于 麗， 王志龍， 楊 涅

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方興未艾。隧道工程數(shù)量在不斷增加，隧道長(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)的比例也在不斷攀升，長(zhǎng)大隧道工程不斷涌現(xiàn)，進(jìn)一步加大了隧道的設(shè)計(jì)難度，其中最主要的是圍巖壓力的設(shè)計(jì)，這也是隧道界研究的熱門課題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出很多圍巖壓力的計(jì)算方法，如關(guān)寶樹(shù)[1]、Bhawani等[2]、Jiang等[3]提出隧道圍巖壓力的理論計(jì)算公式、經(jīng)驗(yàn)公式和太沙基理論，但由于隧道工程的特點(diǎn)以及復(fù)雜的地質(zhì)條件，這些理論公式并沒(méi)有得到很好的推廣?，F(xiàn)行的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，由于缺乏系統(tǒng)理論的指導(dǎo)，按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行隧道工程支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，造成經(jīng)濟(jì)成本的增加，并且在某些特殊條件下，如高地應(yīng)力、擠壓性圍巖條件下，因圍巖壓力考慮不充分，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)偏小，造成安全事故。對(duì)此，國(guó)內(nèi)較多學(xué)者針對(duì)不同地質(zhì)條件隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)圍巖壓力測(cè)試，如偏壓滑坡隧道[6]、軟弱圍巖隧道[7]和黃土隧道[8]等，并與設(shè)計(jì)圍巖壓力進(jìn)行對(duì)比分析。王英學(xué)等[6]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖壓力的測(cè)試，證明了通過(guò)埋設(shè)元件了解圍巖的地質(zhì)狀況，并進(jìn)行隧道支護(hù)措施設(shè)計(jì)的合理性；李鵬飛等[9]和伍冬[10]將國(guó)內(nèi)典型隧道現(xiàn)場(chǎng)圍巖壓力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，得到目前理論上圍巖壓力的計(jì)算方法存在較大的安全儲(chǔ)備，進(jìn)一步證明了現(xiàn)場(chǎng)圍巖壓力的測(cè)試對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性。

目前，圍巖壓力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析多針對(duì)分部開(kāi)挖法[11-24]，而關(guān)于大斷面隧道全斷面開(kāi)挖法的圍巖壓力研究較少。全斷面開(kāi)挖方法的優(yōu)點(diǎn)有： 1)工序少，相互干擾相對(duì)減少，便于施工組織管理； 2)全斷面開(kāi)挖有較大的作業(yè)空間，有利于采用大型配套機(jī)械化作業(yè)，提高施工速度； 3)全斷面一次成型，對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)減少，利于隧道的圍巖穩(wěn)定。分析大斷面開(kāi)挖方法下隧道圍巖壓力的分布規(guī)律，對(duì)大斷面開(kāi)挖法的推廣具有重要的意義，并且可為分析隧道圍巖壓力作用機(jī)制和完善支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法提供參考。因此，有必要開(kāi)展對(duì)大斷面隧道全斷面開(kāi)挖法下圍巖壓力分布規(guī)律和分布特征的研究。

本文依托鄭萬(wàn)高速鐵路湖北段大斷面機(jī)械化隧道群，針對(duì)其隧道開(kāi)挖斷面面積大(約為150 m2)、軟弱圍巖占比高(Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖總占比約為67%)、采用大斷面法施工(全斷面法和微臺(tái)階法)的特點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圍巖壓力監(jiān)測(cè)，并與TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的荷載進(jìn)行對(duì)比，研究圍巖壓力的變化規(guī)律和分布特征。

1 工程概況

鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道開(kāi)挖斷面面積約為150 m2，屬雙線大斷面隧道，全線隧道采用大斷面施工方法。全長(zhǎng)約287 km，新建車站6座，隧道32.5座(香樹(shù)灣隧道跨重慶和湖北2省，計(jì)為0.5座)，設(shè)計(jì)速度為350 km/h，隧道總延長(zhǎng)約167.7 km，全線10 km以上隧道7座，隧線比約為58.4%。

鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道圍巖主要為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)，其中Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)軟弱破碎圍巖總占比約為67%，如圖1所示。

