基于实测数据的穿越软塑黄土...隧道围岩与支护动态作用机制_来弘鹏.pdf

第 卷第期 年月交 通 运 输 工 程 学 报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）作者简介：来弘鹏（），男，山西平遥人，长安大学教授，工学博士，从事隧道及地下工程研究。引用格式：来弘鹏，赵铭坤，刘禹阳，等基于实测数据的穿越软塑黄土层大断面隧道围岩与支护动态作用机制交通运输工程学报，（）：，（）：文章编号：（）基于实测数据的穿越软塑黄土层大断面隧道围岩与支护动态作用机制来弘鹏，赵铭坤，刘禹阳，洪秋阳，黄鹏志，沈鹏翔（长安大学 公路学院，陕西 西安 ；长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 ；广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 ；中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 ）摘要：选取软塑黄土层分布于隧道拱顶、洞身和隧底组典型断面开展实测研究，分析了软塑层影响下的围岩变形特征、支护结构力学特征及其差异性，提出了基于实测数据确定支护特性曲线的方法，揭示了软塑黄土层影响下的围岩与支护动态作用机制，给出了相应的防控理念及措施。分析结果表明：隧道围岩变形由大到小依次为软塑黄土层分布于拱顶段、洞身段和隧底段；软塑黄土层分布于拱顶段支护结构拱肩和边墙脚、洞身段拱腰及其以下位置、隧底段拱部和仰拱承受较大围岩压力作用；支护结构承受主要荷载来压方向不同、围岩应力随开挖步序释放率不同及地下水渗流路径不同是组断面支护结构应力存在差异的直接原因；软塑黄土层分布于拱顶和洞身段时，围岩超前应力释放率约为，上台阶开挖支护结构力学性能迅速恶化，软塑黄土层分布于隧底段时，下台阶开挖软塑黄土层对支护结构将产生显著影响；针对上述类工况，提出的强支护、控侧压和防突沉的防控理念及超前帷幕注浆、大锁脚和基底袖阀管注浆等施工控制措施可有效避免施工灾害的发生。关键词：隧道工程；软塑黄土层；现场监测；围岩支护特性曲线；作用机制；防控措施中图分类号：文献标志码：，（，；，；，；，）：，交通运输工程学报 年 ，：；：（），：（，）引言黄土作为一种特殊土，具有大孔隙、垂直节理发育和水敏特性。黄土隧道围岩一旦浸水达到或接近饱和状态，其工程性质将发生显著变化，施工中普遍出现地表裂缝、衬砌开裂和围岩失稳等灾害。但由于中国黄土隧道建设起步较晚，富水地区隧道结构设计理论与围岩条件适应性差，严重制约着中国黄土地区隧道建设的高质量发展。近 年来，国内外众多专家学者针对黄土隧道工程开展了大量且富有成效的研究，提出了多种隧道设计理论与方法。围岩与支护结构的相互作用关系作为隧道支护结构设计的核心问题受到长期关注，其研究主要集中在理论解析、数值计算和现场监测等个方面。在理论解析方面，谷拴成将有限元与边界元进行了耦合，得出了衬砌与围岩的相互作用关系；吴顺川等对围岩和衬砌分别采用屈服准则和双线性本构模型，推导了广义载荷作用下巷道围岩和衬砌相互作用解析解，研究表明当围岩和衬砌进入塑性阶段后，支护体系将进入不稳定状态；何川等基于 准则，针对盾构隧道施工力学行为，获得了考虑渗流效应影响的围岩与衬砌结构相互作用的弹塑性解，并验证了解析方法的准确性。但以上解析方法主要针对圆形洞室，多用于支护结构的预设计阶段。在数值计算方面，等考虑岩体应变软化特性，采用有限差分法研究了在理想弹脆性和弹脆性材料中开挖隧道围岩与支护的协同作用；张素敏等 采用平面有限元法对隧道支护体系进行了模拟分析，结合相关实测资料，分析了围岩与支护的作用过程及稳定状态。但数值计算结果受制于模型的选择和参数的选取。在现场监测方面，来弘鹏等 依托青土岘隧道、新庄岭隧道、大有山隧道等工程开展了大规模现场实测工作，研究了黄土隧道围岩压力分布规律及衬砌结构受力特征；扈世民等 以兰渝铁路大断面黄土隧道为背景，指出了边墙和拱第期来弘鹏，等：基于实测数据的穿越软塑黄土层大断面隧道围岩与支护动态作用机制底为初支拱圈的薄弱位置；陈建勋等 依托座单洞两车道分离式黄土隧道，明确了黄土隧道围岩变形经历急剧变形持续增长缓慢增长三阶段发展特征。