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        白堊系全風(fēng)化紅砂巖深埋隧道初期支護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:紅砂巖計算方法風(fēng)化

        夏 勇

        (中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300251)

        蒙華鐵路是目前國內(nèi)一次建成的最長重載貨運鐵路,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、降水措施稍不到位,極易出現(xiàn)諸如襯砌開裂、初期支護大變形等問題。

        圍巖壓力與初期支護受力特性已有部分學(xué)者研究。文獻[1-3]總結(jié)歸納了現(xiàn)行主流圍巖壓力計算方法,并給出了相應(yīng)的適用范圍;文獻[4-7]針對不同地質(zhì)情況,通過現(xiàn)場監(jiān)測得到隧道圍巖壓力與初期支護的力學(xué)特性;文獻[8-10]通過監(jiān)控量測、數(shù)值模擬等手段對不同地質(zhì)情況下隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用機制進行了研究。但以往文獻針對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)場試驗段為研究對象,基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),將實測值與目前主流的3種不同圍巖壓力計算公式所得計算值進行對比,探討適用于紅砂巖深埋隧道圍巖壓力的計算公式與分布模式。

        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)場試驗段。試驗段總長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)場試驗結(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,試驗段共布設(shè)6個監(jiān)測斷面,每個監(jiān)測斷面設(shè)12個測點,每個測點布設(shè)壓力盒、鋼筋計等。各監(jiān)測斷面圍巖壓力分布見圖1。

        圖1 各監(jiān)測斷面圍巖壓力分布(單位:kPa)

        由圖1 可知:①紅砂巖的含水率對圍巖壓力影響較大,富水區(qū)域圍巖壓力大。監(jiān)測斷面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)測斷面拱腰(70°~90°)處圍巖壓力相對較小。可能是采用超前深孔真空降水時中臺階處出現(xiàn)明顯溜砂現(xiàn)象,導(dǎo)致中臺階處圍巖不密實或部分脫空。

        3 圍巖壓力計算方法

        3.1 計算參數(shù)的確定

        為全面研究圍巖的工程特性,在陽城隧道試驗段6 個監(jiān)測斷面分別取土進行了顆粒密度試驗、固結(jié)試驗和直剪試驗。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 計算方法的確定

        深埋隧道圍巖壓力計算主要依據(jù)普氏理論、太沙基理論、TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中推薦方法以及卡柯公式。由于采用卡柯公式計算時要用到塑性松動壓力,而塑性圈半徑難以測得,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)計參數(shù)代入3 種理論圍巖壓力計算公式,得到理論計算值。先將實測圍巖壓力最大值分解為豎向圍巖壓力和水平圍巖壓力,然后將其與理論計算值進行對比,見表2??芍翰捎肨B 10003—2016 推薦的計算方法所得的豎向圍巖壓力與實測最大值偏差太大;普氏理論、太沙基理論的計算值與實測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測最大值對比

        4 圍巖壓力分布規(guī)律

        4.1 豎向圍巖壓力分布

        取6個監(jiān)測斷面各測點實測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值,計算得出豎向圍巖壓力在不同測點的分布比例(某點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 各測點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,到拱肩時豎向圍巖壓力達到最大值,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個監(jiān)測斷面各測點實測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值,計算得出水平圍巖壓力在不同測點的分布比例(某點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 各測點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,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)太沙基理論計算得到的水平圍巖壓力e為基準,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 初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗算

        現(xiàn)行鐵路隧道初期支護結(jié)構(gòu)強度計算一般采用TB 10003—2016 中推薦的計算方法。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)化紅砂巖隧道計算方法與規(guī)范推薦的方法進行計算。

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

        初期支護內(nèi)力計算結(jié)果見圖4??芍?種計算方法所得到的初期支護內(nèi)力分布基本一致,但本文給出的計算方法所得內(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°,是初期支護的薄弱點。這與現(xiàn)場實際情況相吻合。

        圖4 初期支護內(nèi)力計算結(jié)果

        2 種計算方法所得的隧道初期支護安全系數(shù)對比見表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出的計算方法所得安全系數(shù)較規(guī)范推薦計算方法小。此時安全系數(shù)若能滿足要求,則規(guī)范推薦計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級圍巖。因此,從偏保守考慮,建議初期支護采用本文推薦的計算方法進行設(shè)計。

        表5 安全系數(shù)對比

        6 結(jié)論

        1)含水率對深埋全風(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算推薦采用太沙基理論計算公式。依據(jù)實測數(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算方法相比規(guī)范推薦的計算方法所得的初期支護安全系數(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算方法設(shè)計。

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