飽水黃土隧道變形規(guī)律研究

1、第 24 卷增刊巖土力學(xué)Vol.24 Supp.2003 年 10 月Rock and Soil MechanicsOct. 2003文章編號：10007598(2003)增 2022506飽水黃土隧道變形規(guī)律研究喬春生 1 ，管振祥 2 ，滕文彥 3(1. 北方交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京100044；2. 中鐵十四局三處，山東兗州 372000；3. 石家莊鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，河北 石家莊 050041)摘要： 新松樹灣隧道位于飽和的砂粘土中，土體的穩(wěn)定性極差，施工難度較大。為此，在隧道施工期間，通過土工試驗、隧道收斂和圍巖內(nèi)部位移的現(xiàn)場監(jiān)測、隧道變形的三維有限元仿真計算等手段，對該

2、隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得了大量試驗數(shù)據(jù)。研究成果對隧道的施工組織和支護(hù)參數(shù)的確定起到了重要作用，為此類隧道的施工積累了經(jīng)驗。關(guān)鍵詞： 飽和黃土隧道； 隧道變形； 現(xiàn)場監(jiān)測； 三維有限元計算中圖分類號： TU 444文獻(xiàn)標(biāo)識碼： AA study on deformation of tunnel excavated in saturated loessQIAO Chun-sheng 1 ,GUAN Zhen-xiang 2 ,TENG Wen-yan 3(1. School of Civil and Architecture Engineering, Northern Jiaotong

3、 University,Beijing100044,China;2. China Railway Shisi Bureau Group,No.3 Engineering Co. Ltd,Yanzhou372000,China;3. Shijiazhuang Institute of Railway Engineering,Shijiazhuang050041,China)Abstract: The new songshuwan tunnel is excavated in saturated sandy clay which is weak and soft soil having low s

4、tability. In order to ensure safety of excavation, convergences of the tunnel and deformation of surrounding soil are examined by soil test and site monitoring as well as three-dimensional finite element analysis. Many significant conclusions are obtained from this study and some valuable advice for

5、 construction and support design of the new songshuwan tunnel is given. Experimental results can be used as a reference for future similar tunnel.Key words: saturated loess; deformation of tunnel; site monitoring; three-dimensional finite element method1引言彎曲變形現(xiàn)象1。該線上的羊馬河隧道施工過程中發(fā)現(xiàn)開挖后圍巖不能自穩(wěn)，變形很大，曾發(fā)生過多

6、我國已經(jīng)在土體中建成了多條隧道，包括鐵路次塌方事故2?？梢?，土質(zhì)隧道采用新奧法施工時，隧道、公路隧道、引水隧道等，施工中均遇到過很會遇到初期支護(hù)收斂變形大，圍巖難于穩(wěn)定的問題，多問題，施工的難易程度主要取決于土體的性質(zhì)和在設(shè)置二次襯砌后，還會出現(xiàn)襯砌開裂現(xiàn)象3。寶地下水的分布。與巖體相比，土體強(qiáng)度低，變形大，蘭二線上的新松樹灣隧道位于粘質(zhì)黃土和砂粘土自承能力小，工程性質(zhì)差，受水的影響十分強(qiáng)烈，中，前者具有二級自重濕陷性，后者表現(xiàn)為強(qiáng)崩解一旦被水浸泡，達(dá)到飽和狀態(tài)，其強(qiáng)度會明顯降低，性和弱膨脹性，飽和率達(dá)到了 93.4 %100 %，與工程性質(zhì)發(fā)生很大變化。因此，在富含水土體中修其它土質(zhì)隧道相比

7、，不僅含水量大，而且，土體具建隧道的施工難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于修建同類型的巖石隧有強(qiáng)崩解性，遇水強(qiáng)度迅速降低，土體的穩(wěn)定性極道。如神延線七楞山隧道為一條在新黃土、老黃土差。由于圍巖的變形較大，確定二次襯砌與開挖掌和粘土中開挖的淺埋鐵路隧道，施工方案為正臺階子面之間的合理距離，關(guān)系到初期支護(hù)和二次襯砌先拱后墻法開挖，地下水主要為粘土層裂隙水，進(jìn)的穩(wěn)定。鑒于此，為保證隧道的施工安全和工程質(zhì)洞 100 m 時即發(fā)生噴射混凝土突然開裂，格柵嚴(yán)重量，制定了一套能夠適合該隧道地質(zhì)條件的開挖控收稿日期：2003-04-23基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：50078002)。作者簡介：喬春生，男，1958 年

