張欽鵬，梁慶國，孟博文，王新東

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，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)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

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寶蘭客專泥巖隧道受力特性試驗研究

張欽鵬1,2，梁慶國1,2，孟博文1,2，王新東3

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，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)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

以寶蘭客專上的安定泥巖隧道為工程背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測并結(jié)合室內(nèi)相關(guān)土工試驗，研究泥巖物理特性、圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、初支與二襯接觸壓力、二襯鋼筋軸力和混凝土應(yīng)力等參數(shù)隨時間變化的規(guī)律及空間分布特征。研究結(jié)果表明：安定隧道泥巖的膨脹性為無膨脹至弱膨脹，但泥巖遇水存在一定的崩解性。各測點圍巖壓力隨時間增長，仰拱拱底的圍巖壓力最大，但最后都逐漸趨于穩(wěn)定；鋼拱架應(yīng)力值不穩(wěn)定，分布不均，波動較大，邊墻墻腳處應(yīng)力最大，但最終趨于穩(wěn)定；初支與二襯接觸壓力總體較大，變化幅度較大，在邊墻墻腳和拱頂處應(yīng)力最大且隨著時間增加最后趨于穩(wěn)定值；二襯鋼筋軸力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，內(nèi)外層鋼筋軸力變化趨勢近似；混凝土應(yīng)力普遍偏大，右拱腳處出現(xiàn)拉應(yīng)力，左側(cè)應(yīng)力大于右側(cè)應(yīng)力。

泥巖隧道；監(jiān)控量測；圍巖壓力；鋼拱架應(yīng)力；軟化

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，在軟弱巖體中修筑隧道工程已必不可少，隨之而來的軟弱巖體的特殊工程地質(zhì)問題也開始凸現(xiàn)。泥巖是隧道工程中比較常見的一種軟弱巖體，其明顯的流變特性致使泥巖隧道的圍巖穩(wěn)定性較差[1]。秦正貴等[2]結(jié)合蒙華鐵路中條山隧道進(jìn)行了第三系地層工程地質(zhì)特性研究，認(rèn)為泥巖隧道施工中容易出現(xiàn)塌方大變形和突水涌砂，基底需慎重處理。張秀良等[3]結(jié)合蘭渝鐵路胡家灣隧道，介紹泥巖地層修建大斷面隧道變形控制的方法。歐爾峰等[4-5]以甘肅天水地區(qū)膨脹性泥巖為例進(jìn)行了大量土工試驗和隧道支護結(jié)構(gòu)受力特征方面的研究，認(rèn)為泥巖的物理特性直接影響到隧道的受力和變形。在隧道工程施工中，新奧法已經(jīng)成為修筑的最主要方法。新奧法主要是應(yīng)用巖體力學(xué)的理論,以維護和利用圍巖的自承能力為基點,采用錨桿和噴射混凝土為主要支護手段,及時地進(jìn)行支護,控制圍巖的變形和松弛,使圍巖成為支護體系的組成部分,并通過對圍巖和支護的量測、監(jiān)控來指導(dǎo)隧道與地下工程設(shè)計、施工的方法和原則。說明在新奧法施工過程中，現(xiàn)場監(jiān)控量測的重要性不言而喻，尤其是對于軟弱圍巖隧道，現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和及時的信息反饋來修正設(shè)計參數(shù)，以達(dá)到設(shè)計合理、施工高效的目的，同時也對隧道二次襯砌的施作時間具有決定性意義[6-13]。但是目前針對于高速鐵路泥巖隧道的現(xiàn)場監(jiān)控量測和理論分析的綜合性研究成果尚不多見。因此本文通過對安定泥巖隧道的受力進(jìn)行現(xiàn)場量測和分析，并結(jié)合室內(nèi)相關(guān)土工試驗，對施工過程進(jìn)行安全性評價。得到相關(guān)結(jié)論，對將來類似的泥巖隧道的設(shè)計與施工具有一定的參考價值。

