高速公路隧道施工关键技术问题探讨Word格式.docx
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图3.1压力盒埋设布置示意图
图3.2初衬压力盒布设图图3.3信号线穿越二衬边墙
图3.4预留二衬信号线图3.5二衬压力盒布置
4、压力监测情况
4.1欧佳垭监测断面
4.1.1地质情况
压力盒埋设断面为中风化碳质板岩,具鳞片变晶结构,片状构造,片理面光滑,胶结性差,强度低而软弱,抗风化、抗水软化性能差,微膨胀。
单轴抗压强度小于5MPa,φ值约10~20°
c值一般0~0.01MPa。
围岩整体节理裂隙发育,岩体较破碎,地下水出水状态为点滴状。
YK149+470断面根据围岩观察,压力监测区围岩主要存在两组结构面,一组为层面,产状350°
∠30°
,另一组为节理面,产状90°
∠65°
,埋设深度约为45m,岩石风化程度较低,强度较高,[BQ]=354。
YK149+505断面根据围岩观察,压力监测区围岩主要存在两组结构面,一组为层面,产状317°
∠47°
,另一组为节理面,产状138°
∠63°
,埋设深度为25m左右,岩石风化程度较高,强度较低,[BQ]=273。
图4.1压力监测断面布置图
图4.2YK149+470断面掌子面素描图图4.3YK149+505断面掌子面素描图
4.1.2监测数据特点
YK149+470断面:
(1)初衬压力监测曲线特点:
1、单个压力盒监测数据分为3个阶段,从初衬施作至二衬施作完成,压力监测数据变化极小,二衬施作后10日左右,初衬压力数据变化量快速增加,最大变化速率为0.0183MPa/d,之后,初衬压力趋于稳定,拱顶压力趋于0.190MPa,左拱腰压力趋于0.134MPa,右拱腰压力趋于0.160MPa,左边墙压力趋于0.066MPa,右边墙压力趋于0.104MPa。
2、从断面内压力盒对比情况,拱顶围岩压力要明显高于拱腰及边墙压力,隧道右侧压力要略高于左侧。
(2)二衬压力监测曲线特点:
二衬拱顶压力增加量要明显高于拱腰及边墙,拱顶压力盒监测数据可以分为3阶段,在二衬施作3~4日内变化量较小,之后10日左右二衬压力显著增加,增加可速率最大达到0.0314MPa/d。
10日之后变形速率增加速率变缓,拱顶压力趋于0.160MPa,左拱腰压力趋于0.099MPa,右拱腰压力趋于0.117MPa,左边墙压力趋于0.023MPa,右边墙压力趋于0.084MPa。
图4.4YK149+470断面初衬压力曲线
图4.5YK149+470断面二衬压力曲线
YK149+505断面:
1、单个压力盒监测数据分为3个阶段,从初衬施作至二衬施作完成,压力监测数据变化极小,二衬施作后10日内,初衬压力数据变化量快速增加,最大变化速率为0.00392MPa/d,之后,初衬压力趋于稳定,拱顶压力趋于0.085MPa,左拱腰压力趋于0.033MPa,右拱腰压力趋于0.048MPa,左边墙压力趋于0.027MPa,右边墙压力趋于0.045MPa。
二衬拱顶压力增加量要明显高于拱腰及边墙,拱顶压力盒监测数据可以分为3阶段,在二衬施作6日内变化量较小,之后10日后二衬压力显著增加,增加可速率最大达到0.0557MPa/d。
10日之后变形速率增加速率变缓,拱顶压力趋于0.093MPa,左拱腰压力趋于0.024MPa,右拱腰压力趋于0049MPa,左边墙压力趋于0.024MPa,右边墙压力趋于0.041MPa。
图4.6YK149+505断面初衬压力曲线
图4.7YK149+510断面二衬压力曲线
4.1.3监测结果分析
根据该地段碳质板岩特性,其对隧道结构的压力主要分为两方面。
①由于岩体开挖形成临空面后,岩体易发生塑性变形而挤入隧道,加大支护结构的荷载,从而诱发大变形的发生。
结合隧道该处埋深,采用太沙基模型对围岩压力进行分析:
(1)
式中Py为拱顶围岩压力;
为岩体容重;
b为隧道跨度;
为内摩擦角;
H为隧道埋深;
c为粘聚力,K为侧压力系数,按下式计算:
)
(2)
隧道侧向荷载采用彼那得侧向荷载经验公式进行计算,计算公式如下:
(3)
式中K为侧压力系数;
Px为侧压力;
c为粘聚力。