8、生，1988 年于日本東京大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程方面的教學(xué)與科研工作。226巖土力學(xué)2003 年制措施，指導(dǎo)隧道施工，同時，為此類隧道的施工積累經(jīng)驗。在隧道施工過程中，通過土工試驗、隧道變形的現(xiàn)場監(jiān)控量測、三維有限元仿真計算等信息化手段，對該隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得了一些有益的成果，有效地指導(dǎo)了隧道施工，為保證隧道施工安全和工程質(zhì)量起到了重要作用。2隧道地質(zhì)條件及工程概況新松樹灣隧道為既有松樹灣隧道復(fù)線的單線鐵路隧道，位于甘肅省隴西縣境內(nèi)大營梁，全長1 726 m，最大埋深為 110 m，隧道采用復(fù)合襯砌支護(hù)。大營梁為黃土梁峁區(qū)，該隧道范圍地層為上

9、更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土和下、中更新統(tǒng)沖、洪積雜色砂粘土。粘質(zhì)黃土為淡黃色、棕黃色，厚 020 m，土質(zhì)較均勻，具孔隙及蟲孔，半干硬至硬塑，屬 II類圍巖，并具有 II 級自重濕陷性。雜色砂粘土主要表現(xiàn)為強(qiáng)崩解性，大部分為 II 類圍巖，局部呈軟塑流塑狀，為 I 類圍巖。大營梁地帶年平均降水量513.3 mm，隧道三面匯水，地下水較發(fā)育，系大氣降水補(bǔ)給。地下水主要有上層滯水和裂隙水，前者一般埋深 1530 m 之間。多見有泉水和滲水出露，水量相對較大，隧道內(nèi)日滲水量 18.83 m3/d。經(jīng)調(diào)查，既有松樹灣隧道(1960 年建成)各地段有不同程度的滲漏水現(xiàn)象，病害十分嚴(yán)重，曾進(jìn)行過多次維修。因此，新

10、松樹灣隧道采用曲墻有仰拱襯砌，除進(jìn)口端 I 類圍巖模筑襯砌外，其余均采用復(fù)合襯砌。初期支護(hù)為 1 榀/m 鋼格柵+鋼筋網(wǎng)，采用新奧法分三臺階開挖。砂粘土的物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示，其含水量超過了 20 %，基本上處于飽和狀態(tài)，從不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)的大小可以判斷出土中砂的含量較大，滲透系數(shù)達(dá)到了 3.9810-5 cm/s，土的透水性較好，地表降水容易滲入土中，進(jìn)入隧道。從原狀土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)(見圖 1)，當(dāng)應(yīng)力小于土表 1砂粘土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1Physical and mechanical parameters of sandy clay物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)值物理力學(xué)

11、參數(shù)指標(biāo)值濕密度/ g cm-32.06壓縮系數(shù) / MPa-10.05重度/ kN m-320.2體積壓縮系數(shù) / MPa-10.03含水量/ %20.1膨脹量 / %0.57孔隙比0.54單軸抗壓強(qiáng)度 / MPa0.545孔隙率/ %35彈性模量 / MPa34.86飽和度/ %98粘聚力 / MPa0.11不均勻系數(shù)52內(nèi)摩擦角 / ()25曲率系數(shù)3有效粘聚力 / MPa0.14滲透系數(shù)/ cm s-13.9810-5有效內(nèi)摩擦角 / ()24的抗壓強(qiáng)度時，土的變形很小，基本上滿足彈性變形規(guī)律，然而，當(dāng)應(yīng)力超過了土的抗壓強(qiáng)度以后，則出現(xiàn)明顯的塑性流動，除圍壓等于零以外，基本上接近理想塑

12、性狀態(tài)，即使產(chǎn)生很大的塑性變形，土的承載能力也不會明顯降低。砂粘土的膨脹性較弱，屬于弱膨脹性土，施工中可以不考慮土的膨脹變形所引起的膨脹壓力。圖 1砂粘土的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 1Stress-strain curves of sandy clay3收斂與圍巖變形的現(xiàn)場監(jiān)測3.1 監(jiān)測方案為了掌握隧道施工過程中圍巖的變形狀態(tài)，在隧道施工期間，分別對隧道內(nèi)空收斂和圍巖內(nèi)部位移進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。內(nèi)空收斂監(jiān)測采用煤炭科學(xué)研究總院研制的 JSS30A 型數(shù)字顯示式收斂儀。實際測量時，每條測線每次都重復(fù)測量三遍，然后取平均值，以消除偶然誤差?？紤]到隧道凈空較高，在每個量測斷面內(nèi)分別布置了 5 個收