1 工程概況

寶蘭客專是徐蘭客專的重要組成部分，線路地處黃土高原區(qū)，正線全長401 km，安定隧道位于甘肅省定西市安定區(qū)，隧道全長3 902 m，地面高程1 870～2 040 m。圍巖級別為VI。寶蘭客專全線隧道工程共計273 km/78座，其中有多座隧道穿越第三系泥巖、黃土及其二者接觸帶，成巖作用差，其間局部含有中砂互層與透鏡體，接觸帶黃土多呈飽和或近飽和軟塑狀，施工開挖過程中出現(xiàn)較大滲漏水，圍巖與支護結(jié)構(gòu)大變形乃至開裂破壞等情況，如上莊隧道1號斜井及正在施工的安定隧道部分區(qū)段，本文監(jiān)測的DK941+465斷面處天然土含水率也達(dá)到了24.8%,這不僅給現(xiàn)場施工帶來較大安全隱患，也不利于后期運營階段的隧道整體穩(wěn)定。為掌握第三系泥巖隧道圍巖和隧道結(jié)構(gòu)受力變形特征，分析襯砌變形開裂的原因及機理，開展了相應(yīng)的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試。安定隧道按新奧法原理施工，采用臺階法開挖，初期采用噴錨支護，以鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土共同組成聯(lián)合支護系統(tǒng)，二襯為模筑鋼筋混凝土。

2 圍巖礦物成分測試和膨脹性判別

為配合現(xiàn)場量測和后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，考慮到泥巖可能存在的崩解特性和膨脹特征，首先對安定隧道圍巖進(jìn)行礦物成分測試和膨脹性判別。礦物成分測試委托中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所完成，泥巖礦物成分如表1所示，依據(jù)《沉積巖粘土礦物相對含量X射線衍射分析方法》(SY/T5163-1995)[14]，不同斷面的兩個試樣中石英、方解石、斜長石的含量超過85%，蒙脫石含量均為0，僅含有少量伊利石和高嶺石，說明此處泥巖不具備膨脹性的礦物成分。依據(jù)《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[15](TB 10102-2010)的相關(guān)要求進(jìn)行室內(nèi)膨脹性相關(guān)試驗，部分試驗如圖1所示，試驗結(jié)果如表1所示。從表1的試驗結(jié)果看，三份試樣的自由膨脹率分別為43.5%，42%和40%。無荷載膨脹率分別為14.85%，11.60%和10.40%。試樣1的最終崩解完成量最大，達(dá)到了69.12%。線膨脹力數(shù)值較小，最大線膨脹力僅為15.91 kPa。室內(nèi)土工試驗說明，此處泥巖的膨脹性為無膨脹至弱膨脹，但泥巖遇水存在一定的崩解性。

圖1 土樣濕化試驗示意圖Fig.1 Layout of humidifying test

試樣編號12取樣里程DK941+465DK941+474礦物組份(%)蒙脫石00伊利石6.67石膏00高嶺石3.13.3綠泥石02.7石英35.734.4鉀長石11.112斜長石17.816.3方解石23.523.5白云石2.20菱鐵礦00赤鐵礦00黃鐵礦00.8

參數(shù)單位試樣1試樣2試樣3密度密度g/cm32.312.282.29膨脹率自由膨脹率%43.542.040.0無荷載膨脹率%14.8511.6010.40水濕化最終崩解量%69.1265.4263.58膨脹力側(cè)限膨脹力kPa15.9113.9011.35

3 施工方法及測點布置

3.1 施工方法

隧道地處富水泥巖分布區(qū)，地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，故采用臺階法施工。

3.2 測點布置及監(jiān)測過程

現(xiàn)場監(jiān)測儀器埋設(shè)于DK941+465處，依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》[16](TB10121-2007)的相關(guān)要求，結(jié)合安定隧道的地質(zhì)條件和施工環(huán)境擬定了隧道的監(jiān)控量測內(nèi)容和測試方法，測點布置如圖2所示，沿監(jiān)測斷面共布置10個監(jiān)測元件。監(jiān)測元器件分別采用振弦式高精度雙膜土壓力計、表面應(yīng)變計和鋼筋應(yīng)力計。測試頻率為：前15 d：2 次/d；15-40 d：1 次/d；40-60 d：3次/d；以后每周一次。