板岩岩容重取γ=2.5,隧道宽度b=12m。
YK149+470断面围岩内摩擦角
取20°
,c取0.01MPa,压力盒监测断面埋深约为40m。
由式
(1)
(2)计算得拱顶荷载约为0.059MPa左右,由式(3)围岩侧压力为0.070MPa。
初衬压力盒数据明显比计算值大,推测由于隧道埋深较大,存在较大的弹性势能,在隧道开挖后产生能量释放,使压力明显偏大。
另外由于该断面埋深较大,可近似看成厚壁桶模型,而太沙基模型适用于土质地层,因此也使计算结果存在偏差。
YK149+505断面围岩内摩擦角
取15°
,c取0.01MPa,压力盒监测断面埋深约为25m。
由式
(1)
(2)计算得拱顶荷载约为0.0872MPa左右,式(3)围岩侧压力为0.0368MPa。
初衬压力盒的拱顶压力、拱腰及边墙收敛后压力数据与计算压力值相符,二衬拱顶压力明显偏大,推测存在局部接触,存在应力集中。
②YK149+470断面、YK149+505断面右侧围岩压力均要高于左侧。
主要是由于围岩走向与隧道近平行,且存在一定倾角。
隧道开挖产生临空面,使一侧岩体向隧道空间挤入,产生单侧的围岩压力,形成构造偏压。
根据现场地质编录,隧道右侧岩体容易向隧道空间挤入,且右侧衬砌出水严重,围岩强度较低,手捏可碎。
隧道右侧易产生附加围岩压力,产生偏压。
4.2竹溪隧道监测断面情况
4.2.1地质情况
压力盒埋设断面为弱风化泥质板岩,云母含量较高,片状~鳞片状构造,埋深较深,节理裂隙较发育,岩体较破碎。
地下水出水状态为点滴状。
单轴抗压强度约为5MPa,φ值约20~25°
YK206+498断面埋深约为92m,岩层产状为317°
,BQ=355。
4.2.2监测数据特点
YK206+498断面:
1、单个压力盒监测数据分为3个阶段,从初衬施作至二衬施作完成,压力监测数据变化极小,二衬施作后20日左右,初衬压力数据变化量快速增加,最大变化速率为0.0115MPa/d,之后,初衬压力趋于稳定,变化量极小。
2、从断面内压力盒对比情况,隧道右侧压力要明显高于左侧及拱顶,
二衬拱顶压力增加量要明显高于拱腰及边墙,拱顶压力盒监测数据可以分为3阶段,在二衬施作3日内变化量较小,之后15日左右二衬压力显著增加,增加可速率最大达到0.0304MPa/d。
15日之后变形速率增加速率变缓,区域稳定。
图3.8竹溪隧道初支压力监测数据曲线
图3.9竹溪隧道初支压力监测数据曲线
4.3土公岭监测断面情况
4.3.1地质情况
压力盒埋设断面为强~中风化绢云母片岩,薄层状结构,埋深浅,节理裂隙较发育,岩体较破碎。
φ值约10~15°
岩层产状为350°
∠41°
。
BQ=305。
4.3.2监测数据特点
ZK153+189断面:
该压力监测断面在3日内压力达到最大,左拱腰压力值稳定在0.32~0.58,拱顶压力值稳定在0.10~0.25,右拱腰压力值接近于0。
最大压力在左拱腰侧,其次为拱顶,右拱腰压力最小。
图3.10土公岭隧道ZK153+189断面初支压力监测数据曲线
YK153+272断面:
该压力监测断面在3日内压力达到最大,左拱腰压力值稳定在0.35~0.58,拱顶压力值稳定在0.20~0.30,右拱腰压力值稳定在0.10~0.20。
最大压力在左拱腰侧,拱顶及右拱腰压力基本相同。
图3.11土公岭隧道ZK153+272断面初支压力监测数据曲线
ZK154+207断面:
该压力监测断面在3日内压力达到最大,拱顶压力值稳定在0.15~0.23,右拱腰压力值稳定在0.15~0.20,左拱腰压力值稳定在0.02~0.03。
最大压力在拱顶,其次为右拱腰,左拱腰压力最小。
图3.12土公岭隧道ZK154+207断面初支压力监测数据曲线
4.4竹山隧道监测断面情况
4.4.1地质情况
压力盒埋设断面为强风化绢云母片岩,片状~鳞片状构造,埋深浅,节理裂隙较发育,岩体较破碎。
岩层产状为10°
∠32°
BQ=376。
4.4.2监测数据特点
ZK156+533断面:
压力盒监测数据分为3个阶段,压力数据在10日内变化较小,二衬施作后,压力迅速增大,左拱腰压力值稳定在0.33~0.38,拱顶压力值稳定在0.24~0.25,右拱腰压力值稳定在0.02~0.03。
