宝兰客专泥岩隧道受力特性试验研究

张钦鹏，梁庆国，孟博文，王新东

(1.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)



宝兰客专泥岩隧道受力特性试验研究

张钦鹏1,2，梁庆国1,2，孟博文1,2，王新东3

(1.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

以宝兰客专上的安定泥岩隧道为工程背景，通过现场监测并结合室内相关土工试验，研究泥岩物理特性、围岩压力、钢拱架应力、初支与二衬接触压力、二衬钢筋轴力和混凝土应力等参数随时间变化的规律及空间分布特征。研究结果表明：安定隧道泥岩的膨胀性为无膨胀至弱膨胀，但泥岩遇水存在一定的崩解性。各测点围岩压力随时间增长，仰拱拱底的围岩压力最大，但最后都逐渐趋于稳定；钢拱架应力值不稳定，分布不均，波动较大，边墙墙脚处应力最大，但最终趋于稳定；初支与二衬接触压力总体较大，变化幅度较大，在边墙墙脚和拱顶处应力最大且随着时间增加最后趋于稳定值；二衬钢筋轴力均表现为压应力，内外层钢筋轴力变化趋势近似；混凝土应力普遍偏大，右拱脚处出现拉应力，左侧应力大于右侧应力。

泥岩隧道；监控量测；围岩压力；钢拱架应力；软化

随着我国交通事业的发展，在软弱岩体中修筑隧道工程已必不可少，随之而来的软弱岩体的特殊工程地质问题也开始凸现。泥岩是隧道工程中比较常见的一种软弱岩体，其明显的流变特性致使泥岩隧道的围岩稳定性较差[1]。秦正贵等[2]结合蒙华铁路中条山隧道进行了第三系地层工程地质特性研究，认为泥岩隧道施工中容易出现塌方大变形和突水涌砂，基底需慎重处理。张秀良等[3]结合兰渝铁路胡家湾隧道，介绍泥岩地层修建大断面隧道变形控制的方法。欧尔峰等[4-5]以甘肃天水地区膨胀性泥岩为例进行了大量土工试验和隧道支护结构受力特征方面的研究，认为泥岩的物理特性直接影响到隧道的受力和变形。在隧道工程施工中，新奥法已经成为修筑的最主要方法。新奥法主要是应用岩体力学的理论,以维护和利用围岩的自承能力为基点,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,及时地进行支护,控制围岩的变形和松弛,使围岩成为支护体系的组成部分,并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道与地下工程设计、施工的方法和原则。说明在新奥法施工过程中，现场监控量测的重要性不言而喻，尤其是对于软弱围岩隧道，现场监控量测数据和及时的信息反馈来修正设计参数，以达到设计合理、施工高效的目的，同时也对隧道二次衬砌的施作时间具有决定性意义[6-13]。但是目前针对于高速铁路泥岩隧道的现场监控量测和理论分析的综合性研究成果尚不多见。因此本文通过对安定泥岩隧道的受力进行现场量测和分析，并结合室内相关土工试验，对施工过程进行安全性评价。得到相关结论，对将来类似的泥岩隧道的设计与施工具有一定的参考价值。

1 工程概况

宝兰客专是徐兰客专的重要组成部分，线路地处黄土高原区，正线全长401 km，安定隧道位于甘肃省定西市安定区，隧道全长3 902 m，地面高程1 870～2 040 m。围岩级别为VI。宝兰客专全线隧道工程共计273 km/78座，其中有多座隧道穿越第三系泥岩、黄土及其二者接触带，成岩作用差，其间局部含有中砂互层与透镜体，接触带黄土多呈饱和或近饱和软塑状，施工开挖过程中出现较大渗漏水，围岩与支护结构大变形乃至开裂破坏等情况，如上庄隧道1号斜井及正在施工的安定隧道部分区段，本文监测的DK941+465断面处天然土含水率也达到了24.8%,这不仅给现场施工带来较大安全隐患，也不利于后期运营阶段的隧道整体稳定。为掌握第三系泥岩隧道围岩和隧道结构受力变形特征，分析衬砌变形开裂的原因及机理，开展了相应的室内试验和现场测试。安定隧道按新奥法原理施工，采用台阶法开挖，初期采用喷锚支护，以钢拱架、锚杆、钢筋网和喷射混凝土共同组成联合支护系统，二衬为模筑钢筋混凝土。

