黃 赫，周丁恒，李鳳嶺

(1. 北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 軌道交通院, 北京 100037；2. 中鐵第五勘察設計院集團有限公司 城市軌道交通設計處，北京 102600)

0 引 言

隨著我國鐵路建設快速發(fā)展，在軟弱巖體中修筑鐵路隧道不可避免，隨之而來的軟弱巖體特殊工程地質問題成為鐵路隧道工程建設中的熱點與難點。

新奧法是隧道工程修筑的最主要方法，其核心原則之一是通過對圍巖和支護結構監(jiān)控、量測來指導隧道設計、施工，尤其是對軟弱圍巖隧道，現(xiàn)場監(jiān)測意義極其重要。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及反饋信息修正設計參數(shù)，以保證設計合理、設計高效，同時現(xiàn)場監(jiān)測決定了二次襯砌的施工時間。

目前對軟弱圍巖中鐵路隧道現(xiàn)場試驗或監(jiān)測研究[1-3]主要集中于地質類型多樣的寶蘭客運專線多條隧道上。分別針對黃土、泥巖等類型隧道，通過現(xiàn)場監(jiān)測，研究了隧道受力隨時間變化規(guī)律及空間分布特征；此外，還應用可靠度法或容許應力法及相關數(shù)據(jù)對實際工程安全狀態(tài)進行評估。高地應力對隧道支護結構受力影響很大，李鵬飛等[4]通過現(xiàn)場監(jiān)測，得到高地應力條件下隧道圍巖壓力與初期支護體系各子構件的力學特性，討論了其隨時間的演化特性和沿隧道橫斷面的空間分布規(guī)律。此外，也有學者[5-7]將現(xiàn)場監(jiān)測作為數(shù)值計算補充或結合手段，研究了鐵路隧道圍巖與支護體系受力特征。與上述研究針對單個隧道不同，房倩等[8]依托多個鐵路隧道，對不同級別圍巖條件下初支、二襯間接觸壓力進行了現(xiàn)場監(jiān)測，深入分析了二襯結構受力特點?，F(xiàn)有成果很少考慮不同施工步驟的影響，且只是以單個斷面[9-10]為數(shù)據(jù)樣本分析，缺乏全面性。因此，筆者依托朱家山隧道，分別選取Vb級和IVb級這2個斷面比較分析，開展支護體系進行現(xiàn)場試驗，對施工過程進行安全性評價。

1 工程概況

寶蘭客運專線是我國中長期鐵路網規(guī)劃中徐蘭客運專線西段，也是國家鐵路“四縱四橫”客運專線網重要組成部分。作為其控制性工程的朱家山隧道，全長14 947.77 m，屬于特長隧道。隧道分進口、4座斜井、出口工作面同時施工，最大、最小埋深分別約為370、30 m。隧區(qū)位于隴西系旋卷構造體系的瑪雅雪山-會寧旋回褶帶南端與祁呂賀蘭山字型構造體系前弧西翼之復合部位。該區(qū)地質構造較復雜，區(qū)域地層支離破碎。隧道穿越大神仙梁山，洞身通過了震旦系片巖夾千枚巖地層、第三系泥巖段，全長范圍穿越了3處斷層(F4、F6和F13斷層)，斷層帶內為泥夾角礫，斷層兩側片巖巖體極為破碎，對隧道施工影響較大。片巖為云母質，薄層、軟質；受斷層構造影響節(jié)理、裂隙發(fā)育；傾斜巖層、構造偏壓顯著；受黃土地層層面地下水影響，片巖層面有滲水。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗概況

針對隧道軟質、薄層、破碎和滲水片巖特點，根據(jù)現(xiàn)場情況不同圍巖條件、支護參數(shù)及施工方法，選取DK837+915和DK838+560斷面進行現(xiàn)場試驗，2個試驗斷面隧道頂部埋深分別約為179、206 m，均采用三臺階七步法施工，試驗段面測點布置如圖1。

圖1 試驗斷面測點布置Fig. 1 Layout of monitoring points of the test section

2.2 圍巖地質情況

DK837+915斷面圍巖等級為IVb，DK837+560斷面圍巖等級為Vb。DK837+915斷面處于斷層破碎帶，原巖為震旦系變質砂巖夾片巖，灰黑色弱風化，片理化極發(fā)育，受構造影響極嚴重，圍巖呈破碎狀，褶曲發(fā)育，圍巖軟硬不均，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體整體破碎，地下水不發(fā)育。DK838+560斷面掌子面揭露圍巖為變質細砂巖夾片巖地層，灰黑色，弱風化，薄層，節(jié)理、裂隙很發(fā)育，巖層結構面不連續(xù)，局部地層呈現(xiàn)尖滅特征，掌子面局部小型褶曲發(fā)育，節(jié)理面間多見灰白色石英條帶充填；受構造作用影響嚴重，變質砂巖呈壓碎巖特征，片巖片理化發(fā)育，巖體整體較破碎，邊墻易片幫、收斂；地下水不發(fā)育，狀態(tài)分級為Ⅰ級。