最大压力在左拱腰,其次为拱顶,右拱腰压力最小。
图3.13竹山隧道ZK156+533断面初支压力监测数据曲线
ZK156+527断面:
该压力监测断面在2日内压力达到最大,右拱腰压力值稳定在0.032~0.035,拱顶压力值稳定在0.013~0.018。
图3.14竹山隧道ZK156+527断面初支压力监测数据曲线
YK157+355断面:
压力盒监测数据分为3个阶段,压力数据在3日内变化较小,二衬施作后,压力迅速增大,右拱腰压力值稳定在0.051~0.068,拱顶压力值及左拱腰压力值趋于0。
图3.15竹山隧道ZK156+355断面初支压力监测数据曲线
4.5结果分析
根据两个断面的数据分析,可以对鄂西北软岩区的围岩压力特点总结出以下结论:
1、初衬及二衬压力数据曲线均存在3个阶段:
①在二次衬砌施作之前,由于仅施加柔性支护,衬砌和围岩产生协同变形,隧道围岩岩体的弹性能和重力势能以做功的形势逐渐耗散或从新分布。
使初次衬砌与围岩之间的压力变化较小;
②在二衬施作完成后,支护刚度有明显的提升,支护结构几乎不产生变形。
隧道围岩岩体的弹性能和重力势能以弹性能的形势集中储存在支护结构以及其周围岩体内,使洞身附近岩体产生局部应力集中,使围岩与支护结构之间的压力短时间内产生较大的增幅,隧道埋深越深,地应力越高,存在的弹性能越强,产生的增幅以及增速都较大,相应的围岩压力曲线第一、二持续时间就越短;
③当围岩压力增大到一定程度后,支护结构对围岩产生的抗力,使隧道围岩产生应力平衡,阻止围岩进一步变形,围岩压力趋于稳定。
2、隧道深埋段,岩体完整性较高,因此,可近似看成无限空间厚壁桶模型,拱顶及拱腰处压力相差较小。
浅埋段围岩较为松散破碎,拱顶围岩压力要明显高于两侧。
另外,片岩隧道深埋段储存的弹性势能较高,测得的围岩压力要明显高于计算值。
3、深埋段支护结构承担荷载主要来自于前期弹性能释放,浅埋段围岩荷载主要来自于围岩劣化产生的松动荷载。
因此,深埋段初衬承担的围岩压力较浅埋段高。
隧道浅埋段拱顶二衬承担的围岩压力比例要高于拱腰及边墙。
5、支护结构压力分担比例
5.1隧道压力分担比例
根据压力盒埋设情况,可将初衬压力盒最终读数视为围岩对支护结构的整体压力,将二衬压力盒读数视为二衬承受的压力,因此可根据下式计算初支及二衬承受的压力。
5.1.1欧佳垭隧道围岩压力分担比例:
表5.1YK149+470断面压力监测数据
拱顶
左拱腰
右拱腰
左边墙
右边墙
平均分担比例
压力/Mpa
分担比例/%
初衬
0.190
15.8
0.134
25.4
0.160
25.6
0.066
65.2
0.104
19.2
25.7
二衬
84.2
0.100
74.6
0.119
74.4
0.023
34.8
0.084
80.8
74.3
表5.2YK149+505断面压力监测数据
0.085
0.0
0.033
27.3
0.048
0.027
11.1
0.045
6.7
3.4
0.092
100.0
0.024
72.7
0.049
88.9
0.041
93.3
96.6
5.1.2竹溪隧道围岩压力分担比例:
表5.3YK206+498断面压力监测数据
左拱脚
右拱脚
0.197
异常
0.237
2.522
21.7
1.515
60.0
0.125
34.9
-0.082
0.241
100
1.975
78.3
0.611
40.0
0.714
65.1
5.2围岩压力分担比例分析
表5.4监测断面统计表
监测断面
断面埋深/m
BQ/[BQ]
岩层产状
岩性
平均压力
二衬平均分担压力/%
欧佳垭YK149+470
45
354
350°
中风化碳质板岩
0.131
欧佳垭YK149+505
25
273
317°
竹溪隧道YK206+498
92
375/[355]
235°
∠35°
强风化炭质片岩夹泥质片
1.425
土公岭进口ZK153+189
2
<
250
强~中风化绢云母片岩
0.26
土公岭进口YK153+272
5
0.3
土公岭出口ZK154+207
14
0.15
竹山进口ZK156+533
13
10°
强风化绢云母片岩
0.21
竹山进口ZK156+527
12