2 围岩矿物成分测试和膨胀性判别

为配合现场量测和后续的数据分析，考虑到泥岩可能存在的崩解特性和膨胀特征，首先对安定隧道围岩进行矿物成分测试和膨胀性判别。矿物成分测试委托中国科学院兰州地质研究所完成，泥岩矿物成分如表1所示，依据《沉积岩粘土矿物相对含量X射线衍射分析方法》(SY/T5163-1995)[14]，不同断面的两个试样中石英、方解石、斜长石的含量超过85%，蒙脱石含量均为0，仅含有少量伊利石和高岭石，说明此处泥岩不具备膨胀性的矿物成分。依据《铁路工程土工试验规程》[15](TB 10102-2010)的相关要求进行室内膨胀性相关试验，部分试验如图1所示，试验结果如表1所示。从表1的试验结果看，三份试样的自由膨胀率分别为43.5%，42%和40%。无荷载膨胀率分别为14.85%，11.60%和10.40%。试样1的最终崩解完成量最大，达到了69.12%。线膨胀力数值较小，最大线膨胀力仅为15.91 kPa。室内土工试验说明，此处泥岩的膨胀性为无膨胀至弱膨胀，但泥岩遇水存在一定的崩解性。

图1 土样湿化试验示意图Fig.1 Layout of humidifying test

试样编号12取样里程DK941+465DK941+474矿物组份(%)蒙脱石00伊利石6.67石膏00高岭石3.13.3绿泥石02.7石英35.734.4钾长石11.112斜长石17.816.3方解石23.523.5白云石2.20菱铁矿00赤铁矿00黄铁矿00.8

参数单位试样1试样2试样3密度密度g/cm32.312.282.29膨胀率自由膨胀率%43.542.040.0无荷载膨胀率%14.8511.6010.40水湿化最终崩解量%69.1265.4263.58膨胀力侧限膨胀力kPa15.9113.9011.35

3 施工方法及测点布置

3.1 施工方法

隧道地处富水泥岩分布区，地质环境较为复杂，故采用台阶法施工。

3.2 测点布置及监测过程

现场监测仪器埋设于DK941+465处，依据《铁路隧道监控量测技术规程》[16](TB10121-2007)的相关要求，结合安定隧道的地质条件和施工环境拟定了隧道的监控量测内容和测试方法，测点布置如图2所示，沿监测断面共布置10个监测元件。监测元器件分别采用振弦式高精度双膜土压力计、表面应变计和钢筋应力计。测试频率为：前15 d：2 次/d；15-40 d：1 次/d；40-60 d：3次/d；以后每周一次。

图2 测点布置图Fig.2 Layout of measuring points

4 监测结果与分析

4.1 围岩压力

除左右拱脚和仰拱左拱脚压力盒损坏无法获取读数外，其他基本完好, 由于有些测点损坏，导致断面分布图不是非常规则,但基本满足分析的要求。围岩压力随时间的变化关系曲线如图3所示，围岩压力稳定值的空间分布如图4所示。

从图3和图4可以看出：隧道开挖后围岩压力释放较为明显，对初期支护的压力也较大，围岩向洞内挤压的趋势较明显，其中左边墙墙脚处数值远大于其它部位且似乎仍有上升趋势，其数值为499.67 kPa。其次为仰拱拱底处，稳定后数值为336.98 kPa。其余部位数值相对较小而且比较接近，处于逐渐平稳的缓慢增长状态，稳定值基本在50～160 kPa之间。

