隧道开挖围岩支护结构受力过程分析

第１５卷　第７期　２０１５年　７月　中　国水运　Ｃｈ　ｉ　ｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ＶｏＩ．１５　ＪｕＩＹ　Ｎｏ．７　２０１５　隧道开挖围岩支护结构受力过程分析　曹小祥　（安徽省交通控股集团有限公司，安徽合肥２３００８８）　摘要：以岳西至武汉公路安徽段大坝沟隧道开挖工程为基础，对其隧道开挖过程中某监测断面的围岩与初支间压　力和初支与二衬间压力在开挖过程中的变化情况进行分析和讨论，重点分析在隧道开挖过程中初支与二衬所承担围　岩压力的变化过程及压力变化趋势。　关键词：隧道开挖；围岩压力；初支；二衬　中图分类号：Ｕ４５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７９７３（２０１５）０７—０２４９—０４　一、序言　实际隧道工程开挖时，隧道的荷载即为隧道支护结构所承　受的围岩的压力。主要指隧道开挖后，有开挖周边松动岩土的　自重所产生的底层压力。主要包括：主要荷载（底层压力，结　构自重等）、附加荷载（灌浆压力、局部落石）和特殊荷载（地　震，爆破荷载等）。围岩压力是指引起地下开挖空间的周围岩　体和支护变形或破坏的作用力Ｉ１】。是岩体受扰动产生应力重分　配中的围岩变形受到支护结构的阻挡而在支护与围岩的接触　面上所产生的压力。形成压力的原因是围岩的变形收到支护的　约束，而在支护和围岩的共同变形中所产生。这种变形可以使　围岩的塑性变形、挤压所引起的岩体塑性流动，以及膨胀Ｉ生岩　体的膨胀变形和岩体失效作用产生的蠕变等　】，这类变形的特　征可以不引起围岩的材料破裂，仍保持其完整陛。形变压力主　要体现在喷射混凝土或锚喷支护的接触压力上。　获得围岩压力的方法有多种，包括经验公式法、数值计　算法、实测法、实验方法等。由于实际工程地质条件复杂，　利用数值计算等方法难以满足实际隧道的情况，计算方法难　以应用；实验方法虽能获得较为规律性的结论，但误差较大，　且成本较高。因此，本文基于岳西至武汉公路大坝沟隧道开　挖工程的围岩与初支间压力和初支与二衬间压力实际测量　值，对隧道开挖过程中围岩施加于初支和二衬的压力变化情　况进行分析和讨论。　二、工程概况　１．工程位置　岳西至武汉公路安徽段工程项目，路线起点在岳西县城　西莲云乡接六安一潜山高速公路，向西经沙村、和平、戴家河，　设置７，Ｏ５０ｍ隧道（明堂山隧道）下到南山、再下到河图，　再向西经双畈、白帽、余河，终点在大枫树岭建隧道（隧道　长约２，３８０ｍ、皖境约１，１８０ｍ）与湖北段相接，路线全长　４７．２５ｋｍ，占地３，５９４亩，路基宽２４．５ｍ，设计车速　８０ｋｍ／ｈ。项目计划２０ｌ１年初开始建设，２０１４年底建成　通车，工期４年。　大坝沟隧道位于桩号Ｋ１２＋３４０－Ｋ１２＋７０７　（ＺＫ１２＋３３８．５￣ＺＫ１２＋７０５．５），为分离式小间距山岭隧道，　总体走向２５１。，与洞口段等高线接近垂直，最大埋深约　９０ｍ，隧道进出口端为山间冲沟或沟谷，有利于隧址区汇水　的排泄，山体植被茂密，以松树为主，隧址区进洞口附近有　少量民宅和耕地。隧道的主要特征参数如表１。　表１　隧道主要参数一览表　

２．工程地质条件　该隧道隧址区属于丘陵区，地面标高一般在　２７０．０－４１０．０ｍ之间，丘顶浑圆，丘坡自然坡度２０－５０。。　地质勘查区域范围内主要分布岩层为①粉质砂土、②　全风化　花岗片麻岩、②。强风化花岗片麻岩、②。中风化花岗片麻岩、　③　全风化花岗片麻岩、③　强风化花岗片③。麻岩和中风化花　岗片麻岩。其分布区域及围岩分级情况见表２。　三、隧道围岩压力测量方法　１．测点布置　根据工程特点，分别将隧道应力监测点布置于隧道监测　断面的左墙脚、左拱腰、拱顶、右拱腰、右墙脚五条纵向测　线（拱顶及左右两侧３０。、６０。线处）。测点布置位置如图　ｉ所示。　

图１　隧道应力监测断面测点位置布置图　收稿日期：２０ｉ５—０５—２４　作者简介：曹小祥（１９８６一），男，安徽人，硕士，安徽省交通控股集团有限公司工程师，毕业于大连海事大学。

