富溪偏壓連拱隧道圍巖與支護結構變形和受力特征分析

1、第25卷增2巖石力學與工程學報V ol.25 Supp.2 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.,2006富溪偏壓連拱隧道圍巖與支護結構變形和受力特征分析段海澎1,2,徐干成3,4,劉保國4(1. 安徽省交通投資集團有限責任公司,安徽合肥230011;2. 成都理工大學環(huán)境與土木工程學院,四川成都 610059;3. 空軍工程設計研究局,北京 100068;4. 北京交通大學土木與建筑工程學院,北京 100044摘要:銅黃高速公路湯屯段富溪偏壓連拱隧道,長623 m,洞口段圍巖為全風化變質砂巖,呈散體結構,

2、不能自穩(wěn)。洞口段左側埋深較右側大,存在明顯的偏壓。隧道施工采用三導洞法進行,施工期間對洞口段三導洞、正洞的多個斷面進行現(xiàn)場監(jiān)控量測。通過分析監(jiān)測數據,可得圍巖變形與支護結構受力特點。監(jiān)測結果表明:中導洞形成后,淺埋側導洞先行施工,其圍巖變形較深埋側導洞要大;正洞施工期間,深埋側拱頂下沉較淺埋側大,深埋側水平收斂呈擴張趨勢,淺埋側水平收斂呈收縮趨勢,中隔墻呈向淺埋側偏移趨勢;無論初期支護還是二次襯砌,其圍巖壓力、混凝土內應力均是深埋側大,由于整體襯砌有向淺埋側運動趨勢,鋼支撐所受應力在淺埋側較大。分析結果對富溪偏壓隧道施工具有指導意義,對類似隧道的設計、施工和研究具有借鑒和參考價值。關鍵詞:隧道

3、工程;連拱隧道;地層偏壓;圍巖;支護結構中圖分類號:U 45 文獻標識碼:A 文章編號:10006915(2006增2376306 ANALYSIS OF DEFORMATION OF SURROUNDING ROCK AND STRESS CHARACTERISTICS OF SUPPORTING STRUCTURE OF FUXI TWINTUNNELDUAN Haipeng1,2,XU Gancheng3,4,LIU Baoguo4(1. Anhui Provincial Communications Investment Group Co.,Ltd.,Hefei,Anhui230011

4、,China;2. College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan610059,China;3. The Air Force Engineering Design and Research Institute,Beijing100068,China;4. School of Civil Engineering and Architecture,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,ChinaAbstract:F

5、uxi twin tunnel in TangkouTunxi section of TonglingHuangshan Expressway is eccentric compressed with the length of 623 m. Weathered meta sandstone at the portal is loosely structured and unstable. The portal is apparently eccentric with the left side buried deeper than the right side. Three pilot tu

6、nnel method has been applied for tunneling. During the construction,site monitoring and measurement have been conducted for various cross sections of the three pilot tunnels and the main tunnel. Data have been studied and analyzed. Deformation of the surrounding rocks and stress of the supporting st

7、ructures have been noted. Monitoring result shows that,after the heading-through of the central pilot tunnel,construction is organized firstly on the pilot tunnel of the shallow- buried side. It is envisaged that the deformation of the surrounding rocks of the shallow buried section is greater than

8、that of the deep buried one. During the construction of the main tunnel,arch crown subsidence at the deep收稿日期:20051223;修回日期:20060331作者簡介:段海澎(1971,男,1997年于成都理工大學構造地質專業(yè)獲碩士學位,現(xiàn)為博士研究生、安徽省交通投資集團公司建管部主任工程師,主要從事公路地質災害治理和特殊路基處治等方面的研究工作。E-mail:hfdhp 3764 巖石力學與工程學報 2006年buried section is greater than that of

9、the shallow buried section. The horizontal convergence at the deep buried section tends to be expansive while that at the shallow buried one shrinking,which causes the movement of the mid-board towards the later section. Initial supporting and secondary lining also envisages the greater pressure of

10、the surrounding rocks as well as the greater internal stresses of the concrete at the deep buried section. As it has the tendency of moving towards the shallow buried section during the integral lining,the steel shotcrete at the section bears greater stress. This analysis offers some technical assis

11、tance to the construction of Fuxi eccentric compressed tunnel as well as some references for the design,construction and research of the similar engineering.Key words:tunneling engineering;twin tunnel;eccentric compression of stratum;surrounding rocks;supporting structure1 引言隨著我國經濟的快速發(fā)展,公路隧道的建設也越來越多