总体而言，左侧围岩压力整体大于右侧围岩压力；在仰拱拱底、左边墙墙脚处围岩压力较大，分别达到了336.98和499.67 kPa，这可能与开挖时泥岩岩块沿隧道断面下滑和下部泥岩遇水软化承载力降低有关。与图6钢拱架应力稳定值比较可知，二者应力分布规律近似，均在左右边墙墙脚以及仰拱拱底处受力较大。故实际工程中应注意墙脚处的受力变化，及时将隧道内积水排除并保证墙脚处的稳定安全。

图3 围岩压力时程曲线Fig.3 Time history curve of surrounding rock pressure

单位：kPa图4 围岩压力稳定值分布Fig.4 Stability value distribution of surrounding rock pressure

4.2 钢拱架应力

除右拱脚和仰拱右拱脚仪器损坏无法获取读数外，其他基本完好，由于有些测点损坏，导致断面分布图不是非常规则, 但基本满足分析要求。得到钢拱架应力随时间的变化关系曲线如图5所示，钢拱架应力稳定值的空间分布如图6所示。

从图5和图6可知(负号表示受压，正号表示受拉，下同)：1)钢拱架应力波动较大，其中左拱脚处拱架在安设后12 d内变化不稳定，起伏较大，前4 d出现拉应力，这可能与隧道采用的台阶法施工有关，施工中每开挖一段台阶随即打锚杆安设钢拱架，由于钢拱架没有及时封闭，在承受围岩压力的同时，出现了类似“悬空”的情况，导致钢拱架出现短暂的拉应力，在钢拱架封闭后拉应力随即消失。2)右边墙墙脚的应力稳定值是所有测点中的最大值，为-217.61 MPa，其数值自开挖后即快速增长，而后逐渐趋于平稳。其次为左边墙墙脚处，为-196.72 MPa。左右边墙墙脚处数值大致是对称的，其中左边墙墙脚是逐渐增长并趋于稳定，而右边墙墙脚数值在开挖后陡然增大然后逐步趋于稳定。3)仰拱部分，左右中部受力基本一致，都稳定在-70 MPa附近，拱底处压力较大，为-105.46 MPa。

图5 钢拱架应力时程曲线Fig.5 Time history curve of stress in steel arch

单位：MPa图6 钢拱架应力稳定值分布Fig.6 Stability value distribution of stress in steel arch

整体看，钢拱架在各测点处受力不均匀，基本表现为“中部大，两头小”的特征。钢拱架应力随时间发展基本按照“急剧增大→增大放缓→趋于稳定”的变化过程，即钢拱架应力在支护后即开始显著增大, 随着变形的稳定，应力值趋于稳定，钢拱架应力总体都处于受压状态。隧道未出现明显偏压状态，但左右墙脚处受力明显偏大。仰拱部分，仰拱拱底处的压力最大，为105.46 MPa。故在施工中，应注意两侧墙脚处的稳定。仰拱处应注意排水。

4.3 初支与二衬接触压力

初支与二衬接触压力随时间的变化关系曲线如图7所示，初支与二衬接触压力稳定值沿隧道衬砌的空间分布如图8所示。

如图7和图8可知，初支和二衬接触压力的分布规律不同于围岩压力和钢拱架应力,1)打完二衬后，仰拱拱底处的接触压力迅速升高至最大值，其数值达到281.29 kPa，明显大于其他部位的应力最大值，然后逐渐下降至平稳。这可能是由于仰拱底部泥岩遇水软化后承载力降低，打完二衬拆除钢模板后围岩压力迅速集中在二衬支护结构上导致接触压力迅速增大，随着应力的重分布，应力逐渐降低并趋于平稳。2)仰拱左右拱脚处应力发展趋势以及稳定值基本类似，均是打完二衬后缓慢增长至渐趋平稳，且压力相对较小，稳定值分别为32.83 kPa和33.72 kPa。3)左右边墙墙脚处的差异较大，右侧明显大于左侧，但是打完二衬后二者应力发展趋势近似，均遵循应力急剧增大然后减小并逐渐稳定的规律。4)在左右拱脚处，右侧明显小于左侧，说明拱脚处隧道处于明显的偏压状态。5)拱顶处压力较大，二衬施工后应力迅速增大到最大值228.54 kPa，随着二衬结构达到设计强度以及拱顶上方围岩压力重分布后逐渐稳定，拱顶压力也稳定在了180 kPa左右。

