富溪偏压连拱隧道围岩与支护结构变形和受力特征分析

1、第25卷增2岩石力学与工程学报V ol.25 Supp.2 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.,2006富溪偏压连拱隧道围岩与支护结构变形和受力特征分析段海澎1,2,徐干成3,4,刘保国4(1. 安徽省交通投资集团有限责任公司,安徽合肥230011;2. 成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都 610059;3. 空军工程设计研究局,北京 100068;4. 北京交通大学土木与建筑工程学院,北京 100044摘要:铜黄高速公路汤屯段富溪偏压连拱隧道,长623 m,洞口段围岩为全风化变质砂岩,呈散体结构,

2、不能自稳。洞口段左侧埋深较右侧大,存在明显的偏压。隧道施工采用三导洞法进行,施工期间对洞口段三导洞、正洞的多个断面进行现场监控量测。通过分析监测数据,可得围岩变形与支护结构受力特点。监测结果表明:中导洞形成后,浅埋侧导洞先行施工,其围岩变形较深埋侧导洞要大;正洞施工期间,深埋侧拱顶下沉较浅埋侧大,深埋侧水平收敛呈扩张趋势,浅埋侧水平收敛呈收缩趋势,中隔墙呈向浅埋侧偏移趋势;无论初期支护还是二次衬砌,其围岩压力、混凝土内应力均是深埋侧大,由于整体衬砌有向浅埋侧运动趋势,钢支撑所受应力在浅埋侧较大。分析结果对富溪偏压隧道施工具有指导意义,对类似隧道的设计、施工和研究具有借鉴和参考价值。关键词:隧道

3、工程;连拱隧道;地层偏压;围岩;支护结构中图分类号:U 45 文献标识码:A 文章编号:10006915(2006增2376306 ANALYSIS OF DEFORMATION OF SURROUNDING ROCK AND STRESS CHARACTERISTICS OF SUPPORTING STRUCTURE OF FUXI TWINTUNNELDUAN Haipeng1,2,XU Gancheng3,4,LIU Baoguo4(1. Anhui Provincial Communications Investment Group Co.,Ltd.,Hefei,Anhui230011

4、,China;2. College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan610059,China;3. The Air Force Engineering Design and Research Institute,Beijing100068,China;4. School of Civil Engineering and Architecture,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,ChinaAbstract:F

5、uxi twin tunnel in TangkouTunxi section of TonglingHuangshan Expressway is eccentric compressed with the length of 623 m. Weathered meta sandstone at the portal is loosely structured and unstable. The portal is apparently eccentric with the left side buried deeper than the right side. Three pilot tu

6、nnel method has been applied for tunneling. During the construction,site monitoring and measurement have been conducted for various cross sections of the three pilot tunnels and the main tunnel. Data have been studied and analyzed. Deformation of the surrounding rocks and stress of the supporting st

7、ructures have been noted. Monitoring result shows that,after the heading-through of the central pilot tunnel,construction is organized firstly on the pilot tunnel of the shallow- buried side. It is envisaged that the deformation of the surrounding rocks of the shallow buried section is greater than

8、that of the deep buried one. During the construction of the main tunnel,arch crown subsidence at the deep收稿日期:20051223;修回日期:20060331 3764 岩石力学与工程学报 2006年buried section is greater than that of the shallow buried section. The horizontal convergence at the deep buried section tends to be expansive whil

9、e that at the shallow buried one shrinking,which causes the movement of the mid-board towards the later section. Initial supporting and secondary lining also envisages the greater pressure of the surrounding rocks as well as the greater internal stresses of the concrete at the deep buried section. A

10、s it has the tendency of moving towards the shallow buried section during the integral lining,the steel shotcrete at the section bears greater stress. This analysis offers some technical assistance to the construction of Fuxi eccentric compressed tunnel as well as some references for the design,cons

