充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究_唐国军.pdf

第 卷 第期 年 月广西大学学报（自然科学版）（）收稿日期：；修订日期：基金资助：国家自然科学基金项目（）；广西自然科学基金重点项目（）；交通运输行业重点科技项目（）通讯作者：李卓峰（），男，广西贺州人，广西大学助理教授，博士；：。引文格式：唐国军，覃桢杰，马少坤，等充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究广西大学学报（自然科学版），（）：充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究唐国军，覃桢杰，马少坤，李卓峰，李金梅（广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 ；广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 ）摘要：为了研究溶腔充填黏土的岩溶隧道大变形换拱后衬砌的受力特性，根据三江至柳州高速公路大塘隧道施工过程中左线（）段围岩大变形换拱处置方案，采用现场测试与数值模拟的研究手段，分析了该类隧道围岩大变形情况下注浆换拱前后隧道初期支护及二衬的受力情况。结果表明：该类隧道发生大变形时拱顶部位变形最大，受力最大，拱脚处次之且局部受拉，拱腰最小，换拱后拱顶部位依然是受力最大点，拱脚受力减小；发生大变形后围岩注浆与支护时机是换拱处置方案有效性的主要影响因素，该类隧道处置应着重考虑提升围岩自身稳定性；注浆换拱后系统锚杆可起到加固围岩作用，同时隧道二衬作为主要受力结构与初期支护共同作用可减少支护结构约 的变形，是保证隧道长久稳定的主要因素。关键词：填充黏土型岩溶隧道；围岩大变形；换拱；衬砌应力；数值模拟中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，（），第期唐国军，等：充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究 ，：；引言近年来，随着国家基建事业的迅捷发展，高速公路修建热潮已辐射到地形复杂的西南地区，山区公路隧道工程建设进入了快速发展阶段，同时西南部云、黔、桂和川、鄂、湘部分地区岩溶十分发育，岩溶区公路隧道的岩溶灾害时有发生，种类甚多，大多会对隧道建设造成巨大的经济损失，甚至导致产生灾难性的后果。隧道洞身段岩溶发育且富含黏土填充物，对于岩溶区隧道来说是一种常见的地质灾害，隧道施工穿越该类地段时，施作初期支护后易出现大变形的情况，若处置不当则会诱发塌方及地表塌陷等严重问题。目前关于隧道围岩大变形的问题已有较多研究，其中围岩条件是影响隧道变形的关键因素之一。王志杰等 通过现场测试手段研究土砂互层隧道发生围岩大变形时的应力状态，指出地层差异引起的应力集中与施工措施缺乏针对性是导致大变形产生的主要原因，采用长钢管注浆及格栅钢架换拱的手段可以起到良好变形控制效果。赵志刚等 通过现场测试和数值模拟手段分析表明注浆加固可以有效控制黄土隧道围岩大变形。李玉平等 通过模拟数值计算证明了炭质板岩隧道采用锚杆加固围岩松动圈具有可行性。李磊等 研究了高地应力下陡倾层状千枚岩小净距隧道的大变形机理，提出调整施工工序的大变形控制方案。王睿等 通过理论推导与现场测试的手段对软岩大变形隧道系统锚杆参数取值进行了优化。刘志春等 根据现场测试与数值模拟手段提出了在软岩大变形隧道中以隧道极限位移值为基础判断隧道二衬施作时机的方法。由于隧道围岩大变形受围岩条件影响显著，不同情况下处置重点有较大差异，因此对于穿越填充黏土的岩溶区隧道围岩受力变形特征、处置控制措施、支护与围岩变形的相互作用机理等缺乏一定的研究。三江至柳州高速公路大塘隧道的溶洞发育范围贯穿整个隧道洞身，属于典型的岩溶区隧道，施工开挖过程中发生初期支护大变形，经过换拱得到有效控制。研究该隧道大变形围岩压力及换拱前后初期支护结构和二衬的应力、应变情况，对今后隧道穿越岩溶发育且黏土填充地段时处置大变形灾害具有一定的指导和借鉴意义。