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        白堊系全風(fēng)化紅砂巖深埋隧道初期支護(hù)受力特性與荷載模式

        2019-11-11 08:16:10
        鐵道建筑 2019年10期
        關(guān)鍵詞:紅砂巖計(jì)算方法風(fēng)化

        夏 勇

        (中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251)

        蒙華鐵路是目前國內(nèi)一次建成的最長(zhǎng)重載貨運(yùn)鐵路,陽城隧道作為蒙華鐵路控制性工程之一,地質(zhì)條件復(fù)雜,穿越大量紅砂巖地層,其遇水易崩解軟化、水穩(wěn)性極差,因此支護(hù)、降水措施稍不到位,極易出現(xiàn)諸如襯砌開裂、初期支護(hù)大變形等問題。

        圍巖壓力與初期支護(hù)受力特性已有部分學(xué)者研究。文獻(xiàn)[1-3]總結(jié)歸納了現(xiàn)行主流圍巖壓力計(jì)算方法,并給出了相應(yīng)的適用范圍;文獻(xiàn)[4-7]針對(duì)不同地質(zhì)情況,通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到隧道圍巖壓力與初期支護(hù)的力學(xué)特性;文獻(xiàn)[8-10]通過監(jiān)控量測(cè)、數(shù)值模擬等手段對(duì)不同地質(zhì)情況下隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制進(jìn)行了研究。但以往文獻(xiàn)針對(duì)隧道穿越局部富水紅砂巖地層的研究較少,因此本文以蒙華鐵路陽城隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段為研究對(duì)象,基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),將實(shí)測(cè)值與目前主流的3種不同圍巖壓力計(jì)算公式所得計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,探討適用于紅砂巖深埋隧道圍巖壓力的計(jì)算公式與分布模式。

        1 工程概況

        陽城隧道位于陜西省榆林市靖邊縣龍洲鄉(xiāng)雙城村附近,隧道全長(zhǎng)7 108.25 m,最大埋深207 m。隧址區(qū)地形復(fù)雜,V 字形沖溝發(fā)育,呈樹枝狀分布,溝壑縱橫,沿線主要穿越白堊系全風(fēng)化紅砂巖和第四系砂土互層。選取DK245+301—DK245+331 段為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段。試驗(yàn)段總長(zhǎng)30 m,局部富水。埋深約120 m,洞身凈跨度11.6 m,凈高11.5 m。

        2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

        考慮到全風(fēng)化紅砂巖在不同含水率下性質(zhì)差異較大,試驗(yàn)段共布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)12個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)壓力盒、鋼筋計(jì)等。各監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力分布見圖1。

        圖1 各監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力分布(單位:kPa)

        由圖1 可知:①紅砂巖的含水率對(duì)圍巖壓力影響較大,富水區(qū)域圍巖壓力大。監(jiān)測(cè)斷面DK245+301 與DK245+313 由于全風(fēng)化紅砂巖地層上部富水,巖性較差,圍巖無自穩(wěn)能力,因此拱頂處圍巖壓力較大;監(jiān)測(cè)斷面DK245+319—DK245+331 段由于隧道右側(cè)富水,導(dǎo)致兩側(cè)圍巖壓力不對(duì)稱,左拱肩、左拱腰以及右拱腳處圍巖壓力較大,出現(xiàn)明顯偏壓現(xiàn)象。②各監(jiān)測(cè)斷面拱腰(70°~90°)處圍巖壓力相對(duì)較小??赡苁遣捎贸吧羁渍婵战邓畷r(shí)中臺(tái)階處出現(xiàn)明顯溜砂現(xiàn)象,導(dǎo)致中臺(tái)階處圍巖不密實(shí)或部分脫空。

        3 圍巖壓力計(jì)算方法

        3.1 計(jì)算參數(shù)的確定

        為全面研究圍巖的工程特性,在陽城隧道試驗(yàn)段6 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別取土進(jìn)行了顆粒密度試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。所得物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 全風(fēng)化紅砂巖物理力學(xué)參數(shù)

        3.2 計(jì)算方法的確定

        深埋隧道圍巖壓力計(jì)算主要依據(jù)普氏理論、太沙基理論、TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦方法以及卡柯公式。由于采用卡柯公式計(jì)算時(shí)要用到塑性松動(dòng)壓力,而塑性圈半徑難以測(cè)得,不確定性較大,因而不予考慮。

        將表1 中數(shù)據(jù)以及斷面設(shè)計(jì)參數(shù)代入3 種理論圍巖壓力計(jì)算公式,得到理論計(jì)算值。先將實(shí)測(cè)圍巖壓力最大值分解為豎向圍巖壓力和水平圍巖壓力,然后將其與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,見表2??芍翰捎肨B 10003—2016 推薦的計(jì)算方法所得的豎向圍巖壓力與實(shí)測(cè)最大值偏差太大;普氏理論、太沙基理論的計(jì)算值與實(shí)測(cè)最大值偏差幅度接近,但綜合豎向與水平圍巖壓力來看,太沙基理論更為接近。因此,依據(jù)太沙基理論計(jì)算全風(fēng)化紅砂巖深埋隧道圍巖壓力。

