处于稳定状态。

(3)侧压比=0.65～0.85时,拱顶的安全系数最低且小于1.0,初期支护未成环前变形、破坏的关键部位为拱顶,但破坏形式为拱顶内侧(临空侧)压屈,表现为边墙收敛大、拱顶及其附近喷射混凝土片状剥落。图3(b)断面右拱腰至拱顶段喷射混凝土剥落情况如图11所示。

图11 YDK27+843.3断面拱顶喷射混凝土剥落

(4)侧压比>0.85时,初期支护未成环前的安全系数均小于1.0且随侧压比的增加不断减小；拱顶、边墙的安全系数最低,初期支护最可能的破坏形式为拱顶内侧(临空侧)压屈,边墙内侧钢筋鼓出、喷射混凝土拉裂。图3(a)断面初期支护边墙破坏情况如图12所示。

图12 YDK27+930.7断面边墙钢筋鼓出、喷射混凝土剥落

5 结论

本文在象山特长隧道深埋段围岩压力测试结果分析的基础上对不同侧压比下初期支护未成环前的内力分布、稳定性及变形、破坏特点进行了计算和分析,取得了如下主要结论。

(1)地质复杂地区的深埋隧道(或深埋段),围岩压力大小及分布与松散压力差别较大,初期支护的稳定性,变形、破坏特点与仅受松散压力作用下的明显不同。

(2)与象山特长隧道类似的Ⅳ级围岩、单线隧道初期支护未成环前的内力、稳定性计算结果表明：

①侧压比=0.35～0.65时,初期支护最安全；

②侧压比<0.35时,拱顶、拱腰处安全系数最低、最可能破坏；破坏形式为拱顶下沉量大,拱顶、拱腰初期支护内侧(临空侧)钢筋鼓出、喷射混凝土拉裂；

③侧压比=0.65～0.85时,拱顶安全系数最低且小于1.0,最可能破坏；破坏形式为拱顶内侧(临空侧)压屈,表现为边墙收敛大、拱顶及其附近喷射混凝土片状剥落。

④侧压比>0.85时,初期支护未成环前安全系数小于1.0且随侧压比的增加不断减小；拱顶、边墙最先破坏,破坏形式为拱顶内侧(临空侧)压屈,边墙内侧钢筋鼓出、喷射混凝土拉裂。

[1]朱维申,何满潮.复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学[M].北京：科学出版社,1996．

[2]TB10003—2005，铁路隧道设计规范[S].

[3]Brown E.T, Hoek E. Trends in Relationships between Measured in Situ Stresses and Depth. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1978，15(4):211-215．

[4]赵德安,陈志敏,蔡小林,等.中国地应力场分布规律统计分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(6)：1265-1271．

[5]孙卫春,闵 弘,王川婴.三维地应力测量及地质力学分析[J].岩石力学与工程学报,2008,27(A02)：3778-3784．