工程概况大塘 隧道位 于三 江至 柳州 高 速 公 路 柳 城 县 县 城 附 近，隧 道 设 计为 双 洞 分离 式隧 道，左 线长广西大学学报（自然科学版）第 卷 ，右线长 ，左、右线起讫桩号分别为 、，设计高程在 ，最大埋深 。隧道施工过程中先后遇到尺寸不一的溶洞 余个，其中左洞 段，埋深为 ，岩溶强烈发育，多发育溶蚀裂隙、溶洞，溶洞空间形态多呈漏斗状，岩体较破碎到较完整，充填物主要为软塑状黏土，如图所示。左洞 段施工期间发生大变形，导致严重侵限的病害，如图所示。年月 日，掌子面由大桩号方向开挖至 ，上部揭露为黑色黏土，拱顶向下约部分充填软塑性黏土，两拱脚处冒水，月 日掌子面开挖至 ，揭露溶洞填充物松散状黑色黏土，下台阶以软塑状黄色黏土为主，隧道底板松软，拱部及拱脚位置渗水严重，月日，段初期支护下沉收敛，出现裂缝，开挖至 ，隧道仍在溶洞范围内，业主组织进行安全讨论后决定封闭掌子面，然后从左洞进口端反方向施工开挖，月份开挖至封闭段后对大变形病害进行治理，处置措施为钢管桩加固基底防止拱脚下沉，超前注浆提升围岩力学参数，增加初支及二衬的厚度以确保结构强度，具体处置方案见表和图所示。图软塑状黏土填充物 图大变形（试验段隧道）表大塘隧道左洞 段施工情况 桩号溶洞填充物施工开挖情况支护形式基底处理 红色、灰色黏土夹石台阶法开挖，无异常情况 ，初支 ，二衬 无 黏 土 夹 石 逐 步 变成软塑状黏土单侧壁导坑法开挖，初期支护稳定 ，初支 ，二衬 软塑状黏土单侧壁导坑法开挖，初期支护出现不同程度下沉 ，初支 ，二衬 软塑状黏土单侧壁导坑法开挖，初期支护开裂，出现塌方，地表下沉原 方 案：，初支 ，二衬 大变形后：，初支 ，二衬 段采用钢管桩进行基底处理 红色、灰色黏土夹石台阶法开挖，无异常情况 ，初支 ，二衬 无第期唐国军，等：充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究图大塘隧道左隧道 工程处理 现场测试 测试方案为了研究大变形条件下换拱后受力规律，在左洞 大变形段中选取 、作为个典型的断面，对围岩压力、锚杆轴力、二衬混凝土应变、二衬钢筋应力进行详细监测，具体监测断面位置如图所示。围岩压力采用土压力盒监测，量程为 ；锚杆轴力采用测力锚杆监测，量程为 ；二衬混凝土应变采用混凝土应变计监测；二衬钢筋应力采用钢筋应力计监测，量程为 。监测频次均为每一次。每个典型断面的土压力盒、混凝土应变计、二衬钢筋应力计、测力锚杆的布置位置如图所示。根据围岩形态分布规律和拟监测值的分布特征来进行设计，应力变化较大的位置必须设置监测点，同时监测仪器的布置还应能体现出监测值沿着隧道断面分布情况，以便准确把握围岩压力和支护结构的内力分布形态。基于以上原则，土压力盒、混凝土应变计及钢筋计在每个断面上均选取个监测点，分别为拱顶处、拱腰处、拱脚处。对于测力锚杆，每个断面布置个测孔，每个测孔设置测力锚杆，每根测力锚杆由浅到深设置两个测点（即和）。图大塘隧道测试元件布置示意图 广西大学学报（自然科学版）第 卷 测试结果 围岩压力各断面围岩压力变化时态曲线如图所示。隧道围岩注浆后至换拱 左右的时间内，各部位围岩压力增长迅速，换拱初期岩体应力释放较快，施工换拱应循序渐进，若一次性换拱进尺过大易导致围岩应力释放过多，变形过大进而造成二次塌方；而在完成换拱至二衬施工后各断面的围岩压力呈现出缓慢增长态势，二衬施工完成个月后围岩压力趋于稳定，即支护与围岩协同变形后达到相对平衡状态。可以推测换拱后围岩变形有限，没有完全失去自稳能力。（）断面（）断面（）断面图围岩压力时态曲线 第期唐国军，等：充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究最终沿着断面的围岩压力分布状态（压为正，拉为负）如图所示。衬砌在换拱完成后至变形稳定期间，拱顶处的压力值处于 ，拱腰处压力值处于 ，拱脚处的围岩压力值介于 ，拱顶平均围岩压力最大，拱脚次之，拱腰处的最大围岩压力相比于拱顶与拱脚而言明显较小，围岩压力主要来自于拱顶与拱脚两侧，拱顶的围岩压力最为显著，在换拱期间应保证隧道拱顶的临时支撑措施，并加强两侧锁脚。换拱后初支所受围岩压力最大值为 ，在常规级深埋围岩压力理论计算值范围内，一般的级深埋支护型式可满足受力要求。