高速铁路黄土隧道初期支护受力特性研究

高速铁路黄土隧道初期支护受力特性研究
现代隧道技术
MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY
值大于拱顶沉降值。 （3） 当 k=0.75 时，拱顶沉降值为 61.3 mm，洞周
收敛值为 123.6 mm， 洞周位移尚在可控范围之内； 当 k=0.9 时 ，拱 顶 沉 降 值 为 141.2 mm，洞 周 收 敛 值 为387.2 mm。 从曲线图上反映出位移曲线斜率的突 变，围岩位移已超出隧道稳定的控制标准，说明初期 支护施作过晚， 黄土围岩变形扩展， 有可能造成失 控、崩塌。
27
0.2 0.35
初期支护 28
\
\
30
0.3
构沿洞室径向密分 10 份。在隧道结构附近采用细密 单元；在远离隧道断面及支护结构的岩土体，由于隧 道的开挖对其应力变化影响相对较小， 采用稀疏的 网格，这样的网格划分可以保证计算精度。计算模型 如图 1 所示。
、
图 1 计算模型 Fig.1 Calculation model
了黄土隧道初期支护受力规律。 黄土具有明显的流变特性， 支护结构受力很大一部分承受围岩流变产生的附加荷
载；另外，支护结构受力在空间上分布并不均匀对称，这些在设计中都应加以考虑。
关键词 黄土隧道 初期支护 受力特性 现场监测
中 图 分 类 号 ：U455.7；U457+.3
文 献 标 识 码 ：A
1引言
（3） 随着围岩荷 载释放率 k 的 增大，支 护 结 构
第 49 卷第 3 期(总第 344 期) 2012 No . 3 ， Total . No . 344 Jun . 2012
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影响初期支护结构特性和力学行为的主要因素 除了上述支护时机外，还有支护结构刚度，其主要包 括材料弹性模量和截面厚度。 钢拱架及钢筋网的架 设对刚度的影响最终体现在提高了支护结构的弹性 模量。 C25 喷混凝土最终弹性模量折算为 30 GPa。 为避免荷载释放率对计算的影响， 计算中并未考虑 围岩开挖后初始地应力的释放， 围岩压力全部作用 在 初 期 支 护 结 构 上 （k=0），即 开 挖 后 初 期 支 护 立 即 发挥作用与围岩协调变形。
4.4 支护结构受力
提取数值计算结果中， 初期支护结构密分单元 的径向应力与环向应力如图 4、 图 5 所示其中负值 代表压应力。比较分析在不同工况下支护结构受力， 并评价结构的安全和稳定性，如下述。
（1） 结构应力为 负值，说明支 护主要承受 压应 力，符合隧道支护设计要求。
（2） 初 期 支 护 径 向 应 力 （绝 对 值 ）在 洞 周 处 最 小，随着距离隧道中心距离的增大而增大；环向应力 （绝对值）在洞周处最大，随着距离隧道中心距离的 增大而减小，与径向应力发展趋势相反。
图 3 接触压力随荷载释放率变化曲线 Fig.3 The curve of contact pressures varying with the load
discharge ratio k
（1） 断面压应力的变化呈现一定波动性。 （2） 支护结构拱 脚处受力最 大，符合拱形 结构 受力特性， 同时说明了大断面黄土隧道支护结构设 计扩大拱脚、增大拱脚刚度和强度的必要性。 （3） 随着荷载释放率的增大，结构断面受力逐级 减小，黄土围岩在隧道开挖后具有一定的自承能力。
本文依托兰渝铁路胡麻岭隧道， 将针对大断面 黄土隧道常用的初期支护形式， 运用有限元软件对 初期支护在不同支护时机下， 结构自身受力和变形 规律进行数值计算，对大断面黄土隧道围岩、初期支 护 两 者 相 互 作 用 关 系 进 行 现 象 描 述 及 规 律 研 究 [5]。
2 工程概况
胡麻岭隧道进口位于甘肃省兰州市榆中县龙泉 乡境内， 隧道进口里程为 DK68+626， 出口里程为 DK82+234，全长 13 608 m。隧道进口段围岩主要为：
IV 级围岩 1 330 m，V 级围岩 444 m。 隧道洞身穿越 黄土高原的黄土梁、峁区。 山体间冲沟发育，切割较 深，冲沟沟壁陡峭，垂直山脊多呈树杈状分布，交通 较为不便。工程涉及地层主要为：第四系全新统冲积 沙质黄土、 细圆砾土； 第四系上更新统风积沙质黄 土、粘质黄土、细砂；第三系泥岩、砂岩、砾岩。
修改稿返回日期： 2012-03-24 作者简介： 周 烨（1972-），男，高级工程师，从事技术管理工作，E-mail：zhou-ye-hn@.