圖1 圍巖級(jí)別比例

鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道采用大型機(jī)械化施工工法，主要配套機(jī)械為三臂鑿巖臺(tái)車、自行式多功能作業(yè)臺(tái)車、防水板作業(yè)臺(tái)架、鋼筋綁扎作業(yè)臺(tái)車、襯砌模板臺(tái)車、移動(dòng)式混凝土養(yǎng)生臺(tái)架，部分機(jī)械如圖2和圖3所示。

圖2 鋼筋綁扎作業(yè)臺(tái)車

圖3 襯砌模板臺(tái)車

鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道工程主要采用2種大斷面工法施工，即全斷面法和微臺(tái)階法。全斷面法即含仰拱一次全環(huán)開(kāi)挖，完成后初期支護(hù)立即閉合成環(huán)，見(jiàn)圖4。微臺(tái)階法分上下臺(tái)階2次開(kāi)挖、2次支護(hù)，其中根據(jù)下臺(tái)階高度不同，可分為2種情況，即下臺(tái)階高度為仰拱高度稱為微臺(tái)階Ⅰ法，見(jiàn)圖5(a); 下臺(tái)階高度3～4 m稱為微臺(tái)階Ⅱ法，見(jiàn)圖5(b)。

圖4 全斷面法施工示意圖

2 圍巖壓力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試斷面概況

從鄭萬(wàn)高鐵在建隧道中選取?？邓淼?、向家灣隧道、榮家灣隧道、高家坪隧道和新華隧道共計(jì)5座隧道進(jìn)行隧道洞身段圍巖接觸壓力的監(jiān)測(cè)，并選取其中20個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各監(jiān)測(cè)斷面信息如表1所示。

(a) 微臺(tái)階Ⅰ法

(b) 微臺(tái)階Ⅱ法

表1 各監(jiān)測(cè)斷面信息

2.2 測(cè)試元件

現(xiàn)場(chǎng)采用土壓力盒對(duì)圍巖壓力進(jìn)行測(cè)試，采用YT-200A型振弦式高精度雙膜壓力盒，測(cè)試范圍為0～2 MPa，計(jì)算公式為

p=K×(fi2-f02)/1 000。

(1)

式中：K為標(biāo)定系數(shù)，kPa/Hz2；p為壓力，kPa；fi為本次讀數(shù)，Hz；f0為初始讀數(shù)，Hz。

土壓力盒及其現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖6和圖7所示。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

各監(jiān)測(cè)斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，拱頂為1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由拱頂向左右拱墻分別每6 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖8所示。

圖6 土壓力盒

圖7 土壓力盒現(xiàn)場(chǎng)安裝

圖8 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位： m)

3 圍巖壓力分析

3.1 圍巖壓力分析思路

將選取的監(jiān)測(cè)斷面按照圍巖級(jí)別、埋深條件分為不同的工況，研究在大斷面機(jī)械化施工條件下圍巖壓力的分布規(guī)律和分布特征； 通過(guò)對(duì)同種工況下圍巖壓力值的包絡(luò)，得到圍巖壓力的分布規(guī)律，進(jìn)而與規(guī)范荷載進(jìn)行比較，分析其分布特征。主要研究思路如圖9所示。

圖9 圍巖壓力研究思路流程圖

3.2 圍巖壓力測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖壓力數(shù)據(jù)按照不同圍巖級(jí)別、埋深和開(kāi)挖方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，分別為Ⅳ深埋微臺(tái)階Ⅰ法、Ⅳ深埋全斷面法、Ⅴ深埋微臺(tái)階Ⅰ法和Ⅴ深埋微臺(tái)階Ⅱ法，共計(jì)4種工況，選取典型斷面圍巖壓力時(shí)程曲線進(jìn)行圍巖壓力變化規(guī)律分析，如圖10所示。

圖10 圍巖接觸壓力時(shí)程曲線

Fig. 10 Time-history curves of contact pressures of surrounding rock

將各監(jiān)測(cè)斷面信息、圍巖壓力最大值及穩(wěn)定時(shí)間匯總，如表2所示。

根據(jù)圖10和表2可知：

1)圍巖壓力變化大致分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和穩(wěn)定3個(gè)階段。當(dāng)圍巖接觸壓力增長(zhǎng)率不超過(guò)1%時(shí)，即可認(rèn)為圍巖壓力值達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)表2對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力穩(wěn)定時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，得到最終圍巖壓力從21～27 d開(kāi)始穩(wěn)定，Ⅳ級(jí)圍巖壓力穩(wěn)定時(shí)間較Ⅴ級(jí)圍巖接觸壓力穩(wěn)定時(shí)間早。