综上分析可知，由于注浆后围岩强度提升，且围岩大变形已释放了部分围岩压力，初期支护受力较小，因此，提升围岩力学参数以及适度释放围岩压力，是保证大变形段落换拱后初期支护稳定的有效手段。（）断面围岩压力（）断面围岩压力（）断面围岩压力单位：图最终围岩压力示意图 锚杆轴力锚杆轴力的监测结果（压为正，拉为负）如图所示。换拱初期围岩变形速率较快，应力释放明显。与初支所受压力相对应，经过 后，其他部位锚杆轴力趋于稳定，只有拱顶部位近处锚杆轴力缓慢增长，并于二衬施工个月后趋于稳定。（）断面（）断面广西大学学报（自然科学版）第 卷（）断面图锚杆轴力时态曲线 锚杆轴力最终分布如图所示。锚杆所承受的应力大部分为拉应力，且位于围岩深处的锚杆测点拉应力远小于锚杆近处拉应力，锚杆处围岩变形大，处围岩变形小，说明锚杆端头已位于围岩松动区之外，进一步表明注浆换拱后，围岩松动区范围很小，此时围岩压力主要为形变压力。拱顶范围锚杆受力大，最大拉应力为 ，拱顶处锚杆受力作用较为明显；左、右边墙处锚杆受力小，且部分受压，最大压应力为 。结合围岩压力图，围岩压力主要来自拱顶部位，拱脚围岩压力相对较小且不同断面的拱脚围岩压力有不对称的表现，拱脚围岩压力出现这种不规律的情况说明边墙处衬砌受力主要为自身形变挤压围岩所产生的主动抗力。总体而言，在围岩大变形情况下在拱顶打设锚杆，可以有效地控制顶部岩层的变形，对控制洞室的整体稳定有着一定的促进作用。（）大塘隧道 锚杆受力（）大塘隧道 锚杆受力（）大塘隧道 锚杆受力图锚杆受力分布示意图 二衬混凝土应力将所测得混凝土应变值转换为应力，测试结果如图、所示。根据二衬受力时程曲线可知，在二衬浇筑完成前 内，二衬受力呈现增大减小增大的过程，原因是二衬台车提供了预应力，在拆除二衬台车模板后，支护结构恢复二次应力状态，围岩发生蠕变与流变，二衬荷载持续增大，最后达到稳定。根据图 二衬混凝土整体上受力处于 左右，远大于初期支护受力，说明大变形隧道二衬结构不仅作为安全贮备存在，还是主要的受力结构。拱顶部位是变形的最大点，也是受力的最大点，最大混凝土应力约为 ；拱腰、拱脚处次之，均在极限抗压强度范围以内，整体结构安全，有足够的安全储备。第期唐国军，等：充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究（）断面（）断面（）断面图外侧混凝土应力时态曲线 （）断面外侧混凝土应力（）断面外侧混凝土应力（）断面外侧混凝土应力图 外侧混凝土应力示意图 广西大学学报（自然科学版）第 卷 内侧钢筋应力二衬内侧钢筋应力的监测结果（压为正，拉为负）如图、所示。随着二衬施作时间增加，各部位钢筋由受压转变为受拉后趋于稳定，表明二衬施作初期，二衬不承担或承担极少部分围岩压力；而后由于围岩发生蠕变与流变，二衬参与受力，承受主要围岩压力。围岩变形达到稳定后，钢筋受力最大值出现在 断面的左拱腰处，为 ，但远未达到钢材的极限强度值。（）断面（）断面（）断面图 内侧钢筋应力时态曲线 第期唐国军，等：充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究（）断面内侧钢筋应力（）断面内侧钢筋应力（）断面内侧钢筋应力图 内侧钢筋应力示意图 数值模拟图 数值模型 数值模型及参数本节主要模拟隧道穿越溶洞填充黏土范围发生大变形时支护的受力情况及换拱后新施作支护的受力情况。因此，模型简化为穿越黏土地层的隧道，模拟隧道施工开挖和换拱的过程，对隧道支护受力进行分析。采用 软件进行 计算，围 岩与 衬 砌 均 选 用 平 面 应 变 单 元 模拟，单元数量为 个，围岩材料采用摩尔 库仑本构模型，衬砌材料采用弹性模型，选取模拟区域为 （宽度高度），隧道埋深为，中间 的溶洞黏土地层，隧道位于黏土层中间，如图 所示，约束模型底部竖向位移以及两侧水平位移。根据工程概况，计算参数选取见表、。为模拟隧道开挖施工，计算中对初期支护进行简化处理，选取加固范围为 ，采用提升强度法模拟地层加固，将其相应的土层参数增大。增大后参数分别为：弹性模量 ，泊松比 ，容重 ，黏聚力 ，内摩擦角 。表隧道围岩物理、力学参数 围岩容重（）弹性模量 泊松比黏聚力 内摩擦角（）周边围岩 溶洞黏土 表隧道支护参数 衬砌容重（）弹性模量 泊松比初支 二衬 计算结果及分析隧道开挖后，只施加初期支护的围岩位移及受力情况如图