　２．测量仪器　隧道围岩压力的测量仪器为土压力盒和频率计。压力盒　布设在围岩与初衬及初衬与二衬之间，即可测得围岩压力。　埋设压力盒时，要使压力盒的受压面向着围岩。在隧道壁面，　当测围岩施加给喷砼层的径向压力时，先用水泥砂浆或石膏　把压力盒固定在岩面上，再谨慎施作喷砼层，不要使喷砼与　压力盒之间有间隙，保证围岩与压力盒受压面贴紧。　

图２土压力盒安装位置示意图　３．监测原理　由于钢筋计安装时采用的是串联，因此，假定与钢筋计　连接的钢筋的轴力与钢筋计轴力相等；混凝土衬砌与钢筋有　较好的应变一致性，因此，混凝土的应变与钢筋的应变相等。　取隧道轴向单根钢筋轴向控制宽度ｂ（一般为钢筋中心　轴向间距）进行计算，每单位长度承载能力乘以１／ｂ的系数　进行计算。内外侧钢筋一侧受拉，一侧受压情况。　

图３内￣Ｉ＇ＮＮ筋一侧受拉，一侧受压，处于弹性状态　图３所示，对钢筋轴力的监测，我们能从下面的关系式　得到混凝土的受力情况。根据轴力确定中性轴的位置：混凝　土应变与钢筋应变保持一致。根据以下关系式计算钢筋应变：　Ⅳ．　受拉钢筋应力：　—　手７，ｄ为钢筋直径。受压钢筋应　’。。／４　Ⅳ　Ｏ－　Ｏ－　力：　，计算钢筋的应变：￡　￡　／４　．　其中：　一受拉钢筋应变；　一受压钢筋应变；　’　一　钢筋弹性模量。　，一受拉侧钢筋轴力，取正值；Ｎ、　一受压　侧钢筋轴力，取正值；ｄ一钢筋直径。　如图３，根据三角形相似原理，有以下关系式：　：　ｈ０一Ｘ—ａ　整理得：　一　，（ｈ　ｏ—ａ）　Ｘ　＝————　—　———　———————二　ｏ　ｌ七Ｏ一　其中：ａ一受拉侧钢筋保护层厚度；ｈｏ一衬砌截面有效　高度，　＝ｈ～ａ’；ｈ一截面高度；ａ　～受压侧钢筋保护层厚　度；　一中性轴至受拉侧钢筋外侧的距离。　根据监测钢筋轴力，即可计算处衬砌所承受的弯矩。　四、隧道开挖围岩压力释放过程　１．围岩与初支压力分布　为具体说明问题，本文主要对监测断面ＺＫ１２＋６６０的围　岩与初支间压力及初支与二衬间的压力在施工的各个阶段的　变化情况进行讨论。该断面埋深为５９．４７ｍ，围岩级别为Ｖ　级，斜坡地形，隧道穿越分之粘土及全一中风化花岗片麻岩。　粉质粘土受雨水浸泡易软化；全风化层呈砂土状，强风化层　岩质软，手捏易碎成粉末状和砾砂状、少量碎块状；中风化　层岩质较硬一坚硬，岩体破碎一较破碎，附近发育Ｐ　韧性剪　切带。该断面围岩与初支压力随时间的变化曲线如图４所示。

　第７期　曹小祥：隧道开挖围岩支护结构受力过程分析　

０　５０　１ＯＯ　１５０　２００　２５０　３００　３５０　４００　测量时间（ｄ）　图４断面ＺＫ１２＋６６０围岩与初支压力变化曲线　由图４可知，监测断面ＺＫ１２＋６６０的围岩与初支的压力　一般经过先增大，再减小，之后逐渐增加并趋于稳定的变化　过程。在监测开始阶段，围岩与初支压力值显著升高，其变　化速率平均值较大，为２　１．４９ｋＰａ／ｄ，此时围岩与初支间压　力值显著增高，最大值为７２．０５　ｋＰａ，但变化速率急剧减小，　最小值为０．８４ｋＰａ／ｄ；共后，各监测位置围岩与初支压力值　逐渐增大，但变化速率逐渐变缓，平均变化速率为　０．１２ｋＰａ／ｄ，持续约２００ｄ；其后，各监测位置围岩与初支　压力值逐渐趋于稳定，平均变化速率为０．０３ｋＰａ／ｄ。各监测　位置压力变化速率如５所示。　

ｏ　５Ｏ　１ＯＯ　１５Ｏ　２ＯＯ　２５Ｏ　３ＯＯ　３５Ｏ　４ＯＯ　监测时间（ｄ）　图５断面ＺＫ｜２＋６６０围岩与初支压力变化速率曲线图　由上图可知，监测断面ＺＫ１２＋６６０各监测位置的围岩与　初支压力变化速率在监测初期较大，随着隧道开挖的进行，　各监测位置变化速率波动变化且逐渐变小，最终趋于平衡，　压力平均变化速率最大值出现在左拱腰处，其值为　３４．５ｋＰａ／ｄ。这表明在监测初期，各监测断面压力已发生变　化，且随着隧道开挖的进行，监测断面围岩与初支压力变化　逐渐减小，一般在监测开始后１　２０ｄ以后各监测位置的变化　速率基本小于０．５ｋＰａ／ｄ，此时可认为围岩与初支的压力基　本稳定。此后，围岩与初支压力缓慢变化，各监测位置稳定　后最终压力值如表３所示。　表３各监测断面围岩与初支压力最终值　