圖2 測點布置圖Fig.2 Layout of measuring points

4 監(jiān)測結(jié)果與分析

4.1 圍巖壓力

除左右拱腳和仰拱左拱腳壓力盒損壞無法獲取讀數(shù)外，其他基本完好, 由于有些測點損壞，導(dǎo)致斷面分布圖不是非常規(guī)則,但基本滿足分析的要求。圍巖壓力隨時間的變化關(guān)系曲線如圖3所示，圍巖壓力穩(wěn)定值的空間分布如圖4所示。

從圖3和圖4可以看出：隧道開挖后圍巖壓力釋放較為明顯，對初期支護的壓力也較大，圍巖向洞內(nèi)擠壓的趨勢較明顯，其中左邊墻墻腳處數(shù)值遠(yuǎn)大于其它部位且似乎仍有上升趨勢，其數(shù)值為499.67 kPa。其次為仰拱拱底處，穩(wěn)定后數(shù)值為336.98 kPa。其余部位數(shù)值相對較小而且比較接近，處于逐漸平穩(wěn)的緩慢增長狀態(tài)，穩(wěn)定值基本在50～160 kPa之間。

總體而言，左側(cè)圍巖壓力整體大于右側(cè)圍巖壓力；在仰拱拱底、左邊墻墻腳處圍巖壓力較大，分別達(dá)到了336.98和499.67 kPa，這可能與開挖時泥巖巖塊沿隧道斷面下滑和下部泥巖遇水軟化承載力降低有關(guān)。與圖6鋼拱架應(yīng)力穩(wěn)定值比較可知，二者應(yīng)力分布規(guī)律近似，均在左右邊墻墻腳以及仰拱拱底處受力較大。故實際工程中應(yīng)注意墻腳處的受力變化，及時將隧道內(nèi)積水排除并保證墻腳處的穩(wěn)定安全。

圖3 圍巖壓力時程曲線Fig.3 Time history curve of surrounding rock pressure

單位：kPa圖4 圍巖壓力穩(wěn)定值分布Fig.4 Stability value distribution of surrounding rock pressure

4.2 鋼拱架應(yīng)力

除右拱腳和仰拱右拱腳儀器損壞無法獲取讀數(shù)外，其他基本完好，由于有些測點損壞，導(dǎo)致斷面分布圖不是非常規(guī)則, 但基本滿足分析要求。得到鋼拱架應(yīng)力隨時間的變化關(guān)系曲線如圖5所示，鋼拱架應(yīng)力穩(wěn)定值的空間分布如圖6所示。

從圖5和圖6可知(負(fù)號表示受壓，正號表示受拉，下同)：1)鋼拱架應(yīng)力波動較大，其中左拱腳處拱架在安設(shè)后12 d內(nèi)變化不穩(wěn)定，起伏較大，前4 d出現(xiàn)拉應(yīng)力，這可能與隧道采用的臺階法施工有關(guān)，施工中每開挖一段臺階隨即打錨桿安設(shè)鋼拱架，由于鋼拱架沒有及時封閉，在承受圍巖壓力的同時，出現(xiàn)了類似“懸空”的情況，導(dǎo)致鋼拱架出現(xiàn)短暫的拉應(yīng)力，在鋼拱架封閉后拉應(yīng)力隨即消失。2)右邊墻墻腳的應(yīng)力穩(wěn)定值是所有測點中的最大值，為-217.61 MPa，其數(shù)值自開挖后即快速增長，而后逐漸趨于平穩(wěn)。其次為左邊墻墻腳處，為-196.72 MPa。左右邊墻墻腳處數(shù)值大致是對稱的，其中左邊墻墻腳是逐漸增長并趨于穩(wěn)定，而右邊墻墻腳數(shù)值在開挖后陡然增大然后逐步趨于穩(wěn)定。3)仰拱部分，左右中部受力基本一致，都穩(wěn)定在-70 MPa附近，拱底處壓力較大，為-105.46 MPa。

圖5 鋼拱架應(yīng)力時程曲線Fig.5 Time history curve of stress in steel arch

單位：MPa圖6 鋼拱架應(yīng)力穩(wěn)定值分布Fig.6 Stability value distribution of stress in steel arch

