丁冬冬，梁慶國(guó)，徐善常，王新東

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

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軟化泥巖對(duì)隧道仰拱的受力特性影響研究

丁冬冬1,2，梁慶國(guó)1,2，徐善常1,2，王新東3

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

針對(duì)寶蘭客專上莊隧道仰拱底鼓開(kāi)裂現(xiàn)象，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的方法得到隧道圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、二次襯砌混凝土應(yīng)變、鋼筋軸力和二襯壓力，分別討論應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間演化特性和沿仰拱橫斷面的空間分布規(guī)律；采用數(shù)值模擬的方法分析泥巖遇水軟化前后隧道仰拱的受力特性。研究結(jié)果表明：仰拱基底受力不均勻，左側(cè)應(yīng)力應(yīng)變值大于右側(cè)，導(dǎo)致仰拱底板開(kāi)裂；泥巖遇水軟化之后拱底同一深度處豎直位移遠(yuǎn)大于軟化之前位移值，并且拱底泥巖軟化之后仰拱下部塑性區(qū)范圍明顯增大，泥巖遇水軟化是引起隧道仰拱底鼓開(kāi)裂的重要因素。研究方法和結(jié)論對(duì)分析相似隧道仰拱底鼓開(kāi)裂的原因具有一定參考價(jià)值。

底鼓；開(kāi)裂；監(jiān)控量測(cè)；數(shù)值模擬；軟化

仰拱是隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一，是為改善上部支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件而設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu)。隧道仰拱對(duì)提高隧道結(jié)構(gòu)的承載力，抑制圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)展，約束隧道洞周位移的發(fā)展，提高襯砌結(jié)構(gòu)的安全度等方面都有非常重要的作用[1]。在富水地區(qū)，隧道開(kāi)挖形成臨空面后，地下水通過(guò)圍巖孔隙、裂縫積留在仰拱處，泥巖在含水量飽和后出現(xiàn)泥化、軟化以及膨脹現(xiàn)象,強(qiáng)度降低,容易產(chǎn)生底鼓。所以在富水區(qū)隧道建設(shè)中必須重視仰拱的設(shè)計(jì)與施工，充分考慮泥巖遇水軟化的危害，及時(shí)采取措施，防止發(fā)生隧道仰拱底鼓現(xiàn)象，避免造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)這一現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，孔恒等[2]提出了隧道仰拱底鼓的分類形式，樊純壇[3～6]等對(duì)仰拱底鼓、開(kāi)裂機(jī)理以及襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行研究。但是上述研究均是采用力學(xué)模型或者現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的研究，而結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)并通過(guò)數(shù)值分析來(lái)探討引起仰拱底鼓原因的研究還比較少。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來(lái)分析仰拱的受力特性；采用MIDAS/GTS有限元軟件計(jì)算仰拱拱底泥巖遇水軟化之后和軟化之前拱底不同位置處的位移值以及圍巖塑性區(qū)的大小，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)分析研究泥巖遇水軟化之后對(duì)隧道仰拱受力特性的影響。

1　工程概況

寶蘭客運(yùn)專線通渭至榆中段上莊隧道位于蘭州市榆中縣甘草店鎮(zhèn)。隧道起訖里程DK979+425～DK983+440，全長(zhǎng)4 015 m，為雙線隧道，最大埋深203 m。上莊隧道地處黃土梁峁溝壑區(qū)，地面高程1 885～2 120 m，相對(duì)高差200～250 m。隧道按新奧法原理施工，采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)，以鋼拱架，錨桿，鋼筋網(wǎng)和噴混共同組成聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)，鋼拱架為I25型鋼，間距為0.5 m，二次襯砌為模筑鋼筋混凝土。上莊隧道進(jìn)、出口端洞身位于第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土中，洞身通過(guò)的地層主要為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土及第三系上新統(tǒng)泥巖。且淺埋溝中上更新統(tǒng)黃土處于軟塑狀態(tài)，地下水具氯鹽、硫酸鹽侵蝕，圍巖以Ⅳ～Ⅴ級(jí)為主。監(jiān)控量測(cè)斷面埋置處與泥巖風(fēng)化層界面較近，仰拱處泥巖易遇水軟化。