13、斂測點(見圖 2)，每個斷面共有 6 條收斂測線。圖 2隧道收斂測線示意圖Fig. 2Schematic of measurement lines of convergence圖 3 是圍巖內(nèi)部位移測點布置圖，每個監(jiān)測斷增刊喬春生等：飽水黃土隧道變形規(guī)律研究227面上分別設(shè)置了 7 個測點，采用煤炭科學(xué)研究總院研制的 DW-3A 型鉆孔多點位移計，測量洞內(nèi)壁內(nèi)1 m，2 m，4 m 處巖體與洞壁之間的相對位移。多點位移計的測點錨頭為膨脹木錨頭。圖 3多點位移計布置圖Fig. 3Arrangement of multi-extensometers隧道內(nèi)共布置了 8 個監(jiān)測斷面，其中 1#5#斷面

14、的間隔均為 15 m左右，6#8#斷面的間隔則較大，每個監(jiān)測斷面均進(jìn)行了收斂量測，只在 7#和 8#斷面上布置了圍巖內(nèi)部位移的測點。3.2 隧道的收斂變形個別斷面和個別測線因施工影響和測點受損以及其它因素沒有獲得可供參考和利用的監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)收斂監(jiān)測結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)隧道收斂具有以下特點：(1) 各個監(jiān)測斷面內(nèi)每條測線的收斂量差別較大，兩條水平測線(2-3 測線和 4-5 測線)的收斂量明顯大于其它測線。這說明隧道開挖后左右兩個側(cè)墻之間的相對變形大于其它方向的變形，這可能是由于隧道仰拱施工較晚，兩側(cè)墻墻角受到的約束較小，因而，使側(cè)墻比較容易朝洞內(nèi)產(chǎn)生位移。同時，也說明隧道穿越地區(qū)可能存在構(gòu)造應(yīng)力

15、。(2) 隧道的收斂主要出現(xiàn)在開挖后的短期內(nèi)，前幾天的收斂量占各測線收斂量的比重較大。因此，控制隧道變形的關(guān)鍵是開挖后應(yīng)盡快進(jìn)行初期支護(hù)，并適當(dāng)增加初期支護(hù)的剛度。(3) 開挖后的前兩三天之內(nèi)，隧道變形發(fā)展較快，之后，變形速度雖然逐漸減小，但收斂很慢，沒有趨于穩(wěn)定。由于施工和其他因素影響，對隧道收斂沒能進(jìn)行長期觀測，最長觀測時間僅為 18 d，在觀測期內(nèi)，隧道收斂沒有達(dá)到穩(wěn)定。這一方面說明隧道圍巖變形具有一定的流變特性，另一方面，也可能與地下水的滲透和排水情況有關(guān)。隧道開挖后，盡管立即進(jìn)行了初期支護(hù)，封閉了圍巖，但由于噴射混凝土的密實性有限，圍巖內(nèi)裂隙也比較發(fā)育，所以隨著時間的推移，地下水會逐

16、漸滲透進(jìn)入隧道內(nèi)部，從而，使圍巖內(nèi)部應(yīng)力和變形狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。開挖后隧道附近圍巖應(yīng)力的重新調(diào)整，也可能使隧道周圍出現(xiàn)一定范圍的破壞區(qū)(或松動區(qū))，破壞區(qū)內(nèi)圍巖的滲透系數(shù)增大，也會導(dǎo)致圍巖變形的增大。由此可見，隧道變形趨于穩(wěn)定可能需要較長的時間。(4) 各個監(jiān)測斷面的收斂量差別很大，其中 3號斷面的最大收斂量接近 175 mm(圖 4)，2 號斷面也達(dá)到了 90 mm 左右，而其它斷面的最大收斂量為50 mm 左右。這可能與各個斷面測點的埋設(shè)時間、初期支護(hù)所花費的時間、開挖花費的時間以及開挖順序、初期支護(hù)的剛度等有關(guān)，其中初期支護(hù)的剛度對隧道收斂的影響較大，比如，1#5#斷面采用鋼格柵與噴射混

17、凝土支護(hù)，最大收斂為 175 mm，6#8#斷面改用拱型支架和噴射混凝土支護(hù)后，盡管噴射混凝土的厚度與 1#5#斷面相同，但收斂量卻明顯減小，最大僅為 131 mm。200180160mm1401201-2 線/100收斂量2-3線60801-3線401-5 線204-5 線0051015經(jīng)過時間 / d(a) 3#斷面3#斷面1401-2線1-3線1202-3線1-4線1001-5線4-5線/mm80收斂量6040200-2005101520經(jīng)過時間/d7#斷面(b) 7#斷面圖 4隧道收斂隨時間的變化曲線Fig. 4 Changes of convergences of the tunne