3 支護結構形態(tài)分析

3.1 圍巖壓力

圍巖壓力時程曲線如圖2；圍巖壓力穩(wěn)定值空間分布如圖3。

從圖2、3可看出：① 隧道開挖后圍巖壓力釋放較為明顯，對初期支護壓力也較大，圍巖有較為明顯的向洞內擠壓趨勢；② 2個斷面受施工步影響，部分測點圍巖壓力存在波動特征，DK837+915斷面以施工步6(仰拱開挖支護、二襯及填充)影響最為明顯，該施工步下左右墻腳處壓力迅速增大至0.29、0.174 MPa，隨著掌子面繼續(xù)推進，應力釋放，2個位置處壓力迅速回落。不同于DK837+915斷面，DK838+560斷面部分測點壓力波動性更強，不同施工步多次擾動影響，其中以下臺階開挖支護對拱頂、左右拱腳壓力影響最為明顯，拱頂壓力最大達到了0.467 MPa；③ 拱墻二襯施做后，各測點圍巖壓力測值趨于穩(wěn)定，但左墻中穩(wěn)定時間較其他測點要長。

總體而言，圍巖壓力穩(wěn)定后，DK837+915斷面左側圍巖壓力要大于右側圍巖壓力，最大出現(xiàn)在左墻中(0.167 MPa)，拱頂壓力較??；DK837+560斷面圍巖壓力整體要比DK837+915斷面要大，且左右較對稱，仰拱左墻腳處壓力最大，其次是拱頂處，分別達到0.234、0.183 MPa。對比圖3(a)、(b)可知：墻腳以上，DK837+560斷面圍巖壓力大于DK837+915斷面；墻腳以下，DK837+560斷面要稍小于DK837+915斷面。

圖2 圍巖壓力時程曲線Fig. 2 Time history curve of surrounding rock pressure

圖3 圍巖壓力穩(wěn)定值分布Fig. 3 Distribution of stable value of surrounding rock pressure

3.2 鋼架應力

鋼架應力時程曲線如圖4；鋼架應力穩(wěn)定值空間分布如圖5。

從圖4、5可知(負號表示受拉，正號表示受壓)：① DK837+915斷面右拱腰處鋼架應力在施工步3(中臺階左側開挖支護)開始后迅速上升至400 MPa左右，但表面應變計被破壞，無法量測該位置后期受力情況。左拱腰、右墻中位置鋼架處基本一直處于受拉狀態(tài)，且隨時間發(fā)展呈“S”型，穩(wěn)定值在-300 MPa左右。右拱腳處鋼架受施工步6影響最為明顯，該施工步下，鋼架受拉迅速轉為受壓。其他位置處鋼架應力表現(xiàn)為緩慢增長至穩(wěn)定；②與DK837+915斷面類似，右拱腳出鋼架受下臺階開挖步影響大，該臺階開挖后迅速接近600 MPa并趨于穩(wěn)定；右拱腰處初期存在波動變化，在拱墻二次襯砌施做后變化也較為明顯，升至445 MPa左右后趨于穩(wěn)定。其他位置表現(xiàn)為緩慢增長至穩(wěn)定；③ 2個斷面各測點在拱墻二次襯砌施做后不久基本就處于穩(wěn)定狀態(tài)。

整體而言，鋼架應力隨時間發(fā)展基本按照“急劇增大→增大放緩→趨于穩(wěn)定”的變化過程，即鋼架應力在支護后即開始顯著增大，隨著變形穩(wěn)定，應力值趨于穩(wěn)定，鋼架總體都處于受壓狀態(tài)。DK837+915斷面左拱腰、右拱腳及右墻中處鋼架應力大，受力均勻性一般；DK838+560斷面拱頂、左拱腳處鋼架壓力遠大于其他位置，分別達到252、215.4 MPa，鋼架受力非常不均勻。故在施工中，應注意左拱腳至拱頂?shù)姆€(wěn)定。對比圖5(a)、(b)可知：墻腳以上，DK837+560斷面鋼架應力大于DK837+915斷面；墻腳以下，DK837+560斷面要稍小于DK837+915斷面。