        表2 圍巖壓力理論值與實(shí)測(cè)最大值對(duì)比

        4 圍巖壓力分布規(guī)律

        4.1 豎向圍巖壓力分布

        取6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)豎向圍巖壓力的平均值,并以拱頂處豎向圍巖壓力平均值作為基準(zhǔn)值,計(jì)算得出豎向圍巖壓力在不同測(cè)點(diǎn)的分布比例(某點(diǎn)位豎向圍巖壓力平均值/拱頂豎向圍巖壓力平均值),見表3。

        表3 各測(cè)點(diǎn)豎向圍巖壓力平均值及分布比例

        由表3可知:隧道拱頂至左右30°范圍內(nèi)豎向圍巖壓力平均值較大,到拱肩時(shí)豎向圍巖壓力達(dá)到最大值,此后逐漸減小,左右80°處豎向圍巖壓力平均值較小,分布比例趨近于0。

        依據(jù)表3中分布比例,考慮安全余量,得到深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道豎向圍巖壓力分布見圖2。該圖式對(duì)稱于隧道中心線,拱頂處豎向圍巖壓力為依據(jù)太沙基理論計(jì)算得到的豎向圍巖壓力q,左右30°處取1.2q ~1.4q,左右60°~ 90°取0.4q ~0.6q,呈山峰狀。

        圖2 深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道豎向圍巖壓力分布

        4.2 水平圍巖壓力分布

        取6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)水平圍巖壓力的平均值,并以左右30°處水平圍巖壓力平均值作為基準(zhǔn)值,計(jì)算得出水平圍巖壓力在不同測(cè)點(diǎn)的分布比例(某點(diǎn)位水平圍巖壓力平均值/左右30°處水平圍巖壓力平均值),見表4。

        表4 各測(cè)點(diǎn)水平圍巖壓力均值及分布比例

        由表4可知:隧道水平圍巖壓力呈上小下大趨勢(shì),隧道左右30° ~110°水平圍巖壓力分布較為均勻,從左右110°~135°水平圍巖壓力逐漸增大。

        依據(jù)表4中分布比例,考慮安全余量,得到深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道水平圍巖壓力分布見圖3。以依據(jù)太沙基理論計(jì)算得到的水平圍巖壓力e為基準(zhǔn),拱頂至左右 110°水平圍巖壓力取 1.0e~1.2e,左右 110°~135°呈線性遞增,左右135°至仰拱水平圍巖壓力取1.5e~1.8e。

        圖3 深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道水平圍巖壓力分布

        5 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算

        現(xiàn)行鐵路隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算一般采用TB 10003—2016 中推薦的計(jì)算方法。通過ANSYS 軟件,建立荷載-結(jié)構(gòu)模型,圍巖壓力分別采用本文給出的深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道計(jì)算方法與規(guī)范推薦的方法進(jìn)行計(jì)算。

        初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù):彈性模量31.55 GPa,泊松比0.2,重度25 kN/m3。

        初期支護(hù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見圖4??芍?種計(jì)算方法所得到的初期支護(hù)內(nèi)力分布基本一致,但本文給出的計(jì)算方法所得內(nèi)力較規(guī)范推薦方法所得內(nèi)力大,彎矩最大值出現(xiàn)在左右60°、左右135°,是初期支護(hù)的薄弱點(diǎn)。這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相吻合。

        圖4 初期支護(hù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

        2 種計(jì)算方法所得的隧道初期支護(hù)安全系數(shù)對(duì)比見表5??芍?種方法所得的安全系數(shù)最大值均出現(xiàn)在左右兩側(cè)30°(拱肩),而拱頂、拱腰(左右60°)、拱腳(左右135°)、仰拱的安全系數(shù)都較?。槐疚慕o出的計(jì)算方法所得安全系數(shù)較規(guī)范推薦計(jì)算方法小。此時(shí)安全系數(shù)若能滿足要求,則規(guī)范推薦計(jì)算方法必定也能滿足要求??紤]到紅砂巖地層物理性質(zhì)較差,屬于Ⅵ級(jí)圍巖。因此,從偏保守考慮,建議初期支護(hù)采用本文推薦的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        表5 安全系數(shù)對(duì)比

        6 結(jié)論

        1)含水率對(duì)深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道圍巖壓力影響顯著。在局部富水或真空降水不完全區(qū)域圍巖壓力較大,使得圍巖壓力分布不均勻,最大值出現(xiàn)位置不確定。

        2)深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道圍巖壓力計(jì)算推薦采用太沙基理論計(jì)算公式。依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出了深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道圍巖壓力分布計(jì)算方法。豎向圍巖壓力呈中間小、兩頭大分布,兩頭峰值壓力1.2q~1.4q。水平圍巖壓力呈上部小、下部大分布,左右110°以上部位取1.0e~1.2e,左右135°至仰拱取1.5e~1.8e。

        3)本文給出的深埋全風(fēng)化紅砂巖隧道圍巖壓力計(jì)算方法相比規(guī)范推薦的計(jì)算方法所得的初期支護(hù)安全系數(shù)更小??紤]到紅砂巖地層的物理性質(zhì)較差,建議采用本文給出的計(jì)算方法設(shè)計(jì)。

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