11、truction and research of the similar engineering.Key words:tunneling engineering;twin tunnel;eccentric compression of stratum;surrounding rocks;supporting structure1 引言随着我国经济的快速发展,公路隧道的建设也越来越多。在许多情况下受线形、地形、工程地质条件或环境保护等因素的影响,必须采用双连拱隧道形式。在复杂地质条件下,连拱隧道的修建具有工序繁杂、围岩多次被扰动、围岩应力变换和结构受力复杂等特点。目前在我国虽已建成了不少连拱隧道

12、,在设计、施工方面积累了一定的经验,而且国内外在连拱隧道围岩变形与应力分布、结构受力等方面采用数值和物理模拟、理论分析、现场监测等多种手段亦开展了大量研究工作110,取得了一定的研究成果,但由于各地地形、地质条件差异,因而个例研究中取得的经验和成果尚不具备普遍指导意义,尤其对不良地质条件且又有偏压的情况。本文结合富溪偏压连拱隧道进口段施工期间的现场监控量测,揭示了该特定条件下围岩变形与支护结构受力特点,对指导富溪偏压连拱隧道的施工起到了积极作用,对类似条件下隧道建设具有一定的参考价值。2 工程概况富溪偏压连拱隧道位于黄山市徽州区富溪乡黄柏山村境内,是铜陵至黄山高速公路汤口屯溪段的一条双连拱断面

13、隧道,设计长623 m,进出口里程分别为K205+ 742和K206+365。隧址区属于构造侵蚀山区,隧道轴线高程为270399 m,隧道最大埋深122 m,山体地势南北坡陡峻,中部起伏不平,植被发育。进口段地形坡角35°40°,隧道于山体一侧通过,其右侧发育一小冲沟,左侧地形陡峻,边坡较高(见图1。 图1 富溪偏压连拱隧道进口地形Fig.1 Terrain of portal of Fuxi twin tunnel隧道穿越地层主要为中元古界蓟县系大谷运组下段变质砂岩和第四系滑坡堆积层。变质砂岩呈致密块状构造,内部节理、裂隙十分发育,大多含有3组以上节理,RQD值均小于30

14、%。特别是在隧道的进口地段,风化非常严重,稳定性极差。隧道所在地区有2条区域性正断层F5和F6,其中F5断层基本上平行于隧道轴线方向,破碎带宽度为20 50 m,对隧道进口段围岩稳定性影响较大;F6断层破碎带宽度为2030 m,与隧道斜交,对隧道洞身段影响很大,隧道施工时,围岩不能自稳。根据隧道地质勘察报告和中导洞施工揭露情况可知,整个隧道围岩类别较低,II类和III类围岩(所采用的隧道围岩分类标准为公路隧道设计规范(JTT02690占整个隧道长度的46%(见图2。 图2 富溪偏压连拱隧道进口段围岩类别Fig.2 Surrounding rock sort at portal of Fuxi

15、twin tunnel 25+73325+74225+82825+8925+90明洞偏压929 m第25卷 增2 段海澎等. 富溪偏压连拱隧道围岩与支护结构变形和受力特征分析 3765 富溪偏压连拱隧道进口偏压段采用了三导洞施工法,其施工顺序如图3所示:中导洞开挖及初期支护1中隔墙施作2右侧导洞开挖及初期支护3左侧导洞开挖及初期支护4左侧导洞上半断面开挖及初期支护5左洞下半断面开挖及仰拱施作6,7左洞二次衬砌8右洞上半断面开挖及支护9右洞下半断面开挖及仰拱施作10,11右洞二次衬砌12。图3 富溪隧道进口段施工顺序Fig.3 Construction steps of portal of Fu

16、xi twin tunnel3 现场监测项目及测点布置为了适时掌握偏压连拱隧道施工期间围岩变形和支护结构的受力特点,为隧道的安全建设服务,在隧道施工的各阶段均进行了相应监测,在右侧和左侧导洞开挖时,各布置了3个水平收敛监测断面,正洞开挖时每隔15 m 布置一个水平收敛、拱顶下沉监测断面,在洞口的K205+755断面布置了一个选测断面,该断面剖面图见图4,监测内容包括围岩压力、初喷混凝土内应力、钢拱架受力、初喷混凝土与二次模注混凝土之间接触应力和二次混凝土内应力。富溪偏压连拱隧道进口段断面里程布置如图5所示。选测断面所有测试项目在左、右洞各布置4个位置测点,分别是拱顶、两侧拱腰和边墙拱脚,图6给