18、l with elapsed time(5) 因經(jīng)驗不足和現(xiàn)場施工條件的限制等原因，測點的布設(shè)時間以及初始讀數(shù)時間都受到了一定影響。開始測試時，圍巖和隧道已經(jīng)產(chǎn)生了很大228巖土力學(xué)2003 年位移，因此，可以認(rèn)為，監(jiān)測結(jié)果遠(yuǎn)小于隧道的實際收斂值。盡管如此，實測收斂量也達(dá)到了 175 mm左右?？梢?，新松樹灣隧道圍巖變形較大，在進(jìn)行初期支護(hù)時，應(yīng)該根據(jù)圍巖的這些變形規(guī)律和大小來確定支護(hù)參數(shù)和方式，不應(yīng)籠統(tǒng)地根據(jù)圍巖類別和經(jīng)驗進(jìn)行確定。(6) 隧道收斂與開挖掌子面離開距離的關(guān)系類似于圖 5。隨著掌子面的超前推進(jìn)，因掌子面對監(jiān)測斷面圍巖變形的約束作用逐漸減弱，當(dāng)掌子面離開一定距離后(3540 m)

19、，隧道收斂速度趨緩，表明圍巖變形將趨于穩(wěn)定。401 m/ mm302 m204 m位移100020406080100掌子面距離 / m(a) 7#斷面拱頂(a) 7#斷面拱頂15 1 m 2 m4m/mm104 m位移50020406080100掌子面距離 / m(b) 7#斷面左拱腳(b) 7#斷拱腳181 m2 m16mm144m12/10位移68420020406080100掌子面距離 / m(c) 7#斷斷面右右拱拱腳腳(c) 7#圖 5 圍巖內(nèi)部位移與掌子面離開距離的關(guān)系Fig. 5 Changes of displacement surrounding rocks with adv

20、ancing of cutface3.3 圍巖內(nèi)部變形隧道開挖引起的圍巖內(nèi)部位移呈現(xiàn)出不均勻分布特點，拱頂和側(cè)墻位移大于拱腳位移，圖 5 是 7#斷面拱頂和兩個拱腳處圍巖內(nèi)部位移與掌子面離開距離的關(guān)系，拱頂最大位移約 30 mm，拱腳處的最大位移僅為 16 mm。圖 5 中所示位移值分別為洞壁與洞壁內(nèi) 4 m，2 m，1 m 處的相對位移，由圖 5 可以看出，洞壁的位移最大，而離洞壁越遠(yuǎn)，巖體的位移越小，受開挖的影響越弱。開挖初期，位移增長較快，隨著掌子面朝前推進(jìn)，位移增長速度減緩，當(dāng)掌子面離開約 40 m 后，圍巖內(nèi)部位移基本上趨于穩(wěn)定，這與隧道收斂的監(jiān)測結(jié)果基本一致。由此可見，二次襯砌至少

21、應(yīng)該等開挖掌子面推進(jìn) 40 m 以后，才可以進(jìn)行施工。這樣，就可以保證不會因圍巖的進(jìn)一步變形使襯砌受到較大的變形壓力，提高工程質(zhì)量。相反，二次襯砌與開挖掌子面之間的距離也不應(yīng)該太遠(yuǎn)，對于飽水土質(zhì)隧道，圍巖的變形較大，如果遲遲不進(jìn)行二次支護(hù)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)就可能因變形過大而失穩(wěn)，施工中曾發(fā)生過初期支護(hù)左拱腳突然鼓出現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了隧道的穩(wěn)定。因此，二次支護(hù)與開挖掌子面之間保持一個合理距離非常重要。圍巖內(nèi)部位移隨時間的變化曲線與圖 5 相似，開始監(jiān)測 10 d 以后，圍巖內(nèi)部位移基本上趨于穩(wěn)定，所以，圍巖的流變并不嚴(yán)重，沒有必要擔(dān)心隧道的長期變形會影響二次襯砌的受力。4隧道變形的三維有限元計算為了更

