大田连拱隧道围岩与支护结构变形和受力分析

雪　ＧＥＯＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＷＯＲＬＤ……………………………………………ＶＯＬ１０……Ｎｏ．５…．　……………………………大田连拱隧道围岩与支护结构变形和受力分析　陈发根　徐干成　王宏斌　（Ｉ．安徽省交通投资集团有限责任公司２，空军工程设计研究局）　摘要对大田连拱隧道洞口浅埋段的围岩变形和支护结构受力进行了现场监控量测，对围岩变形与地　表沉降的特点及对应关系、初期支护、二次衬砌以及中隔墙的受力进行了分析，总结出浅埋段连　拱隧道围岩变形和结构受力特点。　关键词连拱隧道围岩支护结构变形受力分析　１　工程概况　大田连拱隧道位于黄山市徽州区呈坎镇四村境　内，隧道全长１００ｍ，进出口里程分别为Ｉ（２１２＋０１３　和Ｋ２１２＋ｌ１３。主要穿越的围岩类别为Ⅲ、Ⅳ类，其　中Ⅲ类围岩占总长度的４５％，１Ｖ类围岩占总长度的　＼　５５％。隧址区属于构造侵蚀中山区，隧道洞室最大　婀岩奏别　ｋ乎收敛与拱项Ｆ况ｌ右缱　ＹＫ２１　　２＋０２５　。　。　｝　。　埋深３８．０ｍ，隧道轴走向为１４７。，山脊走向为５６。，　锫杆内力　ｌ右缱　ｙＫ２１７　Ｏ４Ｏ　ＹＫ２１２　１０ｏ　其它选　ｌ右缱　隧道轴线垂直于山脊走向。隧道左右洞埋深不均，　图ｌ各监测项目断面布置里程示意图　属于典型的偏压连拱隧道。　隧址区发育的地层主要有：中元古界蓟县系大　谷运组下段（Ｊｘｄ　）砂质板岩，地表零星分布第四系　残坡积堆积物（Ｑ　“　）。整座隧道埋深较浅，隧道　节理裂隙发育，围岩稳定性差。隧址区内地表水属　新安江水系，由于山体地势较陡，植被发育，第四系　覆盖较薄，大气降水不易入渗山体；区域内地下水对　混凝土无腐蚀性。　２　围岩变形与结构受力现场监测　・一压力盒　・一钢筋计　－一应力计　图２　断面测点布置示意图　２．１断面及测点布置　国内外在连拱隧道现场监测和数值模拟方面开　２．２数据采集与预处理　展了大量研究工作，取得一定的研究成果　ｊ，但对　地表沉降、拱顶下沉采用ＤＳＺ２自动安平水准　不良地层条件下又有偏压的情况，个例监测成果中　仪配ＦＳＩ平板测微器、２ｍ铟钢尺进行量测；周边位　取得的经验和认识尚不具普遍指导意义。我们根据　移采用ＪＳＳ３０一１０／Ｉ５Ａ型数显式收敛仪进行量测；　《公路隧道施工技术规范》　要求，结合大田连拱隧　结构受力，包括围岩压力、喷射混凝土内应力、钢拱　道施工的实际工程情况和地质条件，按照设计要求　架内力、喷射混凝土与二次模注混凝土接触应力、二　对大田隧道施工期间的地表沉降、围岩变形、初支、　衬混凝土内应力均采用钢弦式传感器，采用ＰＺｘ一１　二衬的结构受力进行了监测。监测断面布置里程如　型振弦频率检测仪进行量测。各测试项目采集频　图１所示，断面测点布置如图２所示。　率，依据规范规定进行。　采集原始数据需及时进行预处理，将高程转换　为地表下沉量、拱顶下沉量；将收敛计长度转换为水　［收稿日期］２００６—１２—０５　３６　维普资讯 http://www.cqvip.com