12、。在許多情況下受線形、地形、工程地質條件或環(huán)境保護等因素的影響,必須采用雙連拱隧道形式。在復雜地質條件下,連拱隧道的修建具有工序繁雜、圍巖多次被擾動、圍巖應力變換和結構受力復雜等特點。目前在我國雖已建成了不少連拱隧道,在設計、施工方面積累了一定的經驗,而且國內外在連拱隧道圍巖變形與應力分布、結構受力等方面采用數值和物理模擬、理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測等多種手段亦開展了大量研究工作110,取得了一定的研究成果,但由于各地地形、地質條件差異,因而個例研究中取得的經驗和成果尚不具備普遍指導意義,尤其對不良地質條件且又有偏壓的情況。本文結合富溪偏壓連拱隧道進口段施工期間的現(xiàn)場監(jiān)控量測,揭示了該特定條件下圍巖變

13、形與支護結構受力特點,對指導富溪偏壓連拱隧道的施工起到了積極作用,對類似條件下隧道建設具有一定的參考價值。2 工程概況富溪偏壓連拱隧道位于黃山市徽州區(qū)富溪鄉(xiāng)黃柏山村境內,是銅陵至黃山高速公路湯口屯溪段的一條雙連拱斷面隧道,設計長623 m,進出口里程分別為K205+ 742和K206+365。隧址區(qū)屬于構造侵蝕山區(qū),隧道軸線高程為270399 m,隧道最大埋深122 m,山體地勢南北坡陡峻,中部起伏不平,植被發(fā)育。進口段地形坡角35°40°,隧道于山體一側通過,其右側發(fā)育一小沖溝,左側地形陡峻,邊坡較高(見圖1。 圖1 富溪偏壓連拱隧道進口地形Fig.1 Terrain o

14、f portal of Fuxi twin tunnel隧道穿越地層主要為中元古界薊縣系大谷運組下段變質砂巖和第四系滑坡堆積層。變質砂巖呈致密塊狀構造,內部節(jié)理、裂隙十分發(fā)育,大多含有3組以上節(jié)理,RQD值均小于30%。特別是在隧道的進口地段,風化非常嚴重,穩(wěn)定性極差。隧道所在地區(qū)有2條區(qū)域性正斷層F5和F6,其中F5斷層基本上平行于隧道軸線方向,破碎帶寬度為20 50 m,對隧道進口段圍巖穩(wěn)定性影響較大;F6斷層破碎帶寬度為2030 m,與隧道斜交,對隧道洞身段影響很大,隧道施工時,圍巖不能自穩(wěn)。根據隧道地質勘察報告和中導洞施工揭露情況可知,整個隧道圍巖類別較低,II類和III類圍巖(所采用

15、的隧道圍巖分類標準為公路隧道設計規(guī)范(JTT02690占整個隧道長度的46%(見圖2。 圖2 富溪偏壓連拱隧道進口段圍巖類別Fig.2 Surrounding rock sort at portal of Fuxi twin tunnel 25+73325+74225+82825+8925+90明洞偏壓929 m第25卷 增2 段海澎等. 富溪偏壓連拱隧道圍巖與支護結構變形和受力特征分析 3765 富溪偏壓連拱隧道進口偏壓段采用了三導洞施工法,其施工順序如圖3所示:中導洞開挖及初期支護1中隔墻施作2右側導洞開挖及初期支護3左側導洞開挖及初期支護4左側導洞上半斷面開挖及初期支護5左洞下半斷面開挖

16、及仰拱施作6,7左洞二次襯砌8右洞上半斷面開挖及支護9右洞下半斷面開挖及仰拱施作10,11右洞二次襯砌12。圖3 富溪隧道進口段施工順序Fig.3 Construction steps of portal of Fuxi twin tunnel3 現(xiàn)場監(jiān)測項目及測點布置為了適時掌握偏壓連拱隧道施工期間圍巖變形和支護結構的受力特點,為隧道的安全建設服務,在隧道施工的各階段均進行了相應監(jiān)測,在右側和左側導洞開挖時,各布置了3個水平收斂監(jiān)測斷面,正洞開挖時每隔15 m 布置一個水平收斂、拱頂下沉監(jiān)測斷面,在洞口的K205+755斷面布置了一個選測斷面,該斷面剖面圖見圖4,監(jiān)測內容包括圍巖壓力、初噴混

