宝兰客专第三系泥岩隧道围岩变形规律研究

张钦鹏，梁庆国，王新东

(1．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070;2．中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

宝兰客专第三系泥岩隧道围岩变形规律研究

张钦鹏1，梁庆国1，王新东2

(1．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070;2．中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

以宝鸡到兰州客运专线安定隧道为工程背景，通过现场监控量测，研究了隧道拱顶下沉、水平收敛、围岩压力、钢拱架应力的变化规律，并与有限元软件Midas/GTS模拟结果进行了对比分析。监测数据表明:隧道已完成了大部分变形并趋于稳定;围岩压力增长较快，左侧压力整体大于右侧，但最终都趋于稳定;钢拱架应力波动较大，左边墙处应力大于其他部位，钢拱架应力的整体分布规律与围岩压力近似。监测数据与数值模拟结果对比表明，下部泥岩饱水软化后仰拱出现明显底鼓现象，可能与下部泥岩饱水后受力不均匀有关。

泥岩隧道;围岩压力;拱顶下沉;水平收敛;数值模拟

1　工程概况

宝兰客专东起宝鸡，西至兰州，全长400.74 km。安定隧道位于甘肃省定西市，全长3 092 m，相对高差220～270 m，最大埋深270 m。该隧道洞身通过的地层主要为第三系上新统泥岩，成岩作用差，开挖后地下水渗出，仰拱处泥岩易被水泡软呈饱水状态，围岩以Ⅳ～Ⅴ级为主。拱顶处围岩为老黄土，中下部为第三系泥岩。隧道按新奥法台阶法施工，初期支护采用喷锚支护，以钢拱架、锚杆、钢筋网和喷射混凝土共同组成联合支护体系，钢拱架为I20a型钢，间距0.5 m。二次衬砌为模筑钢筋混凝土。

2　监测断面布置与监测结果分析

2.1监测断面布置

监测断面选在IDK941+474处，断面位于第三系泥岩与老黄土交界处。依据规范［1-2］相关要求，测试项目有拱顶下沉、水平收敛、围岩压力和钢拱架应力。根据隧道开挖工序沿断面共布置8个应力监测元件。元件分别采用振弦式高精度双膜土压力计和钢拱架表面应变计。测点布置见图1。其中:GD为拱顶沉降观测点，使用全站仪量测;SL1-SL2为净空收敛观测点，使用收敛仪量测。

图1　测点布置

2.2监测结果与分析

2.2.1拱顶下沉和水平收敛

拱顶下沉时程曲线见图2(a)。拱顶累计下沉量随时间推移逐渐增大，第5.5 d开始下沉速率明显增大，到第18 d后下沉逐渐趋于平稳，第5.5 d到第18 d的下沉量约占最终累计下沉量的75%左右，拱顶累计下沉值最终稳定在48.9 mm。

图2　拱顶下沉和围岩水平收敛时程变化曲线

水平收敛时程曲线见图2(b)。隧道开挖后围岩应力释放较为明显，水平收敛量随着时间推移逐渐增大(最大水平收敛36.23 mm出现在第5.5 d)，然后趋于平稳，最终稳定在27.90 mm。

2.2.2围岩压力

下部泥岩处于饱水状态下围岩压力时程变化曲线见图3。可以看出，左边墙的围岩压力释放较为明显，数值远大于其它部位，稳定后达到了939.03 kPa;仰拱拱顶和仰拱左拱脚处数值也相对较大，稳定后分别为390.17 kPa和279.18 kPa，其余各点数值相对较小;拱顶压力波动较大并且仍有继续增大的趋势，后期应特别注意。总体而言，围岩压力随时间先急剧增大，然后增长幅度变缓，最后趋于稳定［3］。从围岩变形稳定后的压力分布(图4)可以看出，左右围岩压力不对称，左侧压力远大于右侧，尤其是左下部和仰拱拱顶处围岩压力明显偏大。这很可能与下部泥岩饱水软化后受力不均匀有关。

