丁文禮 　 陳 蒙 　 姜 寧

(煙臺(tái)大學(xué)，山東 煙臺(tái)　264000)

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基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的隧道圍巖壓力分布規(guī)律與特征

丁文禮 陳 蒙 姜 寧

(煙臺(tái)大學(xué)，山東 煙臺(tái)264000)

結(jié)合邢汾高速公路隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了國內(nèi)其他隧道圍巖壓力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了圍巖壓力的總體分布規(guī)律和圍巖壓力的時(shí)空分布特征，并對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出了建議。

圍巖壓力，分布規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施不斷投入，隧道工程由于其眾多優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展[1-3]。圍巖壓力作用在隧道等地下結(jié)構(gòu)物上的主要計(jì)算荷載，它的性質(zhì)、大小與分布直接影響到隧道臨時(shí)支護(hù)和永久襯砌類型的合理類型，形狀與尺寸以及與之相對(duì)應(yīng)的施工方法,同時(shí)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注的重要內(nèi)容[4-6]。由于影響圍巖壓力的因素很多，不同地區(qū)工程地質(zhì)條件差異較大，故難以從理論上得到較準(zhǔn)確的圍巖壓力數(shù)據(jù)，因此對(duì)圍巖壓力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)就顯得尤為必要[7-10]。關(guān)于圍巖壓力監(jiān)測(cè)及分析，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了一定的研究，李鵬飛等[11]通過圍巖壓力統(tǒng)計(jì)分析，研究了圍巖壓力分布特征；劉學(xué)增[12]結(jié)合龍頭山隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)大跨度公路隧道圍巖豎向壓力分布特征進(jìn)行了探討；雷軍等[13]對(duì)特長隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下斷層帶應(yīng)力及變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。

上述學(xué)者的研究取得了豐碩的成果，深入了圍巖壓力的研究工作。然而，應(yīng)該看到，部分研究工作存在儀器布置不夠合理，研究結(jié)論過于籠統(tǒng)等問題，為了進(jìn)一步探討圍巖壓力作用機(jī)理，明晰圍巖壓力分布規(guī)律與特征，本文結(jié)合邢汾高速賀平峽隧道、黃巖子隧道、后偏梁隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并綜合國內(nèi)其他隧道圍巖壓力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖壓力的分布與特征進(jìn)行了探討，并對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化提出了建議。

1　圍巖壓力的統(tǒng)計(jì)分析

從國內(nèi)42條隧道選取了85個(gè)有代表性的監(jiān)測(cè)斷面的圍巖壓力最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中Ⅱ級(jí)圍巖2個(gè)、Ⅲ級(jí)圍巖10個(gè)、Ⅳ級(jí)圍巖38個(gè)、Ⅴ級(jí)圍巖35個(gè)，如表1所示。

表1　監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)圍巖級(jí)別將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分為圍巖壓力總體分布、Ⅳ級(jí)圍巖壓力值分布、Ⅴ級(jí)圍巖壓力值分布三組，如圖1～圖3所示；Ⅱ，

Ⅲ級(jí)圍巖由于數(shù)據(jù)較少，因此不單獨(dú)分組。

通過對(duì)所有圍巖壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可知:

1)圍巖壓力值的范圍大體在0 MPa～1.6 MPa之間，均值為0.32 MPa；Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖壓力值范圍在0 MPa～0.162 MPa之間，均值為0.09 MPa；Ⅳ級(jí)圍巖壓力值范圍在0 MPa～0.697 MPa之間，均值為0.20 MPa；Ⅴ級(jí)圍巖壓力值范圍在0 MPa～1.597 MPa之間，均值為0.527 MPa，由此可見，隨著圍巖級(jí)別的增加，圍巖壓力值變化趨勢(shì)是增大的，但并不意味著高級(jí)別的圍巖其壓力值一定大于低級(jí)別的圍巖壓力值。兩個(gè)Ⅱ級(jí)圍巖壓力值達(dá)到了0.162 MPa， 0.147 MPa，大于Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖壓力均值，這個(gè)例外可能與Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖壓力值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足有關(guān)。

2)所有圍巖壓力值在0.02 MPa～0.55 MPa范圍內(nèi)的頻數(shù)達(dá)到68個(gè)，占總體的80%，即總體來看，圍巖壓力很少低于20 kPa或大于550 kPa;Ⅳ級(jí)圍巖壓力值在0.019 MPa～0.358 MPa范圍內(nèi)的頻數(shù)達(dá)到31個(gè)，占總體的82%，可知Ⅳ級(jí)圍巖壓力值很少低于19 kPa或大于358 kPa;Ⅴ級(jí)圍巖壓力值在0.024 MPa～1.282 MPa范圍內(nèi)的頻數(shù)達(dá)到33個(gè)，占總體的94%，可知Ⅴ級(jí)圍巖壓力值很少低于24 kPa或大于1.282 MPa。