整體看，鋼拱架在各測點處受力不均勻，基本表現(xiàn)為“中部大，兩頭小”的特征。鋼拱架應(yīng)力隨時間發(fā)展基本按照“急劇增大→增大放緩→趨于穩(wěn)定”的變化過程，即鋼拱架應(yīng)力在支護后即開始顯著增大, 隨著變形的穩(wěn)定，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，鋼拱架應(yīng)力總體都處于受壓狀態(tài)。隧道未出現(xiàn)明顯偏壓狀態(tài)，但左右墻腳處受力明顯偏大。仰拱部分，仰拱拱底處的壓力最大，為105.46 MPa。故在施工中，應(yīng)注意兩側(cè)墻腳處的穩(wěn)定。仰拱處應(yīng)注意排水。

4.3 初支與二襯接觸壓力

初支與二襯接觸壓力隨時間的變化關(guān)系曲線如圖7所示，初支與二襯接觸壓力穩(wěn)定值沿隧道襯砌的空間分布如圖8所示。

如圖7和圖8可知，初支和二襯接觸壓力的分布規(guī)律不同于圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力,1)打完二襯后，仰拱拱底處的接觸壓力迅速升高至最大值，其數(shù)值達(dá)到281.29 kPa，明顯大于其他部位的應(yīng)力最大值，然后逐漸下降至平穩(wěn)。這可能是由于仰拱底部泥巖遇水軟化后承載力降低，打完二襯拆除鋼模板后圍巖壓力迅速集中在二襯支護結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致接觸壓力迅速增大，隨著應(yīng)力的重分布，應(yīng)力逐漸降低并趨于平穩(wěn)。2)仰拱左右拱腳處應(yīng)力發(fā)展趨勢以及穩(wěn)定值基本類似，均是打完二襯后緩慢增長至漸趨平穩(wěn)，且壓力相對較小，穩(wěn)定值分別為32.83 kPa和33.72 kPa。3)左右邊墻墻腳處的差異較大，右側(cè)明顯大于左側(cè)，但是打完二襯后二者應(yīng)力發(fā)展趨勢近似，均遵循應(yīng)力急劇增大然后減小并逐漸穩(wěn)定的規(guī)律。4)在左右拱腳處，右側(cè)明顯小于左側(cè)，說明拱腳處隧道處于明顯的偏壓狀態(tài)。5)拱頂處壓力較大，二襯施工后應(yīng)力迅速增大到最大值228.54 kPa，隨著二襯結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強度以及拱頂上方圍巖壓力重分布后逐漸穩(wěn)定，拱頂壓力也穩(wěn)定在了180 kPa左右。

整體看，右側(cè)墻腳處應(yīng)力明顯大于左側(cè)，而右拱腳應(yīng)力明顯小于左拱腳，說明隧道中部處于較明顯的偏壓狀態(tài)。仰拱處左右受力基本對稱，但打完二襯后，拱底應(yīng)力急劇增大，這可能與拱底泥巖遇水軟化有關(guān)。拱頂處壓力較大，且打完二襯后應(yīng)力波動較大。但各測點數(shù)值最終都基本趨于平穩(wěn)。

單位：kPa圖7 初支與二襯接觸壓力穩(wěn)定值分布圖Fig.7 Stability value distribution of stress between the first linings and the second linings

單位：kPa圖8 初支與二襯接觸壓力穩(wěn)定值分布圖Fig.8 Stability value distribution of stress between the first linings and the second linings

4.4 二襯鋼筋軸力

二襯鋼筋混凝土配筋分內(nèi)外兩層鋼筋，為了檢測鋼筋軸力變化情況，在兩層鋼筋上分別安裝鋼筋計監(jiān)測鋼筋軸力，鋼筋計安裝位置如圖9所示。

圖9 二襯中內(nèi)外層鋼筋的相對位置關(guān)系Fig.9 Position of the inner and outer layer steel bars in the secondary lining

4.4.1 外層鋼筋

外層鋼筋軸力隨時間的變化關(guān)系曲線如圖10所示，外層鋼筋軸力穩(wěn)定值沿隧道襯砌的空間分布如圖11所示。除左拱腳處鋼筋計損壞無法獲取讀數(shù)外，其他基本完好, 基本滿足分析的要求。