2)圍巖壓力沿隧道開(kāi)挖輪廓分布較為離散，同一斷面對(duì)稱各測(cè)點(diǎn)圍巖接觸壓力有較大差距；不同斷面圍巖接觸壓力最大值出現(xiàn)在不同位置。

3)同一圍巖級(jí)別條件下，隧道采用不同的施工工法對(duì)圍巖壓力最大值及穩(wěn)定時(shí)間沒(méi)有較明顯的影響。

3.3 圍巖壓力分布形式分析

3.3.1 分析方法

為了解大斷面機(jī)械化施工隧道圍巖壓力分布特征，將Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)深埋條件下圍巖壓力值進(jìn)行包絡(luò)，并與現(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中深埋隧道荷載計(jì)算圍巖壓力值進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖壓力分布特征。

1)規(guī)范荷載值采用現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中深埋隧道荷載計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

2)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)斷面圍巖壓力值按照不同的圍巖級(jí)別進(jìn)行整理和分析，并做出各圍巖級(jí)別條件下實(shí)測(cè)圍巖壓力包絡(luò)圖。其中，在Ⅳ級(jí)圍巖條件下有部分監(jiān)測(cè)斷面巖性為志留系下統(tǒng)羅惹坪組頁(yè)巖夾砂巖，巖層產(chǎn)狀主要為N45°～75°E /25°～50°S，與線路夾角18°～40°，傾向線路左側(cè)，隧道洞身右側(cè)順層偏壓。本文將此條件下的監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力值進(jìn)行單獨(dú)整理并分析其分布形式。各條件下圍巖壓力包絡(luò)圖如圖11所示。

表2 各工況下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總

(a) Ⅳ級(jí)深埋

(b) Ⅳ級(jí)深埋(偏壓)

(c) Ⅴ級(jí)深埋

Fig. 11 Envelope diagrams of maximum measured pressures of surrounding rock (unit: kPa)

3)根據(jù)面積等效的方法，將Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)實(shí)測(cè)圍巖壓力包絡(luò)值按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》荷載分布形式轉(zhuǎn)化為等效荷載。

圍巖壓力均布等效計(jì)算方法：

①根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將所測(cè)的徑向圍巖壓力分解為水平力和豎向力，將各測(cè)點(diǎn)水平及豎向圍巖壓力值按照線性等差分布形式連起來(lái)，如圖12所示。

圖12 分解徑向圍巖接觸壓力值

Fig. 12 Decomposition of radial contact pressures of surrounding

rock

根據(jù)式(2)—(8)計(jì)算豎向和水平向圍巖壓力。

(2)

(3)

(4)

Fvn=Fsin[(θ/180)π]；

(5)

Fun=Fcos[(θ/180)π]；

(6)

(7)

(8)

式(2)—(8)中：Fv為豎向壓力，kPa；Fu為左側(cè)水平壓力，kPa；Fu′為右側(cè)水平壓力，kPa；θ為圍巖壓力徑向與水平向夾角，(°)；F為圍巖徑向力，kPa；n為測(cè)點(diǎn)編號(hào)；l為隧道洞室最大跨度，m。

②根據(jù)式(9)—(12)，將水平力和豎向力按照面積等效原則轉(zhuǎn)化為均布分布模式。

(9)

(10)

(11)

(12)

式(9)—(12)中：q為等效豎向均布圍巖壓力，kPa/m2；H為隧道洞室高度，m；e、e′分別為等效左右水平向圍巖壓力，kPa/m2；eave為等效水平向圍巖壓力均值，kPa/m2。

對(duì)于一般地段，水平圍巖均布?jí)毫刹捎檬?12)進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于存在明顯偏壓地段，分別采用式(10)和式(11)進(jìn)行計(jì)算。最終得到如圖13所示的圍巖等效均布分布模式。

圖13 圍巖接觸壓力均布模式

Fig. 13 Uniform distribution mode of surrounding rock contact pressure

3.3.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上圍巖壓力轉(zhuǎn)化方法，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖壓力數(shù)據(jù)以及隧道輪廓參數(shù)(如表3和圖14所示)，帶入相關(guān)方程進(jìn)行計(jì)算，最終將實(shí)測(cè)圍巖壓力轉(zhuǎn)化為均布分布模式，轉(zhuǎn)化結(jié)果如圖15所示。