第 49 卷第 3 期(总第 344 期) 2012 年 6 月出版
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Vol . 49 ， No . 3 ， Total . No . 344 Jun . 2012
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高速铁路黄土隧道初期支护受力特性研究
整完毕后施作支护结构，此时荷载释放率为 1。 以上两种工况属于施工极限状态， 为了更全面
合理地分析支护时机变化的影响， 计算时取荷载释 放率逐级增加，当释放率为 1 时，计算不再收敛，表 明大断面黄土隧道初期支护施作太迟， 容易引起围 岩松弛而崩坍， 开挖后岩体不具备无支护稳定性。 因此对于支护时机的变化， 本次计算围岩荷载释放 率分别取为：k=0、0.25、0.5、0.75 及 0.9。
3.2 数值模型
考虑到依托工程涉及到Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩物性指 标参数，在本文研究中，现场监测断面均布置于Ⅳ级 围岩段， 且Ⅳ级围岩地质段占隧道的主体部分。 因 此，数值分析中，选取Ⅳ级围岩具有更普遍的指导意 义。
选择典型Ⅳ级围岩断面， 隧道进口里程为 DK69+210，埋深 60 m。 为保证计算的准确性，断面 建模严格按照施工图纸建立。 根据圣维南原理并结 合隧道工程实际，整体模型其尺寸为：隧道横向取左 右侧距隧道轮廓线各 50 m（大于 3 倍洞径），竖直向 上取至地表，竖直向下取 45 m（3 倍洞径）。 本文选 用 Midas-GTS 土木工程有限元分析软件。 二维有限 元数值分析中， 隧道围岩材料特性按均质弹塑性考 虑，采用 Drucker-Prager 屈服准则。 围岩采用二维平 面应变单元来模拟， 初期支护采用的是提高喷锚加 固区的围岩参数来模拟喷锚支护的作用， 计算中视 为弹性体。 模型边界条件除上部为自由边界外，其 余各侧面和底面为法向面约束边界。 计算时物理力 学参数参照依托工程— ——胡麻岭隧道地质勘测报告 对Ⅳ级黄土围岩物性指标的建议取值范围， 同时参 考《铁路隧道设计规范》和《隧道工程岩体分级》选定 参数（表 1）。
3 数值计算思路与说明
3.1 数值分析思路
在初期支护与围岩相互作用关系中， 对于同样 刚度的初期支护结构，施作时机的不同，其与围岩共 同作用最后达到平衡的状态并不相同[6~7]。 笔者运用 有限元软件具体分析大断面黄土隧道在不同初期支 护时机情况下，支护结构、围岩受力状态和力学行为 变化情况。
初期支护的不同施作时机，数值计算中通过改变 开挖土体后围岩荷载释放系数得以实现。 对于工况 一，开挖后立即施作支护结构，则围岩荷载释放率为 0，初期支护承担岩体二次应力调整中的全部荷载；工 况二，延迟支护，待围岩开挖变形稳定及二次应力调
（4） 围岩开挖前 处于初始平 衡状态，岩土 体的 开挖，若不及时进行支护，黄土自身进行应力释放和 二次应力状态调整，这个过程持续越久，伴随着的围 岩位移也不断增长。 相反，若尽早施作支护结构，则 对控制围岩的变形有很大的作用。
发生塑性破坏。 （4） 通过塑性区 分析可知，并 非初期支护 参与
共同作用的时间越迟越好，黄土围岩自承能力有限， 围岩应力释放伴随着变形的发生， 若初始变形得不 到有效的控制会导致拱墙以上围岩迅速松弛， 严重 的甚至产生失稳崩坍。
（1） 隧道开挖之 后，洞周围岩 位移运动趋 势皆 指向洞内。随着荷载释放率的增大，即初期支护施作 时机延时，围岩在开挖后自身位移不断增长。
（2） k=0、0.25 时，拱顶沉降值大于水平收敛；k= 0.5 时 ，两 者 相 当 ；当 k=0.75、0.9 时 ，洞 周 水 平 收 敛