圖4 鋼架應力時程曲線Fig. 4 Time history curve of steel frame stress

圖5 鋼架應力穩(wěn)定值分布Fig. 5 Distribution of stable value of steel frame stress

3.3 初支混凝土應力

在初期支護混凝土中埋設混凝土應變計，量測混凝土應變，再以單向應變按胡克定律估算得到混凝土應力，由此判斷初支的安全性。朱家山隧道初支噴射混凝土采用C25，彈性模量為28 GPa，軸線抗壓強度標準值為16.7 MPa，設計值為11.9 MPa；軸心抗拉強度標準值為1.78 MPa，設計值為1.27 MPa。初支混凝土應力時程曲線如圖6；混凝土應力穩(wěn)定值空間分布如圖7。

由圖6、7可看出：① DK837+915斷面左拱腰處應力在施工步1(上臺階開挖支護步)工作面推進中迅速增大，在后續(xù)施工步中在0.75 MPa范圍內波動。右拱腳應力在量測初期迅速增大，施工步4(下臺階左側開挖支護)中變化不大，但下臺階右側開挖后再次增大，直到施工步6(仰拱開挖支護、二襯及填充)后回落并趨于穩(wěn)定。其他位置應力隨時間發(fā)展存在“急劇增大→增大放緩→趨于穩(wěn)定”的演化過程，在這個過程中部分位置量測后一段時間內表現(xiàn)為拉應力，但均小于C25混凝土軸心抗拉強度標準值，略大約設計值；②與DK837+915斷面不同，DK838+560斷面各位置應力隨時間發(fā)展過程可歸結為“臺階式增長→趨于穩(wěn)定”形式，其中穿插有部分施工步中的回落階段。右拱腳、右墻中位置在施工過程中一直保持拉應力狀態(tài)，尤以右拱腳最為突出，施工中最大拉應力超過了20 MPa，遠大于抗拉強度標準值；③ 拱墻二襯施做后，2個斷面各測點初支混凝土應力測值趨于穩(wěn)定，但仰拱穩(wěn)定時間較其他測點要長。

總體來看，二襯混凝土應力最大值出現(xiàn)在仰拱底部，分別為22.379、28.681 MPa，均超過C25混凝土軸心抗壓強度標準值；噴混凝土另一個受力特征是出現(xiàn)了較大拉應力區(qū)，DK837+915、DK838+560斷面分別主要集中于圍巖壓力較大的左墻中和右拱腳位置；其中：DK838+560斷面右拱腳位置初支混凝土拉應力達到了12.052 MPa，遠大于C25混凝土軸心抗拉強度標準值。在施工過程中右噴混凝土開裂掉塊現(xiàn)象嚴重，側拱部和邊墻多次發(fā)生小坍塌，可考慮修改初期支護設計參數(shù)，如增大噴射混凝土厚度、改變型鋼型式或布置間距等措施。

圖6 初支混凝土應力時程曲線Fig. 6 Time history curve of the initial support concrete stress

圖7 初支混凝土應力穩(wěn)定值分布Fig. 7 Distribution of stable value of the initial support concrete stress

3.4 初支與二襯接觸壓力

初支與二襯接觸壓力時程曲線如圖8；壓力穩(wěn)定值沿隧道襯砌空間分布如圖9。

由圖8、9可知：初支與二襯接觸壓力的分布規(guī)律不同于圍巖壓力和鋼架應力：① 二襯施做后，2個斷面多個位置(DK837+915斷面拱頂及左右墻中和DK838+560斷面的拱頂、左墻中及右拱腰拱腳)的壓力迅速升高至最大值，然后隨著二襯結構達到設計強度及拱頂上方圍巖壓力重分布后逐漸降低并趨于平穩(wěn)。其中拱頂處壓力最大值明顯大于其他位置的壓力最大值，其數(shù)值分別達到了1.367、1.124 MPa；② DK837+915 斷面右拱腰、DK838+560斷面左拱腰處壓力發(fā)展趨勢與前幾個位置類似，先增大再降低至穩(wěn)定，但最大值小于0.3 MPa；③ 除上述位置外，其他位置均是施做二襯后緩慢增長至平穩(wěn)，且壓力均在0.2 MPa內變化。

圖8 初支與二襯接觸壓力時程曲線Fig. 8 Time history curve of contact pressure between primary and inner lining

整體來看，DK837+915斷面初支與二襯接觸壓力測值穩(wěn)定后，右側明顯大于左側，說明隧道處于偏壓狀態(tài)；DK838+560斷面拱腳以上左側壓力大于右側，拱腳以下右側壓力大于左側，隧道同樣處于偏壓狀態(tài)。在二襯施做后，各測點壓力急劇增大，這可能與DK837+915斷面砂巖夾千枚巖遇水泥化和DK838+560斷面砂巖夾泥遇水軟化有關，且壓力存在一定的波動，但各測點測值最終都趨于平穩(wěn)。對比圖9(a)、(b)可知：墻腳以上，DK837+560斷面初支與二襯接觸壓力大于DK837+915斷面；墻腳以下，DK837+560斷面要稍小于DK837+915斷面。