2　邢汾高速圍巖壓力監(jiān)測(cè)

對(duì)邢汾高速四條隧道，五個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)使用的壓力盒為鋼弦式壓力盒，布置方法為“密布搭橋”布設(shè)法[14]，如圖4所示，相比傳統(tǒng)在拱頂、拱腰、拱底布置壓力盒的方法，增加了圍巖壓力值的準(zhǔn)確性。壓力盒測(cè)得的壓力值為圍巖與初次襯砌之間的接觸應(yīng)力，由于壓力盒布置在鋼拱架與圍巖之間，即隧道開挖之后，此時(shí)圍巖已經(jīng)有了一定的形變，圍巖壓力得到部分的釋放，故實(shí)測(cè)圍巖壓力值小于實(shí)際圍巖壓力值。各監(jiān)測(cè)斷面基本情況如表2所示。

表2　各監(jiān)測(cè)斷面基本情況

監(jiān)測(cè)斷面賀坪峽隧道ZK77+613.5黃巖子隧道ZK79+160黃巖子隧道YK79+521黃巖子隧道YK80+383后偏梁隧道ZK63+353圍巖級(jí)別ⅢⅢⅣⅣⅤ埋深1301962279120巖性石英砂巖石英砂巖石英砂巖石英砂巖黑云片麻巖開挖方式臺(tái)階法臺(tái)階法臺(tái)階法臺(tái)階法臺(tái)階法

3　圍巖壓力分布特征

3.1圍巖壓力的時(shí)間變化特征

以監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，作拱架總壓力隨時(shí)間的變化曲線。其中Ⅲ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖各有1個(gè)斷面。各監(jiān)測(cè)斷面拱架總壓力時(shí)程變化曲線如圖5～圖7所示。

根據(jù)各樣本隧道圍巖壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線可知：

1)各監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力在壓力盒安裝之后7 d之內(nèi)迅速增大，隨后進(jìn)入平穩(wěn)增長階段，并最終趨于穩(wěn)定。如圖5所示，賀坪峽隧道ZK77+613.5監(jiān)測(cè)斷面拱架總壓力值在7 d的時(shí)候增大到8 kN，達(dá)到拱架總壓力穩(wěn)定值的75%,之后經(jīng)過約14 d的平穩(wěn)增長而趨于平穩(wěn)，并最終穩(wěn)定在12 kN左右。

2)各監(jiān)測(cè)斷面拱架總壓力值在增大過程中均出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)。這種波動(dòng)反映了圍巖壓力大小受多種因素(地質(zhì)情況、施工條件等)的影響，而不是穩(wěn)定不變的。例如賀坪峽隧道ZK77+613.5監(jiān)測(cè)斷面拱架總壓力值在37 d左右由11 kN減小為8 kN，這是由于下臺(tái)階開挖引起的，隨著下臺(tái)階支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖變形而釋放的圍巖壓力，圍巖壓力值又逐漸增大。

3.2圍巖壓力的空間分布特征

圖8～圖10為各監(jiān)測(cè)斷面壓力盒壓力值。

通過對(duì)圖8～圖10進(jìn)行分析可知：

1)同一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，拱圈不同位置布置的壓力盒所測(cè)得的圍巖壓力值可能有很大的不同。絕大部分的壓力盒讀數(shù)為正值，有一些為零，甚至是負(fù)值，這與隧道工程中復(fù)雜的巖體條件有直接的關(guān)系，例如巖體物理力學(xué)性質(zhì)、巖體構(gòu)造發(fā)育狀況、地應(yīng)力、地下水等。 若圍巖向洞內(nèi)擠壓變形則會(huì)產(chǎn)生正值，反之則會(huì)出現(xiàn)零值或者負(fù)值。

2)在拱圈的不同位置，圍巖壓力的分布表現(xiàn)出了極大的不均勻性，即圍巖壓力的極大值可能出現(xiàn)在拱圈任一位置，但是不難發(fā)現(xiàn)，在拱肩位置往往有著相當(dāng)?shù)膰鷰r壓力，因此在施工中加強(qiáng)對(duì)拱肩等支護(hù)結(jié)構(gòu)受力比較大的部位是極其必要的。

3)在公路隧道中，偏壓往往是一種比較普遍的現(xiàn)象。圖8～圖10均出現(xiàn)了不同程度的偏壓，圖10中后偏梁隧道的偏壓現(xiàn)象尤其明顯，監(jiān)測(cè)斷面左側(cè)埋深24 m,右側(cè)埋深11 m，埋深較淺，地表坡度較大。因此淺埋且地表起伏較大的地段尤其要注意隧道偏壓的問題，從而保證施工質(zhì)量與施工安全。

