側(cè)壓力系數(shù)對高地應力隧道二次襯砌承載力的影響

王志杰，袁曄，何晟亞，許瑞寧

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

側(cè)壓力系數(shù)對高地應力隧道二次襯砌承載力的影響

王志杰，袁曄，何晟亞，許瑞寧

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

高地應力區(qū)隧道的地應力和側(cè)壓力系數(shù)往往沿線有所變化。為了研究高地應力條件下，側(cè)壓力系數(shù)對隧道二次襯砌承載力的影響規(guī)律，首先分析了隧道試驗段的實測地應力和接觸應力，確定了隧道所處的地應力及側(cè)壓力系數(shù)的大小。然后利用有限元軟件ANSYS，采用荷載結(jié)構(gòu)模型計算了在0.25～4.00不同側(cè)壓力系數(shù)下隧道二次襯砌的內(nèi)力。最后根據(jù)內(nèi)力值計算出安全系數(shù)，從而推斷其極限承載能力，并總結(jié)了側(cè)壓力系數(shù)對隧道二次襯砌極限承載能力的影響規(guī)律。

隧道 側(cè)壓力系數(shù) 極限承載力 高地應力 荷載結(jié)構(gòu)模型

隨著我國交通建設的不斷發(fā)展，隧道工程已經(jīng)向長大、深埋方向發(fā)展。近幾年來，穿越高地應力區(qū)且地質(zhì)環(huán)境惡劣的軟弱圍巖長大隧道工程不斷涌現(xiàn)。由于對高地應力區(qū)軟弱地質(zhì)環(huán)境缺少足夠的認識，在隧道施工過程中頻頻出現(xiàn)塌方和襯砌變形過大等事故，給隧道建設造成巨大的損失。而高地應力區(qū)隧道的地應力水平和側(cè)壓力系數(shù)往往沿線有所變化，為了探明不同側(cè)壓力系數(shù)下，高地應力區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征和力學行為，本文以大梁隧道斜井段的地質(zhì)條件和支護參數(shù)為背景，采用ANSYS有限元軟件針對不同豎向地應力和側(cè)壓力條件下隧道二次襯砌的內(nèi)力進行了計算，進而分析了不同側(cè)壓力條件下二次襯砌極限承載力及受力特征。

1 工程背景

大梁隧道位于青海省門源縣，地處祁連山中高山區(qū)，平均海拔3 600～4 200 m，最高海拔為4 430 m，最大埋深超過800 m，穿越斷層帶，地質(zhì)條件特別復雜。試驗段位于隧道斜井段，斜井長度1 070 m。掌子面揭示巖性為板巖夾灰?guī)r，巖體呈灰白—灰黑色。受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重，巖層有撓曲現(xiàn)象，呈薄層狀，局部呈碎石狀松散結(jié)構(gòu)。節(jié)理很發(fā)育，巖體較破碎～極破碎。巖質(zhì)軟弱，掌子面多滲水，拱部有股狀涌水，并伴有碎屑顆粒流出。圍巖易坍塌，側(cè)壁不穩(wěn)定，現(xiàn)場綜合判定為Ⅴ級圍巖。

2 實測地應力及接觸應力

在大梁隧道斜井輔助正洞DK331+816及DK332 +019處布置了鉛直地應力測試孔。經(jīng)現(xiàn)場實測，最大水平主應力的最大值為27.83 MPa，最小主應力的最大值為15.18 MPa，實測地應力值如表1。在大梁隧道斜井輔助正洞DK331+630，DK331+710及DK332 +730處布置了3個襯砌接觸應力測試斷面，襯砌各點與圍巖接觸壓力如表2所示。

表1 大梁隧道地應力現(xiàn)場測試值

從表1中可以看出，試驗段中最大水平主應力值為27.83 MPa。而通過對單軸、三軸試驗數(shù)據(jù)的分析計算得到圍巖的單軸抗壓強度為20 MPa左右，由此可得圍巖強度應力比Rc/σmax=0.719，屬于極高地應力狀態(tài)。試驗段范圍內(nèi)，側(cè)壓力系數(shù)均＞1，表明本區(qū)域是以水平構(gòu)造應力為主導。從隧道實際開挖后測試出來的接觸壓力來看，側(cè)壓力值在1～3之間變化，與表1中的初始地應力值相比，開挖后的側(cè)壓力系數(shù)變化范圍較大，這應該與隧道開挖后應力重分布有關(guān)。總的來說，大梁隧道處于極高地應力區(qū)，且沿線側(cè)壓力系數(shù)有所變化。

表2 大梁隧道襯砌接觸壓力測試值

3 數(shù)值計算與結(jié)果分析

隧道設計參數(shù)如下:拱墻50 cm，仰拱60 cm。拱、墻、仰拱混凝土等級C35，HRB335雙層鋼筋，直徑22 mm，間距15 cm，保護層厚度50 mm。根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》TB 10003—2005，計算所采用的材料參數(shù)和地層參數(shù)見表3。計算中側(cè)壓力系數(shù)取值從0.25～4.00。