现场监测手段作为新奥法施工技术的关键环节，准确度 高，所获 取 的 参 数 物 理 意 义 明确，对于认识围岩与支护结构作用规律具有较强的适用性。收敛约束法被认为是研究隧道围岩与支护结构动态作用规律的有效手段，其中围岩特性曲线和支护特性曲线的合理确定决定了分析问题的精度。在围岩特性曲线确定方面，侯公羽等 采用围岩理想弹塑性模型、弹脆塑性模型、弹塑性应变软化模型等得到了围岩特性曲线的解析解，但该方法受制于土体复杂本构模型的限制；郑雨天等 提出了采用实测手段确定围岩特性曲线的思路，但由于现场测试工作量大，实际应用较少；阿比尔的等 采用数值计算反向释放荷载法求解得到了围岩特性曲线，克服了理论解析手段难以考虑复杂围岩岩性的影响。在支护特性曲线获取方面，陈峰宾等 将收敛约束原理应用于黄土隧道初支结构稳定性分析中，采用理论公式求解得到了支护特性曲线。但众多研究表明，传统支护特性曲线确定方法仍存有缺陷，如：常刚度计算方法无法反映围岩和喷射混凝土等力学性能随时间动态变化特征，组合支护理论计算公式提供的总抗力增大但总位移却减小等，这与工程实践及新奥法的力学概念不符。以上关于黄土地区隧道围岩与支护结构作用基础数据、基本方法、基本规律的认识对于提高黄土隧道设计理论及修筑水平具有指导意义。但上述分析大多针对一般黄土地层，对于软塑 黄土层，特别是软塑层分布于隧道不同空间位置的围岩变形和受力特点鲜有研究，同时，传统方法求解支护特性曲线存在缺陷，最终导致对于软塑地层影响下的隧道围岩与支护动态作用机制认识不准。本文以银西高铁上阁村隧道工程为依托，选取软塑层分布于隧道拱顶、洞身和隧底组典型断面，对围岩变形及支护结构受力开展实测研究，分析了上述地质区段支护结构变形、受力特征及其差异性，提出了基于实测数据确定支护特性曲线的方法，揭示了软塑层影响下的围岩与支护动态作用机制，明确了相应的防控理念及处治措施。研究成果对于完善收敛约束设计方法，实现隧道穿越类似地层下的支护结构定量化设计具有参考价值。工程概况银西高铁线路穿越中国现存面积最大和土层最厚的黄土塬 董志塬。董志塬被称为天下黄土第一塬，面积达 ，见图。图上阁村隧道地质特征 依托工程上阁村隧道是银西高铁的控制性工程之一，位 于甘 肃省 庆 阳市 宁县 境 内，隧道全 长为 ，开挖断面约为 ，开挖跨度为 ，属于一座单洞双线隧道。级围岩地质区段支护参数设计见图。施工采用三台阶七步开挖法，上台阶长度为，中、下台阶长度为，级围岩地质区段仰拱、二次衬砌距离掌子面分别不大于 和。隧道西安端洞口位于深切沟谷陡峻斜坡上，埋深约为 ，银川端洞口位于街上村黄土塬顶，埋深约为 ，设计纵坡采用 的单面上坡。受线路走向等因素影响，隧道不可避免地穿越了塬面以下一定范围富水软塑黄土层，见图。隧道施工涉及多种地层，其中第四系上更新统黄土分布于黄土塬表层，厚度约为，土体疏松，垂直节理发育；第四系中更新统 黄土分布于塬表层上更新统地层下部，为隧道洞身主要地层，厚度大于 ；地下水位线埋深约为 ，水位线附近分布有软塑黄土层，层厚为，土体含水率大于，通过室内试验测得其物理力学参数见表。交通运输工程学报 年图级围岩支护参数 图上阁村隧道纵断面及监测断面布置 表软塑黄土物理力学指标 参数天然含水率天然密度（）干密度（）颗粒密度（）天然孔隙比饱和度液限指数塑限指数 压缩系数 弹性模量 内摩擦角（）黏聚力 软塑黄土 第期来弘鹏，等：基于实测数据的穿越软塑黄土层大断面隧道围岩与支护动态作用机制现场测试方案选取软塑层分布于隧道拱顶、洞身和隧底组典型断面，开展围岩变形及支护结构受力实测工作，测试断面埋设位置见图，测点布设方式见图，为测点编号。围岩变形监测内容包括拱顶沉降及水平收敛部分，支护结构受力监测内容包括围岩压力、初期支护应力和二次衬砌应力。表给出了具体的监测内容、测量仪器、仪器布设位置和读测频率等信息。