4　襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析

根據(jù)JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[15]計(jì)算Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖的設(shè)計(jì)值，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見表3。由此可知：Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖的圍巖壓力實(shí)測(cè)值均小于設(shè)計(jì)值，Ⅴ級(jí)圍巖偏壓段實(shí)測(cè)值甚至只占其設(shè)計(jì)值的8%,這表明當(dāng)前支護(hù)結(jié)構(gòu)存在一定的優(yōu)化空間以節(jié)省施工成本，減少浪費(fèi)。但是，值得注意的是，隧道圍巖條件復(fù)雜多變，圍巖壓力實(shí)測(cè)值小并不一定代表圍巖就是穩(wěn)定的、安全的，尤其對(duì)于隧道開挖階段和初期支護(hù)階段，需要進(jìn)行綜合判斷和合理優(yōu)化。

表3　實(shí)測(cè)值與規(guī)范設(shè)計(jì)值對(duì)比

5　結(jié)語

1)圍巖壓力的大小與圍巖的級(jí)別即圍巖的質(zhì)量有直接關(guān)系，圍巖級(jí)別越高，圍巖質(zhì)量越差，圍巖壓力越大，一般實(shí)測(cè)圍巖壓力很少超過1.6 MPa。

2)隧道開挖以后，拱架上的圍巖壓力在一個(gè)7 d內(nèi)快速的增長，14 d～21 d后趨于穩(wěn)定，臺(tái)階法由于下導(dǎo)開挖，圍巖壓力增長過程會(huì)有波動(dòng)。

3)圍巖壓力沿拱圈不均勻分布，且拱肩部位可能經(jīng)常出現(xiàn)較大值，偏壓在公路隧道中經(jīng)常出現(xiàn)。

4)與實(shí)測(cè)圍巖壓力相比，現(xiàn)行規(guī)范提供的圍巖壓力設(shè)計(jì)值偏保守，存在優(yōu)化空間，但鑒于圍巖條件的復(fù)雜性，要格外注重開挖與初支階段施工安全。

[1]曲海鋒,楊重存,朱合華,等.公路隧道圍巖壓力研究與發(fā)展[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,3(3):536.

[2]蔣樹屏.我國公路隧道工程技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].公路交通技術(shù),1999(2)：32-41.

[3]黃倫海,蔣樹屏,張軍.公路隧道洞口環(huán)保型設(shè)計(jì)施工現(xiàn)狀及展望[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005(3)：455-459.

[4]李文江,賈曉云,劉志春.地鐵區(qū)間大斷面隧道施工力學(xué)行為研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007,31(1):40-43.

[5]鐘祖良,劉新榮,劉元雪.淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道圍巖壓力計(jì)算與監(jiān)測(cè)分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2013(2)：63-68.

[6]張俊儒,孫克國,盧鋒.不等跨連拱鐵路隧道圍巖壓力分布及受力特征模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2015(11)：3077-3084，3093.

[7]陳慶,盧珂,韓聰.巖質(zhì)隧道圍巖壓力影響因素分析[J].人民黃河,2013(6)：134-137.

[8]陳武奮,蔡周春,劉愛蓮.隧道圍巖壓力監(jiān)測(cè)的非線性回歸分析研究[J].光學(xué)技術(shù),2014(3)：249-253.

[9]肖濤,李春峰.偏壓隧道冒頂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2011(6)：195-199.

[10]史寶童,趙佳云,謝祥光.風(fēng)積沙隧道圍巖壓力分布特征及襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算分析[J].公路,2013(6)：270-276.

[11]李鵬飛,趙勇,張頂立.基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的隧道圍巖壓力分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013(7)：1392-1399.

[12]劉學(xué)增,羅仁立.大跨度公路隧道圍巖豎向壓力分布特征探討[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(12)：1741-1745.

[13]雷軍,張金柱,林傳年.烏鞘嶺特長隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下斷層帶應(yīng)力及變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析[J].巖土力學(xué)，2008(5)：1367-1371.

[14]趙文忠,侯哲生,王丙興.基于現(xiàn)場(chǎng)圍巖壓力監(jiān)測(cè)的黃巖子隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2015(2)：24-27.

[15]JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

On tunnel surrounding rock pressure

distribution law and characteristics on the basis of site monitoring

Ding WenliChen MengJiang Ning

(YantaiUniversity，Yantai264000,China)

Combining with Xing-Fen highway tunnel site monitoring data, the paper explores other domestic tunnel surrounding rock pressure statistics, analyzes integral surrounding rock distribution law and time-space distribution properties of surrounding rock pressure, and finally puts forward some suggestions of optimizing masonry structure.

surrounding rock pressure, distribution law, site monitoring

1009-6825(2016)08-0194-03

2016-01-07

丁文禮(1988- )，男，在讀碩士；陳蒙(1987- )，男，在讀碩士；姜寧(1989- )，男，在讀碩士

U456.3

A