如圖10和圖11所示，1)拱頂處鋼筋軸力一直呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，在鋼筋計安裝初期讀數(shù)迅速增大，在第12 d是達(dá)到峰值14.83 kN，隨后數(shù)值逐漸減少并趨于平穩(wěn)。2)右拱腳在埋設(shè)元件初期出現(xiàn)拉應(yīng)力，而左右墻腳處軸力明顯偏大且似乎仍有增大的趨勢。3)仰拱處，拱底和仰拱左中部變化規(guī)律一致且數(shù)值接近。仰拱右中部變化規(guī)律與拱底一致，只是軸力數(shù)值偏小。仰拱左右拱腳數(shù)值變化量級基本一致，而仰拱右拱腳整體數(shù)值偏小且在第49到56 d期間出現(xiàn)較大波動，原因可能是由于局部應(yīng)力集中造成的。整體看并沒有出現(xiàn)明顯偏壓現(xiàn)象。

4.4.2 內(nèi)層鋼筋

內(nèi)層鋼筋軸力隨時間的變化關(guān)系曲線如圖12所示，內(nèi)層鋼筋軸力穩(wěn)定值沿隧道襯砌的空間分布如圖13所示。除拱頂處鋼筋計損壞無法獲取讀數(shù)外，其他完好, 基本滿足分析的要求。

如圖12和圖13所示：1)左右拱腳處受力規(guī)律基本一致，只是右拱腳在初期出現(xiàn)短暫拉應(yīng)力。2)左右邊墻墻腳處，二者變化趨勢基本一致，都在前4天出現(xiàn)拉應(yīng)力，且隨時間發(fā)展軸力增大趨勢明顯，后期應(yīng)格外關(guān)注其發(fā)展。3)仰拱部分共有5個監(jiān)測點，在第1到第6 d變化基本一致，數(shù)值也較為接近。第7 d開始仰拱左右拱腳的軸力數(shù)值開始減小并逐漸穩(wěn)定，而左右中部及仰拱處數(shù)值繼續(xù)增大，可見拱底處鋼筋壓力較大。而仰拱右中部在第56 d時數(shù)值出現(xiàn)波動，但最后都趨于平穩(wěn)。

圖10 外層鋼筋軸力圖Fig.10 Map of the outer steel axial force

單位：kN圖11 外層鋼筋軸力穩(wěn)定值Fig.11 Stability value distribution of the outer steel axial force

綜合內(nèi)外層鋼筋受力情況可知，外層和內(nèi)層的鋼筋軸力數(shù)值均較小，規(guī)律也較為接近，都是遵循先增大再減小，然后逐漸趨于平穩(wěn)的規(guī)律，且整體均未出現(xiàn)明顯偏壓情況。其中，外層鋼筋中仰拱左側(cè)軸力偏大，最大值是仰拱左中部，大小為-26.13 kN，表現(xiàn)為受壓狀態(tài)；內(nèi)層鋼筋中左右邊墻墻腳處軸力偏大，最大的則是在左邊墻墻腳處，大小為-22.60 kN，亦表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。

圖12 內(nèi)層鋼筋軸力圖Fig.12 Map of the inner steel axial force

單位：kN圖13 內(nèi)層鋼筋軸力穩(wěn)定圖Fig.13 Stability value distribution of the inner steel axial force

4.5 二襯混凝土應(yīng)力

量測采用的是混凝土應(yīng)變計，測得二襯混凝土應(yīng)變(με)，而實際工程中多用到的是應(yīng)力值，并由此來判斷二次襯砌的安全性。安定隧道二襯采用C30混凝土，彈性模量為30 GPa，軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為20 MPa，設(shè)計值為15 MPa；軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為2.2 MPa，設(shè)計值為1.47 MPa[17]。以單向應(yīng)變按胡克定律估算得到二襯混凝土應(yīng)力隨時間的變化關(guān)系曲線如圖14所示，以及應(yīng)力穩(wěn)定值沿隧道襯砌的空間分布如圖15所示。