整体看，右侧墙脚处应力明显大于左侧，而右拱脚应力明显小于左拱脚，说明隧道中部处于较明显的偏压状态。仰拱处左右受力基本对称，但打完二衬后，拱底应力急剧增大，这可能与拱底泥岩遇水软化有关。拱顶处压力较大，且打完二衬后应力波动较大。但各测点数值最终都基本趋于平稳。

单位：kPa图7 初支与二衬接触压力稳定值分布图Fig.7 Stability value distribution of stress between the first linings and the second linings

单位：kPa图8 初支与二衬接触压力稳定值分布图Fig.8 Stability value distribution of stress between the first linings and the second linings

4.4 二衬钢筋轴力

二衬钢筋混凝土配筋分内外两层钢筋，为了检测钢筋轴力变化情况，在两层钢筋上分别安装钢筋计监测钢筋轴力，钢筋计安装位置如图9所示。

图9 二衬中内外层钢筋的相对位置关系Fig.9 Position of the inner and outer layer steel bars in the secondary lining

4.4.1 外层钢筋

外层钢筋轴力随时间的变化关系曲线如图10所示，外层钢筋轴力稳定值沿隧道衬砌的空间分布如图11所示。除左拱脚处钢筋计损坏无法获取读数外，其他基本完好, 基本满足分析的要求。

如图10和图11所示，1)拱顶处钢筋轴力一直呈现受压状态，在钢筋计安装初期读数迅速增大，在第12 d是达到峰值14.83 kN，随后数值逐渐减少并趋于平稳。2)右拱脚在埋设元件初期出现拉应力，而左右墙脚处轴力明显偏大且似乎仍有增大的趋势。3)仰拱处，拱底和仰拱左中部变化规律一致且数值接近。仰拱右中部变化规律与拱底一致，只是轴力数值偏小。仰拱左右拱脚数值变化量级基本一致，而仰拱右拱脚整体数值偏小且在第49到56 d期间出现较大波动，原因可能是由于局部应力集中造成的。整体看并没有出现明显偏压现象。

4.4.2 内层钢筋

内层钢筋轴力随时间的变化关系曲线如图12所示，内层钢筋轴力稳定值沿隧道衬砌的空间分布如图13所示。除拱顶处钢筋计损坏无法获取读数外，其他完好, 基本满足分析的要求。

如图12和图13所示：1)左右拱脚处受力规律基本一致，只是右拱脚在初期出现短暂拉应力。2)左右边墙墙脚处，二者变化趋势基本一致，都在前4天出现拉应力，且随时间发展轴力增大趋势明显，后期应格外关注其发展。3)仰拱部分共有5个监测点，在第1到第6 d变化基本一致，数值也较为接近。第7 d开始仰拱左右拱脚的轴力数值开始减小并逐渐稳定，而左右中部及仰拱处数值继续增大，可见拱底处钢筋压力较大。而仰拱右中部在第56 d时数值出现波动，但最后都趋于平稳。

图10 外层钢筋轴力图Fig.10 Map of the outer steel axial force

单位：kN图11 外层钢筋轴力稳定值Fig.11 Stability value distribution of the outer steel axial force

综合内外层钢筋受力情况可知，外层和内层的钢筋轴力数值均较小，规律也较为接近，都是遵循先增大再减小，然后逐渐趋于平稳的规律，且整体均未出现明显偏压情况。其中，外层钢筋中仰拱左侧轴力偏大，最大值是仰拱左中部，大小为-26.13 kN，表现为受压状态；内层钢筋中左右边墙墙脚处轴力偏大，最大的则是在左边墙墙脚处，大小为-22.60 kN，亦表现为受压状态。

图12 内层钢筋轴力图Fig.12 Map of the inner steel axial force

单位：kN图13 内层钢筋轴力稳定图Fig.13 Stability value distribution of the inner steel axial force