2　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

2.1監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容

依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》[7]以及《鐵路隧道施工規(guī)范》[8]TB10204—2002 的要求，結(jié)合上莊隧道的施工環(huán)境、施工方法，著重掌握仰拱底鼓開(kāi)裂的原因，在仰拱底部布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力、噴射混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)變和初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力。使用的測(cè)試元件有壓力盒、表面應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)(埋入式),本次監(jiān)控量測(cè)所用元件埋設(shè)在斷面DK981+075處，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1　監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Layout of measurement points on moitoring section

2.2監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

2.2.1圍巖壓力

上莊隧道斷面DK981+075的圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力(以壓為正，拉為負(fù))時(shí)程曲線如圖2所示，穩(wěn)定值如圖3所示。由圖2可知，各測(cè)點(diǎn)的壓力值在埋設(shè)初期都是驟然增大，然后緩慢上升。仰拱左中下部(C)和仰拱拱底(D)壓力值遠(yuǎn)大于其他部位，最大值分別為367.44 kPa和310.68 kPa，其余部位數(shù)值相對(duì)較小，都是處于逐漸平穩(wěn)的緩慢變化狀態(tài)，說(shuō)明隧道拱底土體向上變形趨勢(shì)較大。左右拱腳(A和A1)壓力不對(duì)稱，總體而言，左側(cè)圍巖壓力大于右側(cè)的圍巖壓力。由于元件布設(shè)處泥巖含水量較大，隧道開(kāi)挖后，出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象，泥巖遇水泥化，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工極為不利。所以，仰拱開(kāi)挖24 d后，元件所在斷面處才開(kāi)始施作二次襯砌。二襯施作完畢之后，各測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力值逐漸穩(wěn)定。由圖3可以看出，圍巖壓力穩(wěn)定之后，仰拱左中下部圍巖壓力值最大，為367.36 kPa，仰拱拱底附近圍巖壓力值大于其他部位，這與仰拱開(kāi)挖后，地下水隨隧道圍巖空隙滲入到仰拱拱底，而使拱底處泥巖遇水軟化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，上部圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉，導(dǎo)致拱底處應(yīng)力集中有關(guān)。

圖2　圍巖壓力時(shí)程曲線圖Fig.2 Time-history curves of ground pressure

圖3　圍巖壓力沿仰拱分布圖Fig.3 Distribution of ground pressures along the tunnel invert

2.2.2鋼拱架應(yīng)力

隧道開(kāi)挖后，其周邊鋼拱架等形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，就會(huì)對(duì)巖體的位移產(chǎn)生阻力，形成約束。在開(kāi)挖后的前期階段，鋼拱架承受圍巖給予的作用力，產(chǎn)生變形[9]。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的鋼拱架應(yīng)力(以拉為正，壓為負(fù))時(shí)空演化規(guī)律如圖4～5所示，由圖可以看出：鋼拱架總體處于受壓狀態(tài)，應(yīng)力值隨時(shí)間發(fā)展存在一個(gè)“急劇增大—增大放緩—趨于穩(wěn)定”的過(guò)程，這與初期支護(hù)與圍巖間接觸壓力、鋼筋內(nèi)力、二次襯砌混凝土應(yīng)變及初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力分布規(guī)律基本相似。 初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力在橫截面上也表現(xiàn)出“左側(cè)大、右側(cè)小”的特征。鋼拱架應(yīng)力最大值出現(xiàn)在仰拱左側(cè)中下部，應(yīng)力值為-111.42 MPa，應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其極限強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明該處并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)混凝土的開(kāi)裂現(xiàn)象。因此在富水區(qū)泥巖隧道施工中出現(xiàn)的初期支護(hù)開(kāi)裂和鋼拱架扭曲變形，并不是由于鋼拱架的強(qiáng)度或剛度不足造成的，而是由于混凝土受水侵蝕，未能更好的凝結(jié)，鋼拱架與混凝土沒(méi)有很好的發(fā)揮協(xié)同工作能力。