表3 材料計算參數(shù)

目前對隧道結(jié)構(gòu)的計算主要有兩種模型:荷載—結(jié)構(gòu)模型與地層—結(jié)構(gòu)模型，本次計算采用荷載—結(jié)構(gòu)模型進行計算。計算軟件采用大型通用有限元軟件ANSYS10.0。根據(jù)荷載—結(jié)構(gòu)模型理論，假設襯砌四周均布地基彈簧。用梁單元Beam3來模擬隧道二次襯砌，利用Combin14單元來模擬圍巖對襯砌的彈性抗力，設置Combin14單元只受壓不受拉。對梁單元施加荷載，計算得到二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

當取側(cè)壓力系數(shù)為2時，采用表4中不同荷載值試算，得到其安全系數(shù)如表4所示。根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》TB 10003—2005中對于安全系數(shù)的規(guī)定，就可以判斷出其水平極限荷載值。從表4可知，當側(cè)壓力系數(shù)為2，水平荷載為0.9 MPa時，二次襯砌的安全系數(shù)為2.4，剛好滿足二次襯砌安全性的要求，從而可以知道在側(cè)壓力系數(shù)為2時，水平極限荷載的值為0.9 MPa。當側(cè)壓力取其余值時，可分別采用上述方法經(jīng)過試算得到對應的水平極限荷載值，詳見表5。

表4 側(cè)壓力系數(shù)為2時試算荷載組合

表5 側(cè)壓力系數(shù)對應水平極限荷載值

由表5和圖1可以看出，隧道處于不同側(cè)壓力水平下時，隧道襯砌的承載能力也會有所不同，產(chǎn)生破壞的位置也將發(fā)生變化。隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，極限荷載值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，二次襯砌危險部位由拱頂轉(zhuǎn)移到墻角。在側(cè)壓力系數(shù)為1時，極限荷載值取得最大值，襯砌結(jié)構(gòu)受力較均勻。

圖1 側(cè)壓力系數(shù)與水平極限荷載曲線

根據(jù)圖1，若確定側(cè)壓力系數(shù)值后，隧道所受的實際水平荷載值在圖中曲線以下，則結(jié)構(gòu)是處于安全狀態(tài)的，若在曲線以上，則結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求。據(jù)此可以對大量隧道試驗斷面進行安全性分析，如表6所示。可以看出，3個試驗斷面安全性均滿足規(guī)范要求。

表6 試驗斷面安全性分析

4 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)場測試和有限元數(shù)值模擬，研究了側(cè)壓力系數(shù)對高地應力隧道二次襯砌極限承載力及其變化規(guī)律的影響，得出了以下結(jié)論:

1)隧道處于不同側(cè)壓力水平下時，隧道襯砌的承載能力也會有所不同，產(chǎn)生破壞的位置也將發(fā)生變化。

2)側(cè)壓力系數(shù)為1時，水平極限荷載值最大。此時結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布較為均勻，為最佳受力狀況。

3)側(cè)壓力系數(shù)小于1時，隨著側(cè)壓力系數(shù)增大，水平極限荷載值增大。側(cè)壓力系數(shù)大于1時，隨著側(cè)壓力系數(shù)增大，水平極限荷載值減小。

4)側(cè)壓力系數(shù)較小值(此處為0.25～0.5)時，控制斷面為拱頂，即拱頂混凝土易產(chǎn)生受拉破壞，在施工中應該注意控制拱頂混凝土澆筑質(zhì)量。當側(cè)壓力系數(shù)較大時，控制斷面為墻腳，即墻角混凝土易產(chǎn)生受拉破壞，此時要嚴密控制墻角混凝土澆筑質(zhì)量，防止墻角混凝土拉壞。

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Influence of lateral pressure coefficient on bearing capacity of secondary lining of tunnel in high ground-stress area

WANG Zhijie，YUAN Ye，HE Shengya，XU Ruining
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T he ground stress level and lateral pressure coefficients of high ground stress area often vary along the tunnel．In order to study the influence of lateral pressure coefficient on the bearing capacity of the secondary tunnel lining under high ground stress conditions，the measured stresses and contact stress in the tunnel test section are firstly analyzed，and the ground stress level and the lateral pressure coefficient are determined．By using finite element software ANSYS and load structure model，this paper calculated the internal force of tunnel secondary lining under different lateral pressure coefficient which is from 0.25 to 4.00，and concluded influence of lateral pressure coefficient on ultimate bearing capacity of tunnel secondary lining according to the safety coefficient and its ultimate bearing capacity deduced by the internal force value．

T unnel;Lateral pressure coefficient;Ultimate bearing capacity;High ground stress;Load structure model

U451+.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．16

1003-1995(2015)03-0054-03

(責任審編趙其文)

2014-07-26;

2014-12-22

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，山西萬榮人，教授。