如圖14和圖15所示，1)拱頂混凝土打完二襯后一直處于受壓狀態(tài)，接下來兩周內(nèi)壓應(yīng)力逐漸減小而后小幅度增大并保持穩(wěn)定；2)右拱腳混凝土打完二襯后一直處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力急劇增加并達(dá)到最大值20.11 MPa，隨后兩天混凝土計讀數(shù)又急劇下降，達(dá)到12 MPa左右，并最后趨于穩(wěn)定。左側(cè)拱腳處混凝土應(yīng)力變化趨勢與之類似，只是左拱腳處為壓應(yīng)力。左右曲線表現(xiàn)為反向?qū)ΨQ；3)左邊墻墻腳處混凝土受力不穩(wěn)定，開始一周時間表現(xiàn)為拉應(yīng)力并呈現(xiàn)增大的趨勢，到第八天的時候表現(xiàn)為壓應(yīng)力并逐漸增大，最后受壓趨于穩(wěn)定；右邊墻墻腳的變化趨勢與左邊墻墻腳類似，只是應(yīng)力數(shù)值略偏大。二者受力仍有繼續(xù)增大的趨勢，后期應(yīng)特別注意；4)仰拱左右拱腳處混凝土在澆筑初期均處于受壓狀態(tài)，而后仰拱左拱腳一直處于受壓狀態(tài)并緩慢增大，且仍有繼續(xù)增大的趨勢。然而仰拱右拱腳自第15 d開始出現(xiàn)拉應(yīng)力并一直保持穩(wěn)定，數(shù)值保持在1 MPa左右。5)仰拱拱底及仰拱左右中部一直處于受壓狀態(tài)，且三者應(yīng)力發(fā)展趨勢類似，只是仰拱左中部應(yīng)力明顯偏大達(dá)到了-15.25 MPa；6)圖15與圖4、圖6和圖8對比可知，二襯與初支的接觸壓力中右拱腳處拉壓力明顯偏大而測試圍巖壓力與鋼拱架應(yīng)力時右拱腳儀器均損壞，這極有可能與隧道右上側(cè)拉應(yīng)力偏大有關(guān)。

總體來看，二襯混凝土處于明顯的偏壓狀態(tài)。由圖14可知：1)混凝土應(yīng)力最大值出現(xiàn)在仰拱左中部，為受壓狀態(tài)，數(shù)值為-15.25 MPa，小于C30混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，與設(shè)計值接近；2)最大拉應(yīng)力是在右拱腳處，為12.38 MPa，大于C30混凝土軸心抗拉強度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值，故應(yīng)采取必要措施防止右側(cè)上部混凝土開裂。但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土是主要受壓構(gòu)件，鋼筋為主要受拉構(gòu)件?？紤]到二襯鋼筋抗拉強度及配筋情況，該數(shù)值基本滿足二襯強度要求。但受到下部泥巖遇水軟化影響，仰拱處混凝土可能出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。故施工中可適當(dāng)提高仰拱處的混凝土強度和配筋率。

單位：MPa圖14 混凝土應(yīng)力Fig.14 Map of concrete stress

單位：MPa圖15 混凝土應(yīng)力穩(wěn)定值分布Fig.15 Stability value distribution of concrete stress

5 試驗結(jié)果綜合分析

1)初期支護中，仰拱處的圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力明顯偏大，二襯混凝土應(yīng)力也較大，根據(jù)前述試驗可知泥巖不具備膨脹性的礦物成分，不存在膨脹性或膨脹性微弱。筆者認(rèn)為仰拱壓力較大可能是由于第三系泥巖遇水崩解軟化的特性導(dǎo)致的，第三系泥巖透水性較差，但受開挖卸荷影響，不同部位開挖、特別是仰拱開挖后，會形成卸荷裂隙，上部的水流向仰拱等低洼部位后，沿著卸荷裂隙滲入，導(dǎo)致泥巖崩解軟化，使得仰拱以下泥巖的變形與承載特性出現(xiàn)不均勻性，在基底形成軟弱層，加之上覆圍巖壓力和襯砌結(jié)構(gòu)自重以及上部重車反復(fù)碾壓作用下導(dǎo)致仰拱拱底處受力明顯偏大；2)初襯圍巖壓力的穩(wěn)定值分布不均勻，各測點的圍巖壓力值差異較大，而且仰拱拱底和左右邊墻墻腳處壓力較大；3)鋼拱架應(yīng)力與初襯圍巖壓力相似，在左右邊墻墻腳處壓力較大，這可能與開挖隧道后圍巖壓力釋放或泥巖遇水軟化承載力降低有關(guān)；4)初支與二襯接觸壓力在左右邊墻墻腳及拱頂處壓力值較大，且左右側(cè)壓力并不對稱，說明打完二襯隧道處于偏壓狀態(tài)；5)內(nèi)外層鋼筋軸力的穩(wěn)定值分布相似，都是在左右邊墻墻腳的鋼筋軸力較大且受壓，且仰拱處的外層鋼筋軸力稍大于內(nèi)層鋼筋，拱腳和邊墻墻腳處的內(nèi)層鋼筋軸力稍大于外側(cè)。整體看未出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，說明此處二襯后沒有土體下滑的趨勢；6)二襯混凝土應(yīng)力的穩(wěn)定值數(shù)值偏大，在右側(cè)拱腳處出現(xiàn)明顯拉應(yīng)力情況且數(shù)值較大，容易出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象。仰拱處混凝土應(yīng)力較大。整體來看左側(cè)應(yīng)力大于右側(cè)。