曼墨…　妻．．翌　……………………………………………………………一　ｇⅢ／嚣　臀　０　８　６　４　２　０　２　量　篙　平收敛；并将拱顶下沉和水平收敛随时间的变化趋　势进行数据回归分析，以观察其变化趋势；将各钢弦　Ｏ　目Ⅲ，疆　６　４　２　０　８　６　４　２　０　２　传感器频率转换为结构受力、应力，并绘制其随时间　变化曲线。　３　围岩变形与结构受力分析　３．１围岩变形　图３为大田隧道ＺＫ２１２＋０２５断面拱顶下沉、　水平收敛随时间变化曲线。　Ｏ　１Ｏ　２Ｏ　天数　（ｂ）　图３　ＺＫ２１２＋０２５断面拱顶下沉、水平收敛随时间变化曲线　从大田隧道左线ＺＫ２１２＋０２５断面拱顶下沉和　水平收敛随时间变化的曲线可以看出，在开始监测　的前２５天内，拱顶下沉和水平收敛累计增加值较　大，此后变形趋于稳定，在曲线上表现为趋于收敛。　这说明在开挖一定时间后，随着工作面的推进和支　护的施作，围岩周边变形量已趋于收敛，围岩趋于稳　定。由拱顶下沉监测数据可知，在监控量测期间，拱　顶最大下沉量大约为１４．７ｍｍ，水平收敛最大值　１４ｍｍ。围岩周边变形的收敛证明了支护系统的设　计是合理的、正确的。　３．２支护结构受力　（１）钢拱架受力在大田隧道左线ＺＫ２１２＋０４０　断面钢拱架受力图中，黑色表示２００４年１２月１７日　Ｏ　加　∞磁㈨　∞　如　∞　（６５　（　　　Ｉｆｌ　一０　８２Ａ　．０　１２　翊一　图４左线ＺＫ２１２＋０４０断面混凝土内部应力状态图　＋测点Ａ　＋测点Ｂ　＋测点Ｄ　１　萋　ＩＯ　着．－２　　：　７．７　７．２７　８－１６　９．５　９．２５　１Ｏ．１　５　日期（月一日）　图５二衬混凝土内部应力随时间变化曲线　＋测点　＋测点Ｂ　＋测点Ｄ　Ｏ　Ｏ８　０．０６　－Ｒ　蜜０．０４　辎０．０２　Ｏ　７．７　７．２７　８．１６　９．５　９．２５　１０．１５５　时间（月一日）　图６初衬与二衬间接触压力随时间变化曲线　量测二次衬砌混凝土内部应力，得到混凝土内　部的应力曲线如图８所示。由曲线可以看出，拱腰　３７　维普资讯 http://www.cqvip.com

鲴　ＧＥＯＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＷＯＲＬＤ　ｖｏ　Ｌ＿１。Ｎ　０＿５　２　３　２　７７　图７左线ＺＫ２１２＋０４０断面钢拱架受力状态图　（Ｂ点）和中隔墙顶部（Ｄ点）处混凝土的内部应力　较大，拱脚（　点）处混凝土内部应力较小，但是无论　在拱脚、拱腰还是在中隔墙顶部，二次衬砌混凝土的　内部应力都波动不大，保持在相对稳定的数值，这说　明围岩变形已趋于稳定。　　ｌ　ｌ图８大田左线ＺＫ２１２＋０４０断面锚杆轴力状态图　接触压力最大值发生在左侧拱腰位置，数值约　为０．０６ＭＰａ，左边墙和右拱腰位置处接触压力数值　均相对特别微小，分别仅约为０．０２ＭＰａ和０．０ｌＭＰａ。　二衬混凝土内应力量测结果如图９所示，最大值发　生在左边墙，数值约为４ＭＰａ，曲线没有明显起伏变　化，仅有微小的波动，这说明二衬混凝土中的应力已　经趋于收敛，断面位置处围岩趋于稳定。　测点　Ｐｌ　Ｐ２　Ｐ３　Ｐ４　ＰＳ　Ｐ６　Ｐ７　ＰＲ　Ｏ　－５　吕　。ｌＯ　－１５　星－２０　．１Ｉ醛．２５　舞．３Ｏ　．３５　－４Ｏ　图９　大田隧道Ｋ２１２＋０１６断面地表下沉柱状图　（３）锚杆轴力：大田左线ＺＫ２１２＋０４０断面锚　３８　杆轴力状态如图ｌ０所示。锚杆轴力最大１２．７５ｋＮ，　发生在拱腰，呈受拉状态，该点锚杆轴力到２００５年　５月１４日增大到２０．５ｋＮ，但较之其极限抗拉强度小　的多。总之，围岩施加在结构上的力和结构本身内　力均不太大，反映围岩与支护均比较稳定。　（４）地表沉降：大田隧道汤口端坡体的变形曾　一度受到关注，是因为在洞口段施工期间坡体上裂　缝发展较为明显，日下沉量在一段时间内比较大。　