表3 計(jì)算參數(shù)

圖14 測(cè)點(diǎn)編號(hào)

(a) Ⅳ級(jí)深埋

(b) Ⅳ級(jí)深埋(偏壓)

(c) Ⅴ級(jí)深埋

將圖15中實(shí)測(cè)圍巖壓力等效荷載與規(guī)范荷載同圍巖級(jí)別條件下計(jì)算得到的等效荷載進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4和表5所示。

表4 Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖實(shí)測(cè)荷載與規(guī)范荷載對(duì)比

表5 Ⅳ級(jí)圍巖(偏壓)實(shí)測(cè)荷載與規(guī)范荷載對(duì)比

由表4和表5可知：

1)Ⅳ級(jí)圍巖深埋條件下，實(shí)測(cè)荷載小于規(guī)范荷載，實(shí)測(cè)豎向荷載約為規(guī)范豎向荷載的0.26倍，實(shí)測(cè)水平荷載約為規(guī)范水平荷載的0.32～0.63倍；實(shí)測(cè)荷載側(cè)壓力系數(shù)均大于規(guī)范荷載側(cè)壓力系數(shù),約為規(guī)范荷載側(cè)壓力系數(shù)的1.2～2.4倍。造成實(shí)測(cè)側(cè)壓力系數(shù)比規(guī)范側(cè)壓力系數(shù)大的原因可能與各隧道采用的大斷面開(kāi)挖方法有關(guān)，施工過(guò)程中采用的三臂鑿巖臺(tái)車等大型機(jī)械對(duì)實(shí)測(cè)圍巖側(cè)壓力系數(shù)也有一定影響。

2)Ⅴ級(jí)圍巖深埋條件下，實(shí)測(cè)荷載小于規(guī)范荷載，實(shí)測(cè)豎向荷載約為規(guī)范豎向荷載的0.33倍，實(shí)測(cè)水平荷載約為規(guī)范水平荷載的0.28～0.47倍；實(shí)測(cè)荷載側(cè)壓力系數(shù)在規(guī)范規(guī)定的側(cè)壓力系數(shù)范圍內(nèi),約為規(guī)范規(guī)定側(cè)壓力系數(shù)的0.86～1.43倍。

3)Ⅳ級(jí)圍巖深埋(偏壓)條件下，左側(cè)側(cè)壓力系數(shù)較大，超出規(guī)范規(guī)定的范圍，右側(cè)側(cè)壓力系數(shù)在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)鄭萬(wàn)高鐵大型機(jī)械化隧道圍巖壓力的監(jiān)控量測(cè)，考慮隧道開(kāi)挖斷面面積大、軟弱圍巖占比高、采用大型機(jī)械化施工等特點(diǎn)，對(duì)隧道圍巖壓力的分布規(guī)律進(jìn)行研究，并得到以下結(jié)論。

1)當(dāng)圍巖接觸壓力增長(zhǎng)率不超過(guò)1%時(shí)，即可認(rèn)為圍巖接觸壓力值達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)對(duì)大量監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得到大斷面機(jī)械化施工隧道圍巖接觸壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從21～27 d開(kāi)始穩(wěn)定；圍巖壓力分布較離散，最大值可能出現(xiàn)在隧道輪廓的任何一個(gè)位置。

2)Ⅳ級(jí)深埋條件下，實(shí)測(cè)荷載側(cè)壓力系數(shù)約為規(guī)范荷載側(cè)壓力系數(shù)的1.2～2.4倍；Ⅴ級(jí)深埋條件下，實(shí)測(cè)荷載側(cè)壓力系數(shù)約為規(guī)范規(guī)定側(cè)壓力系數(shù)的0.86～1.43倍；

3)采用規(guī)范圍巖壓力分布模式得到的實(shí)測(cè)均布荷載與規(guī)范荷載相比較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較大，但由于圍巖條件的復(fù)雜性，參數(shù)優(yōu)化時(shí)應(yīng)綜合考慮各支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。

4)本文只分析了回填注漿前圍巖壓力的分布規(guī)律及分布特征，并沒(méi)有對(duì)回填注漿后圍巖壓力的分布規(guī)律及特征進(jìn)行研究，今后將繼續(xù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，以進(jìn)一步分析回填注漿后圍巖壓力的分布規(guī)律及特征。