6 結(jié)論

1)對安定隧道泥巖試樣進(jìn)行室內(nèi)相關(guān)土工試驗，說明此處泥巖的膨脹性為無膨脹至弱膨脹，但泥巖存在一定的崩解性。

2)初襯圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力分布均不均勻，兩側(cè)不對稱，尤其在仰拱和邊墻墻腳處壓力較大，需要在以后設(shè)計施工中予以考慮。

3)從初支與二襯接觸壓力可以看出，打完二襯后仰拱壓力明顯減小，說明仰拱以下泥巖軟化承載力降低的問題得到改善，但存在一定的偏壓情況。內(nèi)外層鋼筋軸力的發(fā)展趨勢和數(shù)量級相似，都是在左右邊墻墻腳的鋼筋軸力較大。

4) 混凝土應(yīng)力沿隧道斷面分布不均，左拱腳和仰拱處應(yīng)力較大，且右拱腳處的混凝土應(yīng)力偏大且為拉應(yīng)力，施工中應(yīng)該特別注意。

5) 綜合分析各項監(jiān)控量測的結(jié)果可知，安定隧道所測定斷面的圍巖已呈現(xiàn)穩(wěn)定和收斂趨勢。可認(rèn)為隧道的設(shè)計參數(shù)和施工方案是較為合理的，隧道結(jié)構(gòu)的受力處于安全狀態(tài)，滿足有關(guān)規(guī)范的要求。

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Test study on the mechanical characteristics ofmudstone tunnel on Baoji-Lanzhou PDL

ZHANG Qinpeng1,2，LIANG Qingguo1,2，MENG Bowen1,2，WANG Xindong1,2

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

Based on the engineering background of Anding mudstone tunnel on Baoji-Lanzhou Passenger Dedicated Lines, the physical properties of mudstone and the change over time and the distribution law of the parameters such as surrounding rock pressure, stress in steel arch, stress between the first linings and the second linings, steel axis force in the secondary lining, concrete stress, etc were studied through comprehensive on-site monitoring and geotechnical tests. The results show that the swelling property of mudstone ranges from no swelling to weak swelling, but there is a certain disintegration of mudstone with presence of water. The surrounding rock stress grows over time, the surrounding rock pressure of inverted arch is the maximum, which all tends to be stable in the end. The value of stress in steel arch is not stable, even with large fluctuation. The stress in steel arch of side wall foundation is also the maximum, however, it tends to be stable in the end. The stress between first linings and second linings is larger overall with large fluctuation, and the stress of side wall foundation is the maximum, increases over time and finally tends to be stable. The steel axis force in the secondary lining is compressive, the value in steel axis force of both inside and outside is approximate. Concrete stress is relatively generally large, where the stress in right arch springing appear to be tensile stress, and the stress in left arch springing are larger than those in the right side.

mudstone tunnel; monitoring measurement; surrounding rock pressure; stress in steel arch; soften

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(41562013，41262010)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT1139)；甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體資助項目(145RJIA332)

梁慶國(1976-)男，甘肅臨洮人，教授，博士，從事巖土工程方面的教學(xué)與研究工作;Email: 18609317395@163.com

U238

A

1672-7029(2016)11-2133-09