單位：MPa圖4　初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線圖Fig.4 Time-history curves of steel frame’s stress in primary lining

單位：MPa圖5　鋼拱架應(yīng)力沿仰拱分布圖Fig.5 Distribution of steel frame‘s stress of primary lining

2.2.3初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力

仰拱初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力的時(shí)空演化規(guī)律如圖6～7所示，可以看出：初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力分布極不均勻，仰拱左側(cè)出現(xiàn)較大的接觸壓力集中現(xiàn)象。初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力隨時(shí)間增長(zhǎng)存在一個(gè)“急劇增大—緩慢減小—趨于穩(wěn)定”的過(guò)程，分布規(guī)律與圍巖壓力相似。初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力沿仰拱周圍分布呈現(xiàn)出“左側(cè)大、右側(cè)小”的特征，其最大值在仰拱左中下部(C)，數(shù)值為490.04 kPa，該數(shù)值遠(yuǎn)大于其他部位。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工日志發(fā)現(xiàn)，隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，左側(cè)圍巖滲水量大于右側(cè)，左側(cè)泥巖泥化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，隨著地下水的不斷侵蝕，左側(cè)泥巖塑性圈半徑逐漸增大，圍巖變形破壞從淺部向深部發(fā)展，襯砌結(jié)構(gòu)承受的壓力較大。

圖6　初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curves of contact pressures between primary support and secondary linings

單位：kPa圖7　初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力穩(wěn)定值沿仰拱周圍分布圖Fig.7 Distribution of contact pressures between primary support and secondary linings along the invert

2.2.4鋼筋內(nèi)力

為了監(jiān)測(cè)鋼筋受力情況，故分別在內(nèi)、外2層鋼筋上安裝鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)鋼筋內(nèi)力。圖8為仰拱二次襯砌鋼筋內(nèi)力隨時(shí)間的變化(以拉為正，壓為負(fù))，從發(fā)展趨勢(shì)和數(shù)量級(jí)看，內(nèi)層和外層的鋼筋內(nèi)力數(shù)值均較小，規(guī)律也較為接近，鋼筋軸力隨時(shí)間發(fā)展存在一個(gè)“急劇增大—緩慢減小—緩慢增大—趨于平穩(wěn)”的反復(fù)過(guò)程，二次襯砌施作完畢之后，各測(cè)點(diǎn)的內(nèi)力值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于鋼材對(duì)圍巖壓力的敏感性較強(qiáng)，所以鋼筋內(nèi)力的“增大”階段比混凝土應(yīng)變、圍巖壓力長(zhǎng)。內(nèi)、外層鋼筋軸力穩(wěn)定值分布如圖9所示，由圖可知：鋼筋內(nèi)力沿仰拱周圍分布表現(xiàn)出明顯的離散性，內(nèi)層鋼筋除仰拱右中下部(C1)為負(fù)值之外，其余軸力均為正值，內(nèi)力最大值在左拱腳(A)，數(shù)值為-10.45 kN。外層鋼筋除仰拱左中上部(B)為負(fù)值之外，其余測(cè)點(diǎn)均為正值(仰拱左中下部C處的元件由于施工原因已經(jīng)損壞)，軸力最大值在右拱腳(A1)，軸力值為9.66 kN。

單位：kN(a)內(nèi)層鋼筋內(nèi)力時(shí)程曲線;(b)外層鋼筋內(nèi)力時(shí)呈曲線圖8　鋼筋內(nèi)力時(shí)程曲線圖Fig.8 Time-history curves of rebar internal force

單位：kN(a)內(nèi)層鋼筋內(nèi)力穩(wěn)定值;(b)外層鋼筋內(nèi)力穩(wěn)定值圖9　鋼筋內(nèi)力沿仰拱周圍分布圖Fig.9 Distribution of rebar internal force arounding invert

