砂岩夹泥岩地层隧道支护结构受力特征研究

黄琳

(石家庄铁道大学研究生学院，河北石家庄050043)

砂岩夹泥岩地层隧道支护结构受力特征研究

黄琳

(石家庄铁道大学研究生学院，河北石家庄050043)

岩体节理信息与支护体系受力特征是砂岩夹泥岩地层大变形隧道修建过程中的两个关键问题。以吉林至珲春客运专线铁路庆岭隧道为依托，依据现场测量岩体信息、支护受力情况，研究掌子面砂岩夹泥岩节理特征，绘制赤平投影图，确定岩体优势节理面(组数、倾向、倾角)，分析支护体系受力特征。分析结果表明:庆岭隧道变形基本对称，下台阶开挖初期拱顶沉降、边墙收敛较为明显，可作为变形监控关键控制步;围岩压力以竖向为主，水平侧压力系数为0.25;钢拱架以承受压应力为主，拱顶的弯矩、轴力最大;采用容许应力法检算，原设计I20a钢拱架无法满足抗弯要求，建议更换为I25a型钢拱架或者采用I20a双层钢拱架，以保证支护结构的安全。

隧道 砂岩夹泥岩 赤平投影 支护体系 受力特征

近年来，随着我国客运专线快速发展，铁路隧道不可避免地穿越节理发育地层。节理产状和支护体系直接决定隧道的稳定性［1-2］。国内外学者对节理岩体特征与隧道支护结构稳定性进行了相关研究，并且取得一定成果［3］。

郑颖人等［4］采用模型试验与数值分析手段，研究了岩体节理产状对隧道稳定性及破坏模式的影响。邹飞等［5］采用破坏性模型试验，研究岩体节理间距、倾角的力学效应，以及节理岩体裂纹扩展规律。王华牢等［6］采用非连续分析方法(DDA)，研究了隧道开挖引起节理扩展过程，分析了节理岩体的力学行为。高乾丰等［7］结合现场测试和有限元数值模拟，探索了围岩塑性圈和松动圈厚度的影响因素，分析了初期支护的受力特征。夏孝维等［8］以麻崖子隧道为依托，利用超前地质预报及时掌握掌子面围岩和地层情况，并提出初期支护控制措施。

目前大部分学者将岩体节理面信息与隧道支护体系分开研究，没有很好地结合在一起［9-10］，采用优势节理面方法分析砂岩夹泥岩地层隧道稳定性的文献较少。因此，本文以新建客运专线吉林至珲春铁路庆岭隧道为依托，进行隧道掌子面岩体精细化描述，确定优势节理面和关键块体，并且分析了支护结构的变形特性、受力特征，以期今后对类似地层铁路隧道的设计、动态施工提供参考。

1 工程概况

客运专线吉林至珲春铁路庆岭隧道位于庆岭镇西北约1 km处，起讫里程为DK33+850—DK35+704，全长1 854 m，最大埋深452 m。隧道进出口距离公路较近，交通条件较好。隧址区地势平缓，相对高差约76 m，地面高程为328～404 m，进口纵向坡度约10°，出口纵向坡度约14°。

2 隧道围岩节理特征与优势节理面分析

2.1 隧道围岩节理特征

针对隧道施工过程中掌子面和侧壁等区域出露的岩体节理，按照国际岩石力学协会建议的标准对其节理信息进行逐一采集、编录。以左线DIK35+505为例，分析走向、倾向、倾角的分布规律，然后根据节理分布密度，确定岩体优势节理面。庆岭隧道左线DIK35 +505掌子面岩体信息现场采集见图1。