图3　泥岩饱水状态下围岩压力时程变化曲线(单位:kPa)

图4　泥岩饱水状态下围岩变形稳定后的压力分布(单位:kPa)

2.2.3钢拱架应力

下部泥岩处于饱水状态下钢拱架应力时程变化曲线见图5。负号表示受压，正号表示受拉。由图5可见:除左拱脚和右边墙处初期处于受拉状态外，其他位置都处于受压状态;左边墙处应力一直大于其他部位应力，稳定后应力数值达到了247.80 MPa;左拱脚处应力也相对较大，稳定后应力数值达到了179.91 MPa。整体来看，应力随时间先急剧增大，然后增长幅度变缓，最后趋于稳定。从钢拱架变形稳定后钢拱架应力分布(图6)可以看出:左右钢拱架应力也不对称，左侧应力大于右侧，其中左边墙处钢拱架应力明显偏大，这与图4中的围岩压力分布相似，但安设钢拱架后，支护结构改善了围岩压力的分配，并形成了稳定的环形封闭结构，有效减小了左边墙的应力集中现象［4］。

图5　泥岩饱水状态下钢拱架应力时程变化曲线(单位:MPa)

图6　泥岩饱水状态下钢拱架变形稳定后钢拱架应力分布(单位:MPa)

3　隧道开挖过程数值模拟

3.1计算模型

隧道开挖后，围岩会发生应力重分布，但只有周围3～5倍孔径范围内的岩体会受到影响。因隧道开挖轮廓尺寸为12.2m(宽)×8.68 m(高)，故模型横向左右边界分别距离隧道中心5倍洞径，即模型的总宽度为122m;上边界距离隧道顶部40 m;下边界距离隧道底部为4倍洞径，即模型的总高度为83.40 m。计算模型见图7。

模拟开挖步骤:①开挖前设置围岩初始应力场;②拱顶环向开挖，安设钢拱架，喷锚支护;③左侧中台阶开挖，安设钢拱架，喷锚支护;④右侧中台阶开挖，安设钢拱架，喷锚支护;⑤左侧下台阶开挖，安设钢拱架，喷锚支护;⑥右侧下台阶开挖，安设钢拱架，喷锚支护;⑦预留核心土开挖;⑧仰拱开挖，安设钢拱架，喷射混凝土;⑨二衬模筑混凝土;⑩仰拱回填。

3.2计算参数

围岩材料采用理想弹塑性本构关系中的莫尔-库伦模型，混凝土材料则按照线弹性本构关系处理，同时采用梁单元模拟钢拱架［5-8］。建立模型时，定义上部围岩为黄土层，中部为天然状态泥岩，下部为饱水和天然2种状态泥岩。查阅相关规范［9］和文献［8］并结合工程实际情况选取模型材料的物理力学参数，见表1。

图7　计算模型

表1　数值模型材料物理力学参数

3.3计算结果与分析

3.3.1钢拱架应力

下部泥岩在不同状态下钢拱架关键部位应力对比见图8。可见，不同状态下隧道均未出现明显的偏压情况，左右侧应力基本对称。下部泥岩在饱水状态下钢拱架各部位应力与实测值较为接近，而且均明显大于下部为天然状态泥岩时的应力值。尤其是在仰拱拱顶处，饱水后的应力数值是天然状态时的5倍。

3.3.2仰拱拱顶竖向变形

下部泥岩在不同状态下仰拱拱顶累计竖向变形量对比见图9。可见，下部泥岩饱水软化后仰拱拱顶竖向变形量达到了41.98 mm，底鼓较为明显，而下部泥岩为天然状态时变形量仅为10.94 mm。

3.3.3围岩水平收敛

下部泥岩在不同状态下围岩累计水平收敛量对比见图10。可见，下部泥岩在天然状态下围岩最终水平收敛量为6.87 mm，而下部泥岩在饱水状态下则达到了26.64 mm，这与实测的围岩水平收敛量27.90 mm基本一致。