2.2.5二次襯砌混凝土應(yīng)變

圖10為仰拱二次襯砌混凝土應(yīng)變隨時(shí)間的變化。應(yīng)予指出，二次襯砌混凝土應(yīng)變計(jì)安裝在仰拱襯砌一半厚度的位置。從發(fā)展趨勢(shì)和量值分布看，與二次襯砌外層鋼筋的受力特征極為相似，最大應(yīng)變值出現(xiàn)在左拱腳(A)，數(shù)值為-200.94 με，其次為仰拱左中下部(C)，而仰拱底部正中位置(D)的壓應(yīng)變很小，右拱腳(A1)處最大應(yīng)變值為105.82 με，遠(yuǎn)小于左拱腳(A1)。若二次襯砌混凝土彈性模量按23 GPa計(jì)，以單向應(yīng)變按胡克定律估算，得到最大壓應(yīng)力為4.6 MPa，最大拉應(yīng)力為2.4 MPa，考慮二次襯砌鋼筋受力及配筋情況，該數(shù)值基本滿足混凝土強(qiáng)度要求。各測(cè)點(diǎn)二次襯砌混凝土應(yīng)變值沿仰拱的分布規(guī)律如圖11所示，可以看出：仰拱左側(cè)應(yīng)變值明顯大于右側(cè)，說(shuō)明仰拱兩側(cè)基底的承載力與變形是不對(duì)稱的，導(dǎo)致左側(cè)各部位得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)大于右側(cè)，與前述圍巖壓力和初期支護(hù)與二襯的接觸壓力分布規(guī)律近似一致。

圖10　仰拱二次襯砌混凝土應(yīng)變時(shí)程曲線(10-6)Fig.10 Time-history curves of shotcrete’s strain of secondary lining(10-6)

圖11　二次襯砌混凝土應(yīng)變沿仰拱分布規(guī)律(10-6)Fig.11 Distribution of shotcrete’s strain of secondary lining (10-6)

3　數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

3.1模型介紹

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是在隧道開(kāi)挖后布設(shè)測(cè)試元件，而此時(shí)隧道底部泥巖已經(jīng)遇水軟化，為了準(zhǔn)確分析泥巖軟化前后隧道的受力特性，采用MIDAS/GTS有限元分析軟件建立隧道模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由于隧道開(kāi)挖后，在其周圍只有相當(dāng)于其3～5倍孔徑的巖體會(huì)受到影響，在其以外會(huì)受到掘進(jìn)面的制約，因此在建立隧道模型時(shí)，只建立相當(dāng)于隧道最大跨度九倍左右的巖體模型[10]。建模時(shí)按隧道斷面高度方向分2種情況考慮：1)上面1/3用砂石層，仰拱部分用飽水泥巖，中間用天然狀態(tài)泥巖；2)上面1/3用砂石層，中間部分和仰拱下部均采用天然狀態(tài)泥巖，以考察仰拱部分泥巖軟化后對(duì)隧道仰拱受力特性的影響。本文中所建立的為二維模型，圍巖寬度：4倍洞徑+1倍洞徑+4倍洞徑=108 m，隧道埋深為30 m,拱底距離圍巖底部為18 m。圍巖采用平面應(yīng)變單元，初期支護(hù)、二次襯砌和鋼拱架均采用梁?jiǎn)卧M。計(jì)算模型如圖12所示，各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]選取，如表1所示。

圖12　計(jì)算模型及二維有限元網(wǎng)格劃分Fig.12 Calculation model and 2D finite element

項(xiàng)目彈性模量E/MPa泊松比ν容重γ/(kN·m-3)粘聚力C/kPa摩擦角φ/(°)抗拉強(qiáng)度/kPa圍巖中上部砂石層6000.2218103010天然狀態(tài)泥巖8000.25222003550飽和狀態(tài)泥巖3000.3523603015工20a型鋼拱架2100000.378——C25噴射混凝土(硬化)230000.20224000—400模筑混凝土295000.2023——