4.5 二衬混凝土应力

量测采用的是混凝土应变计，测得二衬混凝土应变(με)，而实际工程中多用到的是应力值，并由此来判断二次衬砌的安全性。安定隧道二衬采用C30混凝土，弹性模量为30 GPa，轴心抗压强度标准值为20 MPa，设计值为15 MPa；轴心抗拉强度标准值为2.2 MPa，设计值为1.47 MPa[17]。以单向应变按胡克定律估算得到二衬混凝土应力随时间的变化关系曲线如图14所示，以及应力稳定值沿隧道衬砌的空间分布如图15所示。

如图14和图15所示，1)拱顶混凝土打完二衬后一直处于受压状态，接下来两周内压应力逐渐减小而后小幅度增大并保持稳定；2)右拱脚混凝土打完二衬后一直处于受拉状态，拉应力急剧增加并达到最大值20.11 MPa，随后两天混凝土计读数又急剧下降，达到12 MPa左右，并最后趋于稳定。左侧拱脚处混凝土应力变化趋势与之类似，只是左拱脚处为压应力。左右曲线表现为反向对称；3)左边墙墙脚处混凝土受力不稳定，开始一周时间表现为拉应力并呈现增大的趋势，到第八天的时候表现为压应力并逐渐增大，最后受压趋于稳定；右边墙墙脚的变化趋势与左边墙墙脚类似，只是应力数值略偏大。二者受力仍有继续增大的趋势，后期应特别注意；4)仰拱左右拱脚处混凝土在浇筑初期均处于受压状态，而后仰拱左拱脚一直处于受压状态并缓慢增大，且仍有继续增大的趋势。然而仰拱右拱脚自第15 d开始出现拉应力并一直保持稳定，数值保持在1 MPa左右。5)仰拱拱底及仰拱左右中部一直处于受压状态，且三者应力发展趋势类似，只是仰拱左中部应力明显偏大达到了-15.25 MPa；6)图15与图4、图6和图8对比可知，二衬与初支的接触压力中右拱脚处拉压力明显偏大而测试围岩压力与钢拱架应力时右拱脚仪器均损坏，这极有可能与隧道右上侧拉应力偏大有关。

总体来看，二衬混凝土处于明显的偏压状态。由图14可知：1)混凝土应力最大值出现在仰拱左中部，为受压状态，数值为-15.25 MPa，小于C30混凝土轴心抗压强度标准值，与设计值接近；2)最大拉应力是在右拱脚处，为12.38 MPa，大于C30混凝土轴心抗拉强度的标准值和设计值，故应采取必要措施防止右侧上部混凝土开裂。但钢筋混凝土结构中，混凝土是主要受压构件，钢筋为主要受拉构件。考虑到二衬钢筋抗拉强度及配筋情况，该数值基本满足二衬强度要求。但受到下部泥岩遇水软化影响，仰拱处混凝土可能出现底鼓现象。故施工中可适当提高仰拱处的混凝土强度和配筋率。