图8　下部泥岩在不同状态下钢拱架关键部位应力对比(单位:MPa)

图9　下部泥岩在不同状态下仰拱拱顶累计竖向变形量对比

图10　下部泥岩在不同状态下围岩累计水平收敛量对比

4　结语

1)实测数据显示，下部泥岩饱水后发生不均匀变形，导致下部结构受力不均匀，其中左边墙、仰拱拱顶受力明显大于其他区域。拱顶下沉量相对较大，围岩已经完成了大部分变形并趋于稳定。可以认为围岩在后期的施工过程中不会出现较大的变形。

2)实测数据与模拟结果对比显示，下部泥岩饱水软化后仰拱底鼓现象比较明显，并且钢拱架应力和围岩水平收敛量明显增大。故施工中应特别注意及时将洞内渗水排出洞外，避免泥岩饱水软化现象的发生。

［1］中国铁路总公司．Q/CR 9218—2015铁路隧道监控量测技术规程［S］．北京:中国铁道出版社，2015．

［2］中华人民共和国铁道部．TB 10753—2010高速铁路隧道工程施工质量验收标准［S］．北京:中国铁道出版社，2010．

［3］李鹏飞，田四明，赵勇，等．高地应力软弱围岩隧道初期支护受力特性的现场监测研究［J］．岩石力学与工程学报，2013，32(增):3509-3519．

［4］扈世民，张顶立，王梦恕．大断面黄土隧道开挖引起的围岩力学响应［J］．中国铁道科学，2011，32(5):50-55．

［5］魏海虹．浅埋偏压隧道施工过程数值分析［J］．铁道建筑，2015(8):58-60．

［6］赵佃锦，梁庆国，鲁得文，等．高地应力隧道台阶法施工过程数值模拟［J］．地下空间与工程学报，2014，10(2):441-448．

［7］左乾坤，李天斌，孟陆波，等．隧道钢拱架支护结构受力特征的数值模拟分析［J］．中外公路，2011，31(4):196-199．

［8］冯忠居，朱登远，彭小兵，等．泥岩隧道施工技术对围岩的影响及其数值模拟分析［J］．公路，2013(12):224-229．

［9］中华人民共和国铁道部．TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

(责任审编 葛全红)

Study on Deformation Law of Tertiary Mudstone Around Tunnel on Baoji－Lanzhou Passenger Dedicated Railway

ZHANG Qinpeng1，LIANG Qingguo1，WANG Xindong2
(1．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China; 2．China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Based on the engineering background of Anding tunnel on Baoji－Lanzhou passenger dedicated railway，the variation laws of tunnel vault settlement，horizontal convergence，surrounding rock pressure and steel arch stress were studied and com pared with the simulation results calculated by the finite elem ents of tware Midas/GT S through field monitoring measurement．Monitoring data show that most of the deform ations have been completed and this tunnel tends to be stable，the grow th of surrounding rock pressure is rapid and the pressure on left side is greater than pressure on right side as a whole，which are all stable eventually．The steel arch stress fluctuation is obvious，which at the left-side wall is greater than at the other parts and the general distribution law of steel arch stress is similar to surrounding rock pressure．The comparison between monitoring data and numerical simulation results indicates that the bottom d rum phenomenon is obvious in inverted arch after saturated softening of lower mudstone，which may be related to the uneven force of the lower mudstone after saturated softening．

Mudstone tunnel;Surrounding rock pressure;Vault settlement;Horizontal convergence;Numerical sim ulation

U452．1+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．19

1003-1995(2016)11-0073-04

2016-07-10;

2016-09-05

国家自然科学基金(41262010，41562013);长江学者和创新团队发展计划(IRT1139)

张钦鹏(1990—)，男，硕士研究生。