由上表可知，隧道稳定后，隧道内部各位置围岩与初支　压力分布不均匀，其左拱脚、左拱腰及拱顶位置压力较大，　右拱腰和右拱脚围岩与初支压力较小。　２　初爻与二祷医尢分布　同样以断面ＺＫ１２＋６６０各监测位置的初支与二衬间压　力为例，其变化情况如图６所示。　

图６断面ＺＫ１２＋６６０初支与二衬压力变化曲线图　由图６可知，监测断面ＺＫ１２＋６６０的初支与二衬压力一　般经过先急剧增大，再减小，之后显著增加最后趋于稳定的　变化过程。在监测开始阶段，围岩与初支压力值显著升高，　平均变化速率为１４．３３ｋＰａ／ｄ，这一阶段持续时间较短，约　７ｄ；共后，各监测位置围岩与初支压力值显著增大，但变化　速率改变较缓，平均变化速率为０．４８ｋＰａ／ｄ，持续约２０ｄ；　其后，各监测位置围岩与初支压力值仍逐渐增大，平均变化　速率为０．０６ｋＰａ／ｄ，此时压力趋于稳定。各监测位置压力变　化速率如７所示。　

图７断面ＺＫ１２＋６６０初支与二衬压力变化速率曲线图　由上图可知，监测断面ＺＫ１２＋６６０各监测位置的初支与　二衬压力的变化速率在监测初期较大，随着隧道开挖的进行，　各监测位置变化速率波动变化且逐渐变小，最终趋于平衡，　最大值出现在左拱腰处，其值为１　５．０ｋＰａ／ｄ。这表明在监测　初期，各监测断面压力已发生变化，且随着隧道开挖的进行，　监测断面围岩与初支压力变化速率急剧减小，一般在监测开　始后３０ｄ以后各监测位置的变化速率基本小于０．５ｋＰａ／ｄ，　此时可认为围岩与初支的压力基本稳定。此后，围岩与初支　压力缓慢变化，各监测位置稳定后最终压力值如表４所示。　表４各监测断面围岩与初支压力最终值　

由上表可知，隧道稳定后，隧道内部各位置初支与二衬　压力分布不均匀，其左拱脚和左拱腰位置压力较大，拱顶、　右拱腰和右拱脚初支与二衬压力较小。　３．初衬与二衬承受围岩压力分布　由以上两节可知，随着隧道的开挖，围岩与初支和初支　与二衬间的压力都是先急剧增大，随后波动变化，压力值显　∞　∞　∞　０　固面　ｖ哥糟　薄　阜　鄯母　２５２　中国水运　第１５卷　著增加，最后逐渐趋于稳定的；同时，两者的变化速率也都　是在开挖初期较大，其后显著减小，波动变化，最后趋于稳　定，直至隧道稳定，即两者的变化趋势大体一致。但从数值　来看，初支与二衬间压力明显低于围岩与初支间的压力。隧　道稳定后监测断面各监测点的压力值如表５所示。　表５初衬及二衬压力分布　

由以上压力数据变化情况及压力分布可知，在监测开始　前，隧道围岩压力已经开始发生变化，在初支施作的初始阶　段，围岩压力施加于初支上，围岩与初支间压力显著增大，　其变化速率达到２　１．５ｋＰａ／ｄ；随着隧道开挖的进行，在监测　开始后７ｄ内其变化速率平均值急剧降低至０．８４ｋＰａ／ｄ，但　其值仍逐渐增大，这表明随着初支结构强度的不断增加，其　对围岩的变形起到了限制作用，初支结构较好地承担了隧道　围岩的应力释放，并随着隧道围岩发生变形并承担围岩压力。　其后，由于施工扰动等影响，围岩与初支间压力的变化速率　上下波动，但围岩与初支压力总体缓慢上升，压力变化速率　较小；在１５０ｄ左右，围岩与初支间压力平均值为８０．２９　ｋＰａ／ｄ，变化速率平均值为０．４　ｌｋＰａ／ｄ，表明围岩与初支间　轴力仍逐渐加大。同时，此时隧道的二衬结构开始布设，并　逐渐承受围岩压力。二衬布设初期，其值变化较快，其平均　变化速率为９．６８ｋＰａ／ｄ，之后其变化速率急速下降，但初支　与二衬间的压力逐渐升高。由图６和图７可知，初支与二衬　（上接第２４８页）