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4.3 初期支护与围岩相互作用
初期支护施作后与围岩共同作用， 具体表现为 两者协调变形，以及围岩、初期支护之间围岩压力的 传递。 从计算结果中提取支护结构与围岩接触单元 径向应力，近似认为是两者作用压力，提取数值并绘 制成曲线，如图3 所示。
图 2 洞周围岩位移随 k 值变化曲线 Fig.2 The curve of displacements around tunnel varying
我国铁路隧道初期支护设计一般都是采用工程 类比或按照经验选择， 作用在二次衬砌上的荷载按 照开挖范围内松动塌落岩体重 量进行计算[1]。 这样 的设计理念低估了初期支护的承载能力， 初期支护 本身并不是被动的承受围岩压力， 而是可以主动调 动和发挥围岩的自承能力， 和围岩一起保证洞室稳 定，在必要时（洞口段、浅埋段、软弱不良地质段）采 用预支护对围岩进行加固， 应该说初期支护是主要 的 承 载 结 构 ，特 别 是 在 施 工 期 间[2~4]。
为了准确分析初期支护施作后结构自身受力及 初期支护、围岩相互作用变化情况，建模时将支护结
表 1 物理力学指标
Table 1 Physical and mechanical properties
计算 介质
容重 内聚力 内摩擦 /(kN/m3) /kPa 角/(°)
弹模
泊松比 /GPa
Ⅳ级围岩 22
30
（2） 随 着 支 护 施 作 时 机 延 迟 （k 值 增 大 ），围 岩 塑性范围有明显扩展并向拱腰及拱肩发展的趋势。 分析认为，隧道分步开挖自上而下，在上部黄土开挖 得不到及时支护后， 则上部围岩开始产生变形并逐 渐发展为较大的塑性变形。
（3） k=0、0.25 及 0.5 时 ，最 大 的 塑 性 应 变 位 于 隧道底部；k=0.75 和 0.9 时，拱墙以上产生最大塑性 应变 ，这说明存 在 一 个 临 界 支 护 时 机 （介 于 k=0.5~ 0.75 之间）。 k 大于临界值，围岩容易在拱墙及上部
高速铁路黄土隧道初期支护受力特性研究 文 章 编 号 ：1009-6582（2012）03-0083-04
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周 烨 1, 2
（1 中铁十九局集团有限公司，北京 100176； 2 北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044）
with the load discharge ratio k
4.2 围岩塑性区发展
大断面黄土隧道开挖后，围岩应力重新分布，由 于自身承载能力较低， 其弹性性能容易消失而进入 塑性流动状态。从计算结果中提取围岩开挖支护后， 塑性区的发展过程如下：
（1） Ⅳ级黄土隧 道工程设计 中，初期支护 不设 仰拱， 因此各种工况计算中隧道底部出现较大塑性 区。
4 计算结果分析
针对初期支护不同支护时机， 比较分析不同工 况下围岩变形、塑性区发展、围岩与初期支护接触压 力，以及支护结构受力的变化情况，由此分析支护时 机的影响因素。 4.1 围岩位移分析
在评价隧道稳定性时， 洞周围岩的水平和竖向 位移是考虑的重要参考数据。 水平位移主要是评价 边墙稳定的重要指标， 而竖向位移则是判断隧道开 挖的拱顶稳定性的决定性因素。 洞周围岩位移变化 曲线如图 2 所示。
摘 要 支护结构的合理设计是大断面黄土隧道设计的关键环节。 文章结合在建铁路黄土隧道， 采用数值模
拟，分析了大断面黄土隧道在不同初期支护时机情况下，支护结构、围岩受力状态和力学行为变化情况；基于控制围
岩 变 形 为 核 心 ，对 大 断 面 黄 土 隧 道 施 工 中 初 期 支 护 施 作 时 机 的 选 择 给 出 了 合 理 的 建 议 ；根 据 现 场 监 测 结 果 ，总 结 出