２００４年１　１月２７日Ｐ：点的最大日沉降达到了　１１．２ｍｍ／日，加之左洞进口埋深较浅，部分基础坐落　在坡体残积层上，有山体不稳下滑的可能，因此针对　大田隧道的安全施工采取了多项措施和专题研讨。　从地表沉降监测情况来看，大田隧道进口地表　沉降最大值３６．６２ｍｍ（图９），且地表有裂缝发展，裂　缝主要出现在左侧主洞左上方的斜坡上及第一台阶　边缘。地表裂缝的形成有两个可能原因：一是放炮　震动导致地表土层下滑形成的表面裂缝，这不会对　隧道稳定产生很大影响；二是左侧主洞洞口外侧拱　脚处承载力不足导致隧道整体向外侧偏斜变形而形　成的深层裂缝，对隧道稳定有较大影响。其中，拱脚　处承载力不足导致隧道整体向外侧偏斜变形，也是　偏压连拱隧道深埋侧拱顶下沉远小于地表沉降的主　要原因。为此在增加了洞口部位拱顶下沉量测，对　比地表、拱顶下沉结果之后提出更改施工顺序为：中　隔墙充填接顶后，先将左洞（深埋侧）按设计分部开　挖，进到一定里程后，视围岩类别再改为全断面开　挖，然后再进行右洞（浅埋侧）开挖。在更改施工顺　序后，地表沉降明显减小，围岩变形得到了较好的控　制。　４　结论　（１）新奥法连拱隧道施工，必须采取与其结构　受力特点和施工工艺相适应的监控量测技术，监测　项目的取舍应根据工程具体情况确定。　（２）针对偏压浅埋连拱隧道地表沉降较大而拱　顶下沉不明显的情况，在连拱隧道施工中应充分考　虑地层偏压对中隔墙承载力的影响，综合分析各监　测项目结果，对围岩变形给出正确、合理的分析并采　取积极的防治措施。　（３）对于浅埋段连拱隧道，为有效控制围岩变　形、改善中隔墙受力状态、防止隧道的整体侧向偏　移，开挖时宜先采用分部开挖法开挖深埋侧，待其变　形得到有效控制后再开挖浅埋侧。　（４）大田连拱隧道施工过程中通过监控量测和　维普资讯 http://www.cqvip.com

口　岩土工程界第１０卷第５期　分析，及时反馈了结构受力状况，从而准确判别了围　岩稳定和支护状态，修正了支护参数，采取了必要的　预支护措施，从而达到了科学指导施工和完善设计　的目的。　参考文献　。　ｅｆｅｃｔｓ　ｏｆｉｈｅ　ｔｗｏ　ｎｅｗ　ｔｗｉｎ　ｔｔｍｎｅｌｓｅｘｅａｖａｔｉｏｎ　ｖｅｒｙ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ａ　ｂｉｇ　ｄｉ—　ａｍｅｔｅｒ　ｔｕｎｎｅｌ　ｏｆ　Ｃａｒａｅａ８，ｓｕｂｗａｙ．Ｉｎｔｅｍａｔｌｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｍｅｅｈａｎｉｅｓａｎｄ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ＆Ｇｅｏｍｅｅｌｌａｒｌｉｃ８　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ，１９９５。　３２（３）：１３８．　［５］　周玉宏，赵燕明，程崇国，等．元磨高速公路桥头隧道施工中的　监控与分析．地下空间，２００２，（２）．　［１］重庆公路科学研究所．公路隧道施工技术规范．北京：人民交　［７］房明山，赛铁兵，刘保国．砒霜坳隧道现场监控量测．西部探矿　通出版社，１９９５．　工程，２００１，（３）．　［２］　陶维民．浅谈隧道围岩监控量测技术的应用．公路交通技术，　［８］　徐于成，等．地下工程支护结构．北京：中国水利水电出版社，　２００５（４）：１３４～１３６．　２００３．　［３］　申玉生，赵玉光．