17、出了断面测点布置示意图。图4 K205+755断面剖面图Fig.4 Section ofK205+755图5 富溪偏压连拱隧道进口段断面里程布置 Fig.5 Sections location of portal of Fuxi twin tunnel图6 断面测点布置示意图Fig.6 Sketch map of section measuring points拱顶下沉采用DSZ2自动安平水准仪配FS1平板测微器测量,精读0.1 mm ,估读0.01 mm ;水平收敛采用JSS30A 数显式收敛计测量,精度0.01 mm 。根据公路隧道施工技术规范规定,断面设置15 d 之内每天测12次。其他

18、选测项目统一采用埋入式钢弦传感器,然后用频率计进行测量,再换算成应力、压力。同样根据应力变化情况,每天测12次。4 监测资料整理与分析4.1 左、右侧导洞围岩变形对比图7为左、右侧导洞围岩变形时程曲线,从图中可以看出,浅埋侧先行开挖的右侧导洞YK205+ 748断面围岩最大变形达51.18 mm ,而深埋侧后开挖的左侧导洞ZK205+736断面围岩最大变形仅为7.18 mm ;右侧导洞YK205+768断面围岩最大变形为24.68 mm ,左侧导洞ZK205+760断面围岩最大变形16.52 mm ;右侧导洞YK205+792断面围岩最大变形为7.46 mm ,左侧导洞ZK205+780断面围

19、岩最大变形15.50 mm 。总体来说,右侧导洞的平均变尺寸单位:cm高程/m 3766 岩石力学与工程学报 2006年 图7 左、右侧导洞围岩变形时程曲线Fig.7 Time-history curves of surrounding rock deformation ofleft and right pilot tunnels形要大于左侧导洞的平均变形,这种情况与左、右侧导洞的开挖顺序有关,但主要还是因为偏压造成的,因为在中导洞已经存在的情况下,左、右侧导洞开挖顺序的影响相对较小,而中导洞临时支护由于偏压作用有向浅埋侧运动的倾向。因此,在浅埋侧导洞先开挖时,会有较大的变形,从控制左、右侧导

20、洞变形不均来说,先开挖深埋侧导洞效果会更好。4.2 左、右侧导洞围岩变形对比图8,9分别为K205+794左、右侧导洞拱顶下沉和水平变形时程曲线。从图8,9中可以看出:截止到2005年10月4日,左洞拱顶最大下沉为29.94 mm ,而右洞拱顶最大下沉为7.23 mm ,左洞拱顶下沉是右洞的4倍多;在右洞尚未开挖时,左洞围岩向洞内收缩变形,随着右洞的开挖,左洞的收缩变形逐渐向着扩张变形发展,右洞向着收缩变形发展,截止到2005年10月4日,左洞的水平扩张变形达-9.45 mm ,右洞的水平收缩变形达+9.22 mm ,导致这种现象的原因主要是偏压作用下,中隔墙向着右图8 K205+794左、右

21、侧导洞拱顶下沉时程曲线 Fig.8 Time-history curves of arch crown subsidence of left and right pilot tunnels at K205+794图9 K205+794左、右侧导洞水平变形时程曲线 Fig.9 Horizontal deformation curves of left and right pilottunnels at K205+794侧(浅埋一侧发生偏斜所致。综上所述,无论拱顶下沉还是水平收敛,该隧道洞口段存在明显的偏压,因此在结构设计上,尤其是中隔墙,要考虑能够抵 抗偏载作用造成的左、右洞变形不均现象,如加强