3.2計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1位移分布

仰拱下部泥巖軟化前與軟化后拱底以下不同深度處的豎直方向上位移值如圖13所示。位移值提取結(jié)果的節(jié)點(diǎn)間隔為1 m,共取10個(gè)節(jié)點(diǎn)，以向上為正，向下為負(fù)。由圖13可知，二者的分布規(guī)律相似，位移值都是隨距離仰拱底部深度的增加而減小，這與土力學(xué)[12]中地基基礎(chǔ)的沉降規(guī)律相符合。仰拱下部同一深度處，泥巖軟化后的位移值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥巖軟化前的位移值。這是由于底板巖層的軟弱程度決定著隆起量的大小，仰拱下部采用軟化泥巖模擬時(shí)，泥巖遇水軟化之后現(xiàn)泥化、膨脹現(xiàn)象，喪失應(yīng)有的強(qiáng)度，加之上部支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)仰拱形成擠壓狀態(tài)，使得拱底下部泥巖向上隆起，并對(duì)仰拱底板形成擠壓力，造成仰拱處發(fā)生底鼓現(xiàn)象。若擠壓力超過(guò)模注混凝土的抗拉強(qiáng)度，則會(huì)造成仰拱開(kāi)裂，所以施工時(shí)一定要注意迅速排出積留在仰拱處的水，以免泥巖泥化發(fā)生災(zāi)害事故。

單位：mm圖13　豎直方向上位移沿拱底深度分布圖Fig.13 Distribution of the displacement along the depth of the invert in vertical direction

3.2.2應(yīng)變、應(yīng)力分布

各測(cè)點(diǎn)豎直方向上應(yīng)變(以豎直向上為正，向下為負(fù))沿仰拱周圍分布如圖14所示，可以看出，軟化前與軟化后的應(yīng)變值分布規(guī)律基本一致，應(yīng)變值從拱腳到拱底逐漸變大，軟化前拱底應(yīng)變值為953 με，軟化后應(yīng)變值為3 358 με，軟化之后拱腳處的應(yīng)變值比軟化之前增大20倍，其他部位軟化之后的應(yīng)變值比軟化之前增大約3倍。圖13中，拱底正中處泥巖軟化后豎直方向上的位移值相較于軟化之前也是增大約3倍。由圖15可以看出，泥巖軟化前仰拱二次襯砌各測(cè)點(diǎn)的大主應(yīng)力值均為負(fù)值，說(shuō)明二次襯砌處于受壓狀態(tài)，而泥巖軟化之后仰拱二次襯砌各測(cè)點(diǎn)的大主應(yīng)力值均為正值，二次襯砌處于受拉狀態(tài)，由于σmax=σ1，當(dāng)大主應(yīng)力增大到一定程度，二次襯砌便會(huì)受拉破壞。由此可見(jiàn)，泥巖軟化之后對(duì)隧道拱底的位移、應(yīng)變以及主應(yīng)力值影響都比較大。

(a)泥巖軟化前;(b)泥巖軟化后圖14　豎直方向上應(yīng)變沿仰拱周圍分布圖Fig.14 Distribution of the strain around the invert in vertical direction

單位：kPa(a)泥巖軟化前;(b)泥巖軟化后圖15　二次襯砌各測(cè)點(diǎn)大主應(yīng)力分布圖Fig.15 Distribution of main stress of secondary lining

3.2.3圍巖塑性區(qū)分布

地基上部荷載產(chǎn)生壓力超過(guò)圍巖極限承載力，使局部土體產(chǎn)生變形不可恢復(fù)的屈服區(qū)域，即為地基塑性區(qū)。隧道二次襯砌施作完畢之后塑性區(qū)范圍云圖如圖16所示?？梢钥闯觯貉龉暗撞磕鄮r遇水軟化后仰拱下部塑性區(qū)范圍明顯大于泥巖軟化之前塑性區(qū)范圍。這說(shuō)明泥巖遇水軟化之后承載力明顯降低，所以在受同樣大的基底壓力下，軟化泥巖就先產(chǎn)生極限平衡區(qū)，達(dá)到失穩(wěn)破壞。

(a)仰拱下部為天然狀態(tài)泥巖;(b)仰拱下部為軟化泥巖圖16　隧道塑性區(qū)范圍云圖Fig.16 Plastic zone nephogram of tunnel

