第４２卷第１０期 ２ ０ １ ６年４月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．１０ Ａｐｒ． ２０１６ ·１５１· 文章编号：１００９－６８２５（２０１６）１０—０１５１－０３ 公路隧道围岩压力监测及衬砌结构受力分析 陈蒙 姜宁 摘丁文礼 ２６４００５） （烟台大学土木工程学院，山东烟台要：通过对公路隧道深埋段围岩压力进行监测，绘制围岩压力变化曲线，分析围岩压力变化规律。通过有限元数值模拟分析 衬砌结构受力情况，为日后类似隧道工程的合理设计与施工提供了借鉴与参考。 关键词：公路隧道，围岩压力，衬砌结构 中图分类号：Ｕ４５１．２ 文献标识码：Ａ ０ 引言 线（２０１。）夹角为６５。。掌子面围岩右侧大部分岩石全风化，呈松 左侧岩体较破碎，未见地下水，结构面结合较差，岩体 随着高速公路建设的迅速发展，我国公路隧道的建设也取得 散土体状，了举世瞩目的成就 。隧道开挖后，围岩压力的变化规律对衬砌 稳定性很差。综合判定该处围岩为Ｖ级围岩。监测断面支护参 ＋４２超前小导管支护，Ｌ＝４．５ ｍ，环向间距５６ ｃｍ；６２５中空 结构的合理类型，尺寸及形状的选择有着至关重要的影响。只有 数为：Ｌ＝３．５ ｍ，纵环向间距１２０ ｃｍ×１００ ｃｍ；Ｃ２５喷射混凝 了解了隧道围岩压力的变化规律才能选择与之对应的施工方法。 注浆锚杆，设计厚度为２６ ｃｍ；ｑｂ８单层钢筋网片，网格设计间距２０ ｃｍ× 因此研究隧道围岩压力的变化对隧道工程的顺利进行有着重要 土，２０ ｃｍ；Ｉ ２０ｂ工字钢，设计间距１００ ｃｍ；Ｃ２５钢筋混凝土，二次衬 的意义