0.03
竹山出口YK157+355
55
265
根据上表5.1、表5.2、表5.3、表5.4数据,二衬分担围岩压力比例在34.8%~100%。
根据监测结果可以总结出以下规律:
1、二衬分担与断面深埋有关,断面埋深越大二衬分担
由于隧道深埋段开挖存在弹性能释放的过程,初始围岩压力较大,作为柔性支护的初次衬砌,在隧道开挖到二衬施作的过程中存在较大的变形,因此也相应产生较大的抗力。
而且,由于深埋段岩体强度较高,容易与初衬形成整体,能较好的帮助初衬发挥自承能力,因此,深埋段初次衬砌承担的围岩压力较高。
对于浅埋段,初衬在施作初期没有承受太大的围岩压力,但在围岩劣化的过程中,围岩压力增大较为明显,导致二衬承担大部分的松散荷载,尤其在在拱顶,荷载增加更明显。
现场表现为,深埋段初衬容易发生变形开裂,支护困难,浅埋段二衬容易发生开裂变形。
对于岩体破碎,地下水发育的深埋段,围岩容易通过不断劣化,形成漏斗性塌落柱,行成二衬的开裂。
因此可将易发生二衬开裂的地段归纳为隧道浅埋段与破碎的、富水带。
2、初期受较大局部荷载部位,二衬分担较大围岩压力
对于初期支护在前期受到较大的局部荷载部位(偏压隧道与σ1垂直的衬砌部位、浅埋段拱顶衬砌等)二衬分担的压力都相对较大。
主要因为较大的围岩压力容易使初期支护拱架变形,混凝土破坏,在二衬施作后,无法提供较大的支撑抗力,使初期支护在局部压力较大区域无法发挥较好的作用。
6、二衬支护时机分析
6.1围岩与支护结构相互作用原理
隧道支护原理可以表示为:
PT=PDR+PS=PD+PR+PS
(1)
式中:
PT为隧道开挖后使围岩向临空区运动的等效合力,包括重力、膨胀力、构造应力、水作用力和工程偏应力等;
PS为隧道支护所提供的支护抗力;
PDR为围岩所提供的等效作用力。
PDR=PD+PR
(2)
PD为围岩以变形的形式转化的等效工程力,主要是塑性能以变形的方式释放;
PR为围岩自承力,即围岩本身具有一定的强度,可承担部分或全部的荷载。
隧道开挖后所引起围岩向临空区运动的合力PT是由围岩和支护结构共同分担。
围岩所承担的等效作用力PDR则是由等效工程力(即PD)和围岩体本身自承力所承担(即PR)共同承担。
如果围岩强度很高,PR>
PT-PD,则隧道本身可以自稳。
但对于一般的岩石,PR较小,一般PR<
PT-PD,很难达到自稳,而需要通过初期的柔性支护,帮助围岩变形达到稳定。
二衬支护结构只起增加安全系数,以及表面的装饰和保护作用,一般不承担或承担小部分荷载。
对于软弱围岩,PR很小,甚至为0。
对于支护结构承担的荷载PD:
PD=P1+P2(3)
P1为初期支护承担荷载;
P2为二衬承担荷载。
对于初期的柔性支护,P1并不能有效抵抗围岩的变形,变形难以趋于收敛。
故软岩区的隧道不能照搬新奥法的理论,要让二衬承担荷载P2增加。
6.2最佳支护时间和最佳支护时段
通常围岩的最佳支护时机就是指在围岩变形能释放完全的情况下,最大程度的发挥围岩自承载能力,充分调动支护体系的作用,使支护系统的抗力降为最低,同时保证支护材料的使用最为经济合理。
因此一个优化的隧洞设计及支护设计应该同时满足以下三个条件:
(1)PD→max;
(2)PR→max;
(3)PS→min。
在软岩隧道,PR→0,PD=P1+P2。
因此合理的支护时机的选择即是在变形能释放之后到围岩变形破坏加剧之前的时间段内选择一个合理的时机。
最佳支护时间是指在确保隧道安全稳定的前提下,使PDR达到最大的支护时间,其所表示的意义如下图1所示。
图1表明,最佳支护时间就是PDR-t曲线峰值点对应的时间T0。
此时,支护使PD充分地达到最大,使其强度损失达到充分小,亦即其本身自承力PR达到充分大。
最佳支护时间点的确定,在工程实践中是难以办到的,为了满足工程需要,所以就引出了最佳支护时段的概念。
最佳支护时段的概念如图2所示。
图中所示的时段[T01,T02]即为最佳支护时段。
在实际情况中时,只要在图2所示的T0时间的附近时段[T01,T02]进行支护,基本上可以使PD、PR同时达到优化意义上的最大,此时,PDR→max,PS→min也就自动满足。
对于软岩隧道,
图1最佳支护时间的含义图2最佳支护时段的含义