偏压连拱隧道围岩变形的现场监测与分析研　究．公路，２００５，（４）．　第一作者通讯地址：合肥市长江东路ｌ１５７号安徽省交通投　［４］　李德宏．连拱隧道施工监测与分析．Ｐｅｒｒｉ，Ｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｉｆｈｅ　资集团建管部　邮编：２３００１ｌ　；　；　；　寥各ｇ｛是　；　；　；　；　（上接第３５页）　二Ｊｊ　粒夹层的情况，可以推测粉细砂层中的粘粒含量变　（３）现场粉细砂⑤　层中局部区域（粘粒、粉粒　化较大。因此，现场粉细砂⑤　层中局部区域（粘　夹层附近）的抗液化强度有可能比室内试验结果　粒、粉粒夹层附近）的抗液化强度有可能比室内试　（对应于表１的粘粒含量）低约０．０５。　验结果（对应于表１的粘粒含量）低约０．０５。　（４）当相对密度小于０．３７时，粉细砂⑤　具有　●　液化的可能。　／　／　（５）根据试验数据初步分析表明，地震烈度为　＿　ｒ一一一　Ⅶ度（对应于１００年超越概率１０％）或Ⅷ度时（对应于　ｒ　１００年超越概率２％），场地发生液化的可能性不大。　｛ｌ　０　１　０　２　０．３　（ｊ　ｌ　ｌ】５　０　５　０　７　｛）８　Ｄ　参考文献　图６粉细砂⑤　抗液化强度与相对密实度Ｄ　关系曲线　卢芳．武汉市轨道交通二号线工程场地砂土液化分析．东北地　在工勘报告上，粉细砂⑤　的状态描述为中密。　震研究，２００５（９）．　衡朝阳，何满潮，裘以惠．含粘粒砂土抗液化性能的试验研究．　而相对密实度从０．３３～０．６７均为中密，为分析不同　工程地质学报，２００１，９（４）：３３９—３４４．　Ｄ　对抗液化强度的影响，得到如图６的曲线。由图　齐明山，谢永利，刘保健．基于ＧＤＳ的原状黄土试验研究．西部　６可知，当相对密度低于０．６时，两者呈现出较好的　探矿工程．２００５（９）．　线性关系，而当Ｄ　大于０．６时，抗液化强度上升速　Ｓｅｅｄ　Ｈ．Ｂ．．Ｍａｒｔｉｎ　Ｇ．Ｒ．．Ｌｙ～ｅｒ　Ｊ．Ｐｏｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　度变大。经计算，对于设防烈度为Ⅶ度，相应的地震　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｏｉｌ　ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ．Ｊ　Ｃ，ｅｏｔｅｃｈ　Ｅｎｇｎｇ　Ｄｉｖ，ＡＳＣＥ，１９７６，１０２　剪应力比为０．１５。因此，当Ｄｒ小于０．３７时，粉细　（ＧＴ４）：３２７—３４６．　吴世明等．土动力学．北京：中国建筑工业出版社，２０００．１２４一　砂⑤　具有液化的可能。　ｌ２５．　张晓菊．地基土液化特性的试验研究　山西建筑　２００５（ｕ）：　３　结论　１０４—１０５．　（１）粉细砂⑤　液化过程中，当超孔隙水压力达　衡朝阳．裘以惠．颗粒级配对含蒙脱石砂土抗液化性能的影　响，中国矿业大学学报，２００２（３）：１４０—１４１．　到上升的转折点时，动应变突然增大，而动应力也同　牛琪瑛，张素姣．地基土液化机理的研究．太原理工大学学　时衰减。　报，２００２（５）：２４６—２４７．　（２）粉细砂⑤，的抗液化强度随着粘粒含量的　增加并不是单调变化，而是先下降后增加。在粘粒　第一作者通讯地址：上海南汇区祝桥镇东北新村１号楼３０３　含量处于９％～１０％时，达到最低值。　室邮编：２０１３２３　３９