图测点布设位置及编号 测试结果及分析 围岩变形测试结果分析 拱顶沉降图为软塑层分布于隧道拱顶、洞身、隧底和无软塑 层 影 响 下 的 典 型 断 面 拱 顶 沉 降 曲 线。分 析图可知：当软塑层分布于拱顶时，支护结构拱顶累计沉降为 ，远大于其他类工况；受软塑层影响，拱部土体承载拱效能减弱甚至消失，掌子面开挖 内，围岩应力释放率高，拱顶沉降曲线处于急剧变形阶段；仰拱封闭后拱顶沉降速率趋缓，且在 左右趋于稳定；当软塑层分布于洞身时，上、中台阶开挖，钢拱架立于洞身软塑层之上，拱顶沉降较大，仰拱开挖时，隧底支护结构已处于高含水率土体中，对应拱顶沉降稳定时间约为，累计沉降为 ；当软塑层分布于隧底时，上、中台阶开挖拱顶沉降速率较缓，相似于与无软塑层影响下的拱顶沉降规律；受隧底软塑层影响，下台阶开挖后拱顶沉降持续增大，沉降稳定时间约为，累计沉降为 。表现场监测方案及内容 编号监测内容测量仪器布设位置读测频率拱顶沉降周边收敛围岩压力初期支护混凝土应力二次衬砌混凝土应力全站仪、膜片式回复反射器 型振弦式土压力盒（频带约为 ）型振弦式应变计（频带约为 ）拱顶沉降测点设置于隧道拱顶中轴线位置，见图每台阶设置一条水平测线，文中提取了中台阶测线的收敛结果，见图每个监测断面布设有 个压力盒、个混凝土应变计，测点布设位置及编号见图与开挖面距离（），每天次；（），每天次；（），每天次；大于，每周次，为隧道宽度距仪器埋设时间，每天次；，每天次；大于，每周次 水平收敛图为软塑层分布于隧道拱顶、洞身、隧底和无软塑层影响下的典型断面水平收敛曲线。分析图可得：当软塑层分布于拱顶时，中台阶开挖内，交通运输工程学报 年图隧道拱顶沉降曲线 图隧道水平收敛曲线 围岩水平收敛速率快，左右水平收敛趋于稳定，累计收敛为 ；当软塑层分布于洞身时，洞身软塑层对支护结构挤压作用强烈，中台阶开挖 内，围岩水平收敛曾一度大于软塑层分布于拱顶段，此工况围岩水平收敛历时 左右趋于稳定，累计收敛为 ；当软塑层分布于隧底时，下台阶开挖围岩水平收敛性差，相比于无软塑层影响下的围岩水平收敛变形曲线，收敛稳定时间将近，累计收敛为 。围岩压力测试结果分析图为组测试断面二次衬砌施作后初期支护所承受的围岩压力时空分布。分析图可得：当软塑层分布于拱顶时，隧道上方较大范围内土体几乎不具备承载能力，大量土体松动荷载直接作用于隧道结构上，致使初支拱肩及边墙脚承受大部分垂直荷载作用；当软塑层分布于洞身时，支护结构拱腰及其以下位置承受较大围岩压力；当软塑层分布于隧底时，其围岩压力量值在类工图围岩压力时空分布 况中最小，最大围岩压力位于左侧拱肩，隧底承受分布相对均匀的荷载。第期来弘鹏，等：基于实测数据的穿越软塑黄土层大断面隧道围岩与支护动态作用机制 支护结构应力测试结果分析组测试断面初期支护与二次衬砌应力测试结果分别见图、。图初期支护应力时空分布 图二次衬砌应力时空分布 分析组断面初期支护应力分布曲线（图）可知：组断面初期支护混凝土承受最大压应力多见交通运输工程学报 年于拱顶，拱顶为初支拱圈中较为薄弱的环节；当软塑层分布于拱顶时，初期支护拱肩和仰拱两侧应力较大，拱顶测试原件损坏；当软塑层分布于洞身时，支护结构上部承受较大压应力作用；当软塑层分布于隧底时，支护结构拱部受力小于前两类工况，但受两侧边墙脚下沉，仰拱中心土体向上挤压等影响，实测初支仰拱中心混凝土受拉。分析组断面二次衬砌应力分布曲线（图）可知：组断面二次衬砌应力整体表现出下大上小的规律，二次衬砌混凝土基本受压，且远小于 混凝土极限抗压强度，表明现阶段支护结构力学体系是稳定的。支护结构应力差异性影响因素分析组测试断面埋深接近、断面大小一致、施工工法相似，分析类工况支护结构应力差异性，主要是由于软塑层分布位置不同致使支护结构承受主要荷载来压方向不同、围岩应力随开挖步序释放率不同及地下水渗流路径不同综合引起的。支护结构承受主要荷载来压方向不同根据围岩压力实测数据，结合现场调研可以直观发现，软塑层分布位置的不同致使支护结构承受来自不同方向的主要荷载。具体表现为：当软塑层分布于拱顶时，支护结构主要受压方向来自上部软塑层垂直荷载作用，实测拱部结构受压接近 ，现场可见初支拱部发生塑性屈服及混凝土开裂，