4　結(jié)論

1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后，初期支護(hù)與圍巖間接觸壓力最大值出現(xiàn)在仰拱左側(cè)中下部，壓力值為367.36 kPa，左側(cè)與右側(cè)壓力值分布不對(duì)稱，左側(cè)值大于右側(cè)值。初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力、鋼拱架應(yīng)力、鋼筋內(nèi)力以及二次襯砌混凝土應(yīng)變的分布規(guī)律都是左右不對(duì)稱，左側(cè)值大于右側(cè)值，說(shuō)明在上覆圍巖壓力和襯砌結(jié)構(gòu)自重作用下，仰拱兩側(cè)基底的承載力與變形是不對(duì)稱的，左側(cè)的基底沉降變形大于右側(cè)，導(dǎo)致左側(cè)各部位得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)大于右側(cè)，正是在不均勻沉降的作用下，使得仰拱受力不均勻，從而局部產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得仰拱產(chǎn)生開(kāi)裂。

2)通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析可知，在拱底同一深度處仰拱下部為軟化泥巖時(shí)的位移值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于仰拱下部為天然狀態(tài)泥巖時(shí)的位移值。這表明泥巖在遇水軟化之后出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，喪失應(yīng)有的強(qiáng)度，仰拱開(kāi)挖支護(hù)以后，由于上部支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉，導(dǎo)致仰拱部分所受承載力變大，而軟化泥巖承載力較低，所以達(dá)到承載力極限時(shí)其拱底位移值與塑性區(qū)范圍均較大。泥巖軟化之前仰拱二次襯砌大主應(yīng)力值為負(fù)值，處于受壓狀態(tài)；軟化之后仰拱二襯大主應(yīng)力值為負(fù)值，處于受拉狀態(tài)，正是這種拉應(yīng)力，導(dǎo)致仰拱受拉開(kāi)裂。

3)隧道仰拱是襯砌結(jié)構(gòu)的重要組成部分，特別在軟弱圍巖段，仰拱對(duì)提高隧道結(jié)構(gòu)的承載力、抑制圍巖內(nèi)塑性區(qū)的擴(kuò)展、約束隧道洞周位移的發(fā)展以及提高襯砌結(jié)構(gòu)的安全度等方面都有非常重要的作用，在隧道建設(shè)中應(yīng)充分認(rèn)識(shí)隧道仰拱的重要性。為防止仰拱底鼓、開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)全面清通隧道排水設(shè)施，特別確保隧道中心排水溝保持通暢，將隧道內(nèi)滲水排出洞外，減小隧道底部靜水壓力，避免仰拱底部圍巖遇水軟化。

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Test study on the mechanical characteristics of tunnel invert on softening mudstone section

DING Dongdong1,2, LIANG Qingguo1,2, XU Shanchang1,2, WANG Xindong3

(1.Key Laboratory of Road & Bridge and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou Gansu 730070, China;2. College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu 730070, China;3. China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd, Xi'an 710043, China)

With regard to the phenomenon of crack and floor heave of Shangzhuang tunnel on Baoji-Lanzhou Passenger Dedicated Line, surrounding rock pressure,stress of steel arch,strain of shotcrete,axial force of steel and contact pressure between the primary lining and secondary lining obtained by means of in-situ monitoring. Development law over time and spatial distribution along the tunnel ring of the stress and strain were then discussed; The force characteristics of tunnel invert before and after the mustone softing in water was analysed with the use of numberical simulation. It is concluded that the stress of the invert is not symmetric, and the values of stress and strain on left are higher than those on the right,which might lead to the crack of invert.At the same depth, the vertical displacement after mudstone became softened was much higher than that before mudstone became softened,and the plastic zone radius also increased obviously.The softening of mudstone due to water is an important factor leading to the floor heave and the crack of tunnel invert. The research methods and conclusions in this paper may provide reference for the analysis of crack and floor heave of similar tunnel invert.

floor heave; crack; monitoring measurement; numerical simulation; soften

2015-12-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41262010)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1139)； 甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體資助項(xiàng)目(145RJIA332)

梁慶國(guó)(1976-)，男，甘肅蘭州人，教授，博士，從事巖土工程與工程地質(zhì)方面的教學(xué)與研究工作；E-mail: lqg_39@163.com

U25

A

1672-7029(2016)10-2001-08