22、加全面地研究隧道的變形規(guī)律，采用三維有限元方法對隧道的施工過程進(jìn)行了模擬計算，圖 6 和圖 7 分別是為計算中采用的模型和開挖與初圖 6有限元計算模型Fig. 6FEM mesh division pattern圖 7計算中采用的開挖與初期支護(hù)順序Fig. 7 Sequences of excavation and support used in simulation增刊喬春生等：飽水黃土隧道變形規(guī)律研究229期支護(hù)順序，每步開挖進(jìn)尺為 2 m。模型左側(cè)為既關(guān)系，其變化規(guī)律與實測結(jié)果基本上一致，水平測有松樹灣隧道。計算中只考慮了土體的自重應(yīng)力，線的收斂大于傾斜測線的收斂。由于計算中假設(shè)整并假設(shè)

23、土體為彈塑性體。個斷面全部成型后，立即封閉底板，施做仰拱，使圖 8 是隧道兩個不同開挖階段圍巖和隧道位移兩個側(cè)墻墻角的位移受到一定限制，所以 2-3 線的分布圖。從中可以看出，開挖后隧道上方圍巖的位收斂大于 4-5 線的收斂。如果仰拱施做時間推后，移遠(yuǎn)大于隧道兩側(cè)，開挖引起的圍巖位移主要集中那么，兩個側(cè)墻的位移會更大。由此可見，隧道開在洞頂上方；開挖掌子面前方圍巖的位移很小，圍挖后及時封閉底板，一方面可以防止地下水進(jìn)入底巖位移主要出現(xiàn)在掌子面后方，離掌子面越遠(yuǎn)，圍板土體內(nèi)，避免圍巖被水浸泡后強(qiáng)度降低，另一方巖的位移越大，影響高度也越大；既有松樹灣隧道面，還可以減小側(cè)墻的位移和變形，改善初期支護(hù)

24、對新松樹灣隧道的變形沒有明顯的影響，新隧道的結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提高隧道的穩(wěn)定性。開挖所引起的圍巖位移也不會波及到舊隧道，所以，可以不考慮施工對舊隧道的不利影響。除此之外，開挖后隧道的變形很大，洞壁最大位移達(dá)到了 300 mm，這主要是因隧道埋深大、土質(zhì)軟、含水量大所致。這也同時說明現(xiàn)場監(jiān)測的土體內(nèi)部位移只是圍巖位移的一部分，開始監(jiān)測之前，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生了相當(dāng)大的位移，所以，可以肯定，新松樹灣隧道的實際變形遠(yuǎn)大于實測值。(a)(b)(a)(b)圖 8開挖過程中圍巖和隧道的位移分布Fig. 8 Displacement distribution of the surrounding rock and

25、the tunnel during excavation開挖過程中隧道的變形狀態(tài)及其變化規(guī)律見圖9，圖中實線為變形后隧道輪廓線，可以看出，拱頂和底板的位移明顯大于其它部位，兩側(cè)墻的位移大(c)(d)圖 9開挖過程中隧道的變形狀態(tài)Fig. 9Deformation of the tunnel during excavation1201-2 線1-3 線1002-3 線1-4 線801-5 線4-5 線mm60/收斂量4020001020304050-20掌子面距離 / m圖 10計算得出的隧道收斂與掌子面距離的關(guān)系于拱腳處的位移。圖 10 為隧道收斂與掌子面距離的Fig. 10Convergen

26、ce- distance of cutface curves calculated230巖土力學(xué)2003 年5結(jié)論通過現(xiàn)場監(jiān)測和三維有限元計算，對新松樹灣隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，歸納起來得出以下幾點結(jié)論。(1) 新松樹灣隧道圍巖軟弱，穩(wěn)定性差，變性大。采用小斷面開挖并及時進(jìn)行初期支護(hù)后，仍會產(chǎn)生較大的變形，當(dāng)采用鋼格柵和噴射混凝土支護(hù)時，最大收斂為 175 mm 左右。(2) 增加初期支護(hù)的剛度可以有效減小隧道收斂量，提高隧道的穩(wěn)定性。新松樹灣隧道初期支護(hù)改用拱型支架加噴射混凝土支護(hù)后效果明顯轉(zhuǎn)好。(3) 開挖后及時封閉隧道底板，有利于減小隧道收斂量，防止側(cè)墻墻腳失穩(wěn)和底板圍巖被水浸泡后強(qiáng)度降低。(4) 圍巖變形趨于穩(wěn)定需要一定時間，當(dāng)掌子面離開 40 m 以上后，圍巖變形才基本上趨于穩(wěn)定。因此，二次襯砌不宜緊跟開挖掌子面，應(yīng)等圍巖變上接第 224 頁3 朱良峰，殷坤龍，張梁等. 基于 GIS 技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險