17、凝土內應力、鋼拱架受力、初噴混凝土與二次模注混凝土之間接觸應力和二次混凝土內應力。富溪偏壓連拱隧道進口段斷面里程布置如圖5所示。選測斷面所有測試項目在左、右洞各布置4個位置測點,分別是拱頂、兩側拱腰和邊墻拱腳,圖6給出了斷面測點布置示意圖。圖4 K205+755斷面剖面圖Fig.4 Section ofK205+755圖5 富溪偏壓連拱隧道進口段斷面里程布置 Fig.5 Sections location of portal of Fuxi twin tunnel圖6 斷面測點布置示意圖Fig.6 Sketch map of section measuring points拱頂下沉采用DSZ2

18、自動安平水準儀配FS1平板測微器測量,精讀0.1 mm ,估讀0.01 mm ;水平收斂采用JSS30A 數顯式收斂計測量,精度0.01 mm 。根據公路隧道施工技術規(guī)范規(guī)定,斷面設置15 d 之內每天測12次。其他選測項目統(tǒng)一采用埋入式鋼弦傳感器,然后用頻率計進行測量,再換算成應力、壓力。同樣根據應力變化情況,每天測12次。4 監(jiān)測資料整理與分析4.1 左、右側導洞圍巖變形對比圖7為左、右側導洞圍巖變形時程曲線,從圖中可以看出,淺埋側先行開挖的右側導洞YK205+ 748斷面圍巖最大變形達51.18 mm ,而深埋側后開挖的左側導洞ZK205+736斷面圍巖最大變形僅為7.18 mm ;右側

19、導洞YK205+768斷面圍巖最大變形為24.68 mm ,左側導洞ZK205+760斷面圍巖最大變形16.52 mm ;右側導洞YK205+792斷面圍巖最大變形為7.46 mm ,左側導洞ZK205+780斷面圍巖最大變形15.50 mm 。總體來說,右側導洞的平均變尺寸單位:cm高程/m 3766 巖石力學與工程學報 2006年 圖7 左、右側導洞圍巖變形時程曲線Fig.7 Time-history curves of surrounding rock deformation ofleft and right pilot tunnels形要大于左側導洞的平均變形,這種情況與左、右側導洞的

20、開挖順序有關,但主要還是因為偏壓造成的,因為在中導洞已經存在的情況下,左、右側導洞開挖順序的影響相對較小,而中導洞臨時支護由于偏壓作用有向淺埋側運動的傾向。因此,在淺埋側導洞先開挖時,會有較大的變形,從控制左、右側導洞變形不均來說,先開挖深埋側導洞效果會更好。4.2 左、右側導洞圍巖變形對比圖8,9分別為K205+794左、右側導洞拱頂下沉和水平變形時程曲線。從圖8,9中可以看出:截止到2005年10月4日,左洞拱頂最大下沉為29.94 mm ,而右洞拱頂最大下沉為7.23 mm ,左洞拱頂下沉是右洞的4倍多;在右洞尚未開挖時,左洞圍巖向洞內收縮變形,隨著右洞的開挖,左洞的收縮變形逐漸向著擴張

21、變形發(fā)展,右洞向著收縮變形發(fā)展,截止到2005年10月4日,左洞的水平擴張變形達-9.45 mm ,右洞的水平收縮變形達+9.22 mm ,導致這種現(xiàn)象的原因主要是偏壓作用下,中隔墻向著右圖8 K205+794左、右側導洞拱頂下沉時程曲線 Fig.8 Time-history curves of arch crown subsidence of left and right pilot tunnels at K205+794圖9 K205+794左、右側導洞水平變形時程曲線 Fig.9 Horizontal deformation curves of left and right pilott

22、unnels at K205+794側(淺埋一側發(fā)生偏斜所致。綜上所述,無論拱頂下沉還是水平收斂,該隧道洞口段存在明顯的偏壓,因此在結構設計上,尤其是中隔墻,要考慮能夠抵 抗偏載作用造成的左、右洞變形不均現(xiàn)象,如加強中隔墻右側的配筋,增強中隔墻的抗彎能力。 4.3 初期支護結構受力對比圖1012分別為K205+755斷面左、右側導洞圍巖應力、初噴混凝土內應力和鋼支撐受力狀態(tài)圖。圖10 K205+755斷面左、右側導洞圍巖應力狀態(tài)圖 Fig.10 Surrounding rock stress map of left and right pilottunnels at K205+755圖11 K