22、中隔墙右侧的配筋,增强中隔墙的抗弯能力。 4.3 初期支护结构受力对比图1012分别为K205+755断面左、右侧导洞围岩应力、初喷混凝土内应力和钢支撑受力状态图。图10 K205+755断面左、右侧导洞围岩应力状态图 Fig.10 Surrounding rock stress map of left and right pilottunnels at K205+755图11 K205+755断面左、右侧导洞初喷混凝土内应力状态图Fig.11 Stress state map of initial supporting concrete of leftand right pilot tunn

23、els at K205+755变形/m m拱顶下沉/m m-10200-15-10-5051015水平扩张/m m水平收敛/m m第25卷 增2 段海澎等. 富溪偏压连拱隧道围岩与支护结构变形和受力特征分析 3767 图12 K205+755断面左、右侧导洞钢支撑受力状态图Fig.12 Force diagram of steel support of left and right pilottunnels at K205+755从图10中可以看出:左侧导洞拱顶最大应力达191.24 kPa ,约为右侧导洞拱顶应力的5倍;右侧边墙应力较大,这是由于偏压作用下衬砌结构有向右运动趋势所致。从图12

24、中可以看出,右侧导洞所有部位均较左侧导洞对应的部位受力大,似乎与上述围岩应力、初喷混凝土内应力分布不相一致,实际在偏压作用下,钢支撑整体有向右运动的趋势,对右侧围岩的挤压作用增大,从而使右侧钢支撑受力增加。 4.4 二次支护结构受力对比图13,14分别为K205+755断面左、右侧导洞初喷与二衬接触应力、二衬混凝土内应力状态图。从图13中可以看出,接触应力表现出了与围岩应力相同的分布形态,整个左洞二次衬砌受到的应力均比较大,拱顶最大达到174.1 kPa ,左边墙亦较大,达145.2 kPa 。一般来说,二衬作为支护储备,是在图13 K205+755断面左、右侧导洞初喷与二衬接触应力状态图Fi

25、g.13 State map of stress between initial supporting andsecondary lining of left and right pilot tunnels atK205+755图14 K205+755断面左、右侧导洞二衬混凝土内应力状态图Fig.14 Stress state map of secondary lining concrete of leftand right pilot tunnels at K205+755初期支护下围岩变形基本收敛条件下施作的,因此其受到的围岩应力应该比较小,但在该隧道的进口,由于围岩极差,且又是连拱隧道,

26、又存在偏压,为了稳定整个隧道洞口,二衬是在初期支护下围岩尚没有收敛情况下施作的,故此尚没有稳定的围岩变形通过初期支护传递到二衬上导致二衬受力较大。从该接触应力随时间的变化趋势来看,基本上稳定,通过验算,该接触应力不会导致二衬的屈服破坏。从二衬混凝土内应力分布来看,左洞混凝土内应力相对较大,与二衬受到的围岩压力相对应,但绝对值较二衬混凝土设计的轴心抗压和抗弯强度均小,这也说明二衬混凝土不会受压屈服破坏。5 结 论通过以上对实测资料的分析,对不良地层条件下偏压连拱隧道围岩变形、结构受力有了如下认识:(1 在洞口偏压段采用中导、左右侧导洞施工时,在中导洞形成后,最好先开挖深埋侧导洞。(2 正洞施工期

27、间,深埋侧拱顶下沉远较浅埋侧大,水平收敛深埋侧为水平扩张趋势,浅埋侧为水平收缩趋势,表明中隔墙有向着浅埋侧偏移趋势。因此,在结构设计上,尤其中隔墙的设计,要考虑能够抵抗偏载作用引起的变形不均。(3 无论初期支护还是二次衬砌,其围岩压力、混凝土内应力均是深埋侧大;由于整体衬砌有着向浅埋侧运动的趋势,钢支撑的受力情况表现为浅埋侧较大。(4 在初期支护围岩变形尚未收敛的情况下提前施作二衬,二衬混凝土会受到较大的围岩应力,需要推算围岩的剩余变形,演算二衬的强度,从而 3768 岩石力学与工程学报 2006 年 确保二衬的安全。 参考文献(References： 1 刘新荣，孙 辉，陈晓江，等. 黄土连

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