圖9 初支與二襯接觸壓力穩(wěn)定值分布Fig. 9 Distribution of stable value ofcontact pressure betweenprimary and inner lining

3.5 二襯混凝土應力

在二次襯砌中埋設混凝土應變計，量測混凝土應變，再以單向應變按胡克定律估算得到混凝土應力，由此判斷二次襯砌的安全性。朱家山隧道二次襯砌按照環(huán)境等級H1、H2分別采用C35、C40混凝土，試驗斷面均采用C35，彈性模量為31.5 GPa，軸線抗壓強度標準值為23.4 MPa，設計值為16.7 MPa；軸心抗拉強度標準值為2.2 MPa，設計值為1.57 MPa。二襯混凝土應力時程曲線如圖10；應力穩(wěn)定值沿隧道襯砌空間分布如圖11。

由圖10可知：① 2個斷面各測點二襯混凝土應力隨時間發(fā)展趨勢基本一致，變化過程均可劃分為快速階段、過渡階段和緩慢及穩(wěn)定階段，快速階段應力以較大速率增大，緩慢及穩(wěn)定階段應力則以小幅度增大最終趨于穩(wěn)定。其中快速段持續(xù)時間分別為 3～4 d，應力變化量約占最終穩(wěn)定值的1/2，過渡段持續(xù)時間為5～6 d；②除個別測點應力曲線存在交叉現(xiàn)象外，其他測點應力增長為同步狀態(tài)，說明二襯施做后，混凝土應力分布形式變化不大，受力狀態(tài)較為單一；③ DK837+915斷面拱頂、左右拱腳及右墻中位置應力初期出現(xiàn)負值(拉應力)，除右拱腳處經過7 d應力轉為壓應力，其他3處短時間內應力由拉轉壓，且各位置拉應力最大不超過0.5 MPa，遠小于混凝土軸心抗拉強度設計值。

總體來看，2個斷面二襯混凝土應力測值穩(wěn)定后二襯處于偏壓狀態(tài)，左墻角至拱頂應力大于右墻角至拱頂應力。由圖10可知：二襯混凝土應力最大值出現(xiàn)在拱頂，分別為20.16、36.54 MPa，前者接近C35混凝土軸心抗壓強度標準值，后者則超過，兩者均超過了設計值，故施工中應適當提高混凝土強度。對比圖11(a)、(b)可知：墻腳以上，DK837+560斷面二襯混凝土應力大于DK837+915斷面；墻腳以下兩個斷面差異不大。

圖11 二襯混凝土應力穩(wěn)定值分布Fig. 11 Distribution of stable value of second lining concrete stress

4 結 論

1)Vb級圍巖地質條件較差，圍巖壓力整體比IVb級圍巖要大，但沿隧道斷面分布均勻性要比IVb級圍巖好，IVb級圍巖左側圍巖壓力大于右側。

2)鋼架整體都處于受壓狀態(tài)，Vb、IVb級圍巖斷面鋼架受力沿隧道斷面分布不均。且Vb級別圍巖斷面不均更為明顯，拱頂及左拱腳處鋼架應力超過200 MPa，施工中需密切注意。

3)兩類圍巖初支混凝土應力沿隧道斷面分布不均，Vb圍巖右拱腳和IVb部分位置在施工過程中表現(xiàn)為拉應力。此外，這2類圍巖仰拱處應力較其他位置大很多，超過容許值，需對初支混凝土參數(shù)進行加強設計。

4)不同圍巖條件下隧道支護受力特征有著一定差異，Vb圍巖較IVb圍巖要差，導致隧道墻腳以上支護體力受力明顯大于IVb圍巖，而墻腳以下，這2類圍巖差異不大，其中圍巖條件稍好下，圍巖壓力、鋼架應力及初期支護與二襯接觸壓力略大。

5)從初支與二襯接觸壓力可看出，二襯施做后，部分位置壓力迅速增大后減小，說明隧道處于斷層破碎帶承載降低的問題得到了改善，但存在一定偏壓情況。

6)二襯混凝土應力沿隧道斷面分布不均。拱頂、右拱腰及右墻中應力較大，尤其是拱頂處應力最大，超過混凝土軸心抗壓強度標準值，施工中應特別注意。

7)綜合分析各項量測結果可知，朱家山隧道所測定斷面的圍巖雖已呈現(xiàn)穩(wěn)定和收斂趨勢，但部分位置鋼架和混凝土受力過大，甚至超過了容許值，故需在隧道設計參數(shù)和施工方案上采取措施，如增強支護剛度、增設臨時支撐及優(yōu)化三臺階開挖為CRD法開挖等，從而控制隧道變形及受力狀態(tài)。