单位：MPa图14 混凝土应力Fig.14 Map of concrete stress

单位：MPa图15 混凝土应力稳定值分布Fig.15 Stability value distribution of concrete stress

5 试验结果综合分析

1)初期支护中，仰拱处的围岩压力和钢拱架应力明显偏大，二衬混凝土应力也较大，根据前述试验可知泥岩不具备膨胀性的矿物成分，不存在膨胀性或膨胀性微弱。笔者认为仰拱压力较大可能是由于第三系泥岩遇水崩解软化的特性导致的，第三系泥岩透水性较差，但受开挖卸荷影响，不同部位开挖、特别是仰拱开挖后，会形成卸荷裂隙，上部的水流向仰拱等低洼部位后，沿着卸荷裂隙渗入，导致泥岩崩解软化，使得仰拱以下泥岩的变形与承载特性出现不均匀性，在基底形成软弱层，加之上覆围岩压力和衬砌结构自重以及上部重车反复碾压作用下导致仰拱拱底处受力明显偏大；2)初衬围岩压力的稳定值分布不均匀，各测点的围岩压力值差异较大，而且仰拱拱底和左右边墙墙脚处压力较大；3)钢拱架应力与初衬围岩压力相似，在左右边墙墙脚处压力较大，这可能与开挖隧道后围岩压力释放或泥岩遇水软化承载力降低有关；4)初支与二衬接触压力在左右边墙墙脚及拱顶处压力值较大，且左右侧压力并不对称，说明打完二衬隧道处于偏压状态；5)内外层钢筋轴力的稳定值分布相似，都是在左右边墙墙脚的钢筋轴力较大且受压，且仰拱处的外层钢筋轴力稍大于内层钢筋，拱脚和边墙墙脚处的内层钢筋轴力稍大于外侧。整体看未出现拉应力状态，说明此处二衬后没有土体下滑的趋势；6)二衬混凝土应力的稳定值数值偏大，在右侧拱脚处出现明显拉应力情况且数值较大，容易出现混凝土开裂现象。仰拱处混凝土应力较大。整体来看左侧应力大于右侧。

6 结论

1)对安定隧道泥岩试样进行室内相关土工试验，说明此处泥岩的膨胀性为无膨胀至弱膨胀，但泥岩存在一定的崩解性。

2)初衬围岩压力和钢拱架应力分布均不均匀，两侧不对称，尤其在仰拱和边墙墙脚处压力较大，需要在以后设计施工中予以考虑。

3)从初支与二衬接触压力可以看出，打完二衬后仰拱压力明显减小，说明仰拱以下泥岩软化承载力降低的问题得到改善，但存在一定的偏压情况。内外层钢筋轴力的发展趋势和数量级相似，都是在左右边墙墙脚的钢筋轴力较大。

4) 混凝土应力沿隧道断面分布不均，左拱脚和仰拱处应力较大，且右拱脚处的混凝土应力偏大且为拉应力，施工中应该特别注意。

5) 综合分析各项监控量测的结果可知，安定隧道所测定断面的围岩已呈现稳定和收敛趋势。可认为隧道的设计参数和施工方案是较为合理的，隧道结构的受力处于安全状态，满足有关规范的要求。

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Test study on the mechanical characteristics ofmudstone tunnel on Baoji-Lanzhou PDL

ZHANG Qinpeng1,2，LIANG Qingguo1,2，MENG Bowen1,2，WANG Xindong1,2

(1.Key Laboratory of Road & Bridge and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou 730070, China;2.School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;3. China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi'an 710043, China)

Based on the engineering background of Anding mudstone tunnel on Baoji-Lanzhou Passenger Dedicated Lines, the physical properties of mudstone and the change over time and the distribution law of the parameters such as surrounding rock pressure, stress in steel arch, stress between the first linings and the second linings, steel axis force in the secondary lining, concrete stress, etc were studied through comprehensive on-site monitoring and geotechnical tests. The results show that the swelling property of mudstone ranges from no swelling to weak swelling, but there is a certain disintegration of mudstone with presence of water. The surrounding rock stress grows over time, the surrounding rock pressure of inverted arch is the maximum, which all tends to be stable in the end. The value of stress in steel arch is not stable, even with large fluctuation. The stress in steel arch of side wall foundation is also the maximum, however, it tends to be stable in the end. The stress between first linings and second linings is larger overall with large fluctuation, and the stress of side wall foundation is the maximum, increases over time and finally tends to be stable. The steel axis force in the secondary lining is compressive, the value in steel axis force of both inside and outside is approximate. Concrete stress is relatively generally large, where the stress in right arch springing appear to be tensile stress, and the stress in left arch springing are larger than those in the right side.

mudstone tunnel; monitoring measurement; surrounding rock pressure; stress in steel arch; soften

2016-01-11

国家自然科学基金资助项目(41562013，41262010)；长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT1139)；甘肃省基础研究创新群体资助项目(145RJIA332)

梁庆国(1976-)男，甘肃临洮人，教授，博士，从事岩土工程方面的教学与研究工作;Email: 18609317395@163.com

U238

A

1672-7029(2016)11-2133-09