23、205+755斷面左、右側導洞初噴混凝土內應力狀態(tài)圖Fig.11 Stress state map of initial supporting concrete of leftand right pilot tunnels at K205+75520050112005020200502220050312005040200504220050512005060時間/年月日變形/m m10203040200200200200200200200時間/年月日拱頂下沉/m m-10200-15-10-5051015水平擴張/m m水平收斂/m m第25卷 增2 段海澎等. 富溪偏壓連拱隧道圍巖與支護結構變

24、形和受力特征分析 3767 圖12 K205+755斷面左、右側導洞鋼支撐受力狀態(tài)圖Fig.12 Force diagram of steel support of left and right pilottunnels at K205+755從圖10中可以看出:左側導洞拱頂最大應力達191.24 kPa ,約為右側導洞拱頂應力的5倍;右側邊墻應力較大,這是由于偏壓作用下襯砌結構有向右運動趨勢所致。從圖11中可以看出,左側導洞拱頂和右側導洞左拱腰部位應力分別達32.98和34.5 MPa ,遠遠超過了噴射混凝土的極限抗壓強度,其他部位相對較小,偏壓特征比較明顯。從圖12中可以看出,右側導洞所有

25、部位均較左側導洞對應的部位受力大,似乎與上述圍巖應力、初噴混凝土內應力分布不相一致,實際在偏壓作用下,鋼支撐整體有向右運動的趨勢,對右側圍巖的擠壓作用增大,從而使右側鋼支撐受力增加。 4.4 二次支護結構受力對比圖13,14分別為K205+755斷面左、右側導洞初噴與二襯接觸應力、二襯混凝土內應力狀態(tài)圖。從圖13中可以看出,接觸應力表現(xiàn)出了與圍巖應力相同的分布形態(tài),整個左洞二次襯砌受到的應力均比較大,拱頂最大達到174.1 kPa ,左邊墻亦較大,達145.2 kPa 。一般來說,二襯作為支護儲備,是在圖13 K205+755斷面左、右側導洞初噴與二襯接觸應力狀態(tài)圖Fig.13 State m

26、ap of stress between initial supporting andsecondary lining of left and right pilot tunnels atK205+755圖14 K205+755斷面左、右側導洞二襯混凝土內應力狀態(tài)圖Fig.14 Stress state map of secondary lining concrete of leftand right pilot tunnels at K205+755初期支護下圍巖變形基本收斂條件下施作的,因此其受到的圍巖應力應該比較小,但在該隧道的進口,由于圍巖極差,且又是連拱隧道,又存在偏壓,為了穩(wěn)定整個

27、隧道洞口,二襯是在初期支護下圍巖尚沒有收斂情況下施作的,故此尚沒有穩(wěn)定的圍巖變形通過初期支護傳遞到二襯上導致二襯受力較大。從該接觸應力隨時間的變化趨勢來看,基本上穩(wěn)定,通過驗算,該接觸應力不會導致二襯的屈服破壞。從二襯混凝土內應力分布來看,左洞混凝土內應力相對較大,與二襯受到的圍巖壓力相對應,但絕對值較二襯混凝土設計的軸心抗壓和抗彎強度均小,這也說明二襯混凝土不會受壓屈服破壞。5 結 論通過以上對實測資料的分析,對不良地層條件下偏壓連拱隧道圍巖變形、結構受力有了如下認識:(1 在洞口偏壓段采用中導、左右側導洞施工時,在中導洞形成后,最好先開挖深埋側導洞。(2 正洞施工期間,深埋側拱頂下沉遠較淺

28、埋側大,水平收斂深埋側為水平擴張趨勢,淺埋側為水平收縮趨勢,表明中隔墻有向著淺埋側偏移趨勢。因此,在結構設計上,尤其中隔墻的設計,要考慮能夠抵抗偏載作用引起的變形不均。(3 無論初期支護還是二次襯砌,其圍巖壓力、混凝土內應力均是深埋側大;由于整體襯砌有著向淺埋側運動的趨勢,鋼支撐的受力情況表現(xiàn)為淺埋側較大。(4 在初期支護圍巖變形尚未收斂的情況下提前施作二襯,二襯混凝土會受到較大的圍巖應力,需要推算圍巖的剩余變形,演算二襯的強度,從而 3768 巖石力學與工程學報 2006 年 確保二襯的安全。 參考文獻(References： 1 劉新榮，孫 輝，陳曉江，等. 黃土連拱隧道二次襯砌的結構分析

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