图1 现场采集岩体信息

从现场观察看出，岩性主要为褐黄色、灰黑色中厚层状强风化～中风化砂岩夹炭质泥岩，局部风化呈黏土状，遇水易软化，失水易崩解，属较软岩。围岩裂隙、节理等结构面密集发育，岩体破碎，主要呈碎裂松散结构。从整体上看围岩完整性及自稳性差，初步判定该里程内围岩属于破碎岩石。庆岭隧道进口左线里程DIK35+505围岩级别初步定为Ⅴ级，选定的隧道断面处地下水较发育，围岩整体较湿润，多为渗透状出水，局部呈线状滴水。隧道掌子面素描见图2，岩体延续性中等。

图2 掌子面岩体素描

2.2 优势节理面

天然岩体节理分布具有一定的规律性，而且有些节理具有控制岩体整体稳定性的作用。将现场实测的节理信息进行处理和统计，节理产状分布见图3。统计该圆内不同位置极点数目占极点总数的比例，得到节理密度分布见图4。

图3 岩体节理产状分布

从图4可以看出:节理主要集中在3个区域，将其定义为隧道节理岩体的优势节理面。庆岭隧道掌子面岩体3组优势节理面见表1。

根据表1中的产状，绘制赤平投影图(图5)，得到隧道轴线与优势节理面的关系。

从图5可以看出，隧道轴线穿过J1，J2，J3公共区域，掌子面及前方岩体稳定性较差，如开挖后不能及时支护，可能发生关键块体的脱落及局部失稳灾害。

图4 岩体节理密度

表1 庆岭隧道掌子面岩体优势节理面

图5 赤平投影图

3 支护结构变形与受力特征

隧道采用马蹄形标准断面，净空面积152.4 m2，跨度14.86 m，高度12.54 m。初期支护为C25喷射混凝土，厚28 cm;锚杆长4 m，拱部采用中空注浆锚杆、边墙为砂浆锚杆，梅花形布置;φ8钢筋网20 cm× 20 cm;I20a型钢拱架，间距80 cm。二次衬砌为50 cm厚C35钢筋混凝土。

围岩变形采用全站仪非接触量测;围岩压力埋设双模压力盒量测，共布置5个测点，分别在拱顶、左右拱脚和左右边墙;将钢筋计焊接在初期支护钢拱架的内外边缘，测量钢拱架应变，换算成内力(弯矩、轴力)，进而计算其安全系数。

3.1 隧道围岩变形时间效应

隧道周边位移是隧道围岩稳定性的最直接反映。测点布置见图6。

图6 隧道变形测点布置

经过一个月的现场量测，洞周变形时程曲线见图7。

图7 砂岩夹泥岩段洞周位移曲线

从图7可以看出，隧道变形以拱顶下沉为主，左右变形基本对称，拱顶沉降最大达到64.5 mm;边墙水平收敛峰值为45.8 mm。受施工影响，下台阶开挖时，拱顶沉降、边墙收敛较为明显，为急剧变形期，可作为变形监测的重点阶段。随后变形速率明显降低，在开挖25 d后，变形基本稳定。

3.2 围岩压力分布特征

通过现场量测，隧道初期支护围岩压力分布见图8。

从图8可以看出，围岩压力以竖向为主，拱顶、右拱脚压力值相对较大，峰值为159 kPa。边墙较低，左边墙水平压力为63 kPa，右边墙为90 kPa。水平侧压力系数为0.25。总体来看，断面围岩压力数值偏大，给钢拱架结构带来安全隐患。

图8 围岩压力分布(单位:kPa)

3.3 钢拱架力学响应与安全性评价

在隧道断面对称埋设CL-XZ-B型钢筋计，钢拱架内力分布见图9。

图9 钢拱架内力分布

从图9可见，断面拱顶及右侧钢拱架以承受压应力为主，拱顶压应力最大，对应轴力为96.92 kN;拱顶弯矩最大，内侧受拉，峰值为61.3 kN·m。

根据现场施工情况，选取I20a型钢拱架，间距为80 cm，取支护结构的纵向单位长度(1 m)进行计算。根据材料力学中梁的弯曲正应力计算公式

式中:M为作用在梁上的弯矩;y为到形心的距离;I为轴惯性矩。

采用《公路隧道设计规范》附录C查得I20a型钢抗弯截面系数为Wx=237 cm3，Wy=31.5 cm3，钢筋容许应力［σ］=160 MPa，参考材料力学抗弯截面系数Wx=Ix/ymax，可知I20a钢拱架最大容许弯矩为

由图9可知，拱顶钢拱架实际弯矩为61.3 kN·m (远大于容许弯矩37.92 kN·m)，故I20a钢拱架无法满足抗弯要求。为使钢拱架满足抗弯要求，根据上式，应满足W'x×［σ］＞61.3 kN·m，则钢拱架抗弯截面系数应为W'x＞383 cm3，根据《公路隧道设计规范》附录C可选取I25a型钢拱架(Wx＞402 cm3)或者采用I20a双层钢拱架，即可满足抗弯要求。

对I25a钢拱架进行抗压强度检验，根据《公路隧道设计规范》钢筋抗压强度［σ］'=188 MPa，I25a钢拱架截面积为A'=48.5 cm2，初期支护拱顶轴力N约为96.92 kN，可得应力σ为

可见，I25a满足抗压要求。

4 结语

依据现场测量吉林至珲春客运专线庆岭隧道掌子面砂岩夹炭质泥岩资料，绘制赤平投影，确定优势节理面。通过现场试验，研究施工过程中隧道围岩变形特性、围岩压力、钢拱架力学响应，并对结构安全性进行了分析。得出以下主要结论。

1)现场量测获取掌子面岩体节理规模、产状，为分析优势节理面和支护体系受力特征提供了科学依据。

2)在采集现场岩体信息的基础上，绘制隧道掌子面赤平投影和岩体节理密度图，确定3组优势节理面产状(205°∠22°，312°∠84°和123°∠49°)，为支护参数的确定提供了依据。

3)该隧道左右变形基本对称，拱顶沉降明显，最大达到64.5 cm。下台阶开挖会引起拱顶的急剧下沉，可作为变形监控的关键控制步。在开挖25 d后，变形基本稳定。

4)围岩压力以竖向为主，拱顶、右拱脚最为明显，峰值为159 kPa。边墙较低，左右边墙水平压力分别为63 kPa和90 kPa。水平侧压力系数为0.25。总体上看，断面围岩压力数值偏大，应加强钢拱架的结构安全。

5)钢拱架以承受压应力为主，弯矩、轴力最大值发生在拱顶，轴力峰值为96.92 kN，弯矩峰值为61.3 kN·m。采用容许应力法进行钢拱架检算，得到原设计I20a钢拱架无法满足抗弯要求，建议更换为I25a型钢拱架或者采用I20a双层钢拱架。

［1］段隆臣，闫丰，蒲有林，等．考虑节理的六盘山隧道围岩稳定性研究［J］．铁道建筑，2013(8):59-61．

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［4］郑颖人，王永甫，王成，等．节理岩体隧道的稳定分析与破坏规律探讨［J］．地下空间与工程学报，2011(4):649-656．

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［6］王华牢，许崇帮，夏才初．断续节理扩展算法在隧道围岩稳定分析中的应用［J］．岩土工程学报，2012(2):349-354．

［7］高乾丰，董辉，胡柏学，等．隧道开挖后围岩松动区及衬砌荷载分析［J］．施工技术，2013(19):107-111．

［8］夏孝维，黄志军，陈阳．高地应力软岩隧道施工方法与监测［J］．铁道建筑，2013(9):48-51．

［9］JAMAL I，MARWAN A H，THIERRY V．Numerical Modelling of Masonry Joints Degradation in Built Tunnels［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2009(6):617-626．

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(责任审编葛全红)

U45

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．21

1003-1995(2015)04-0077-04

2014-10-20;

2015-02-27

黄琳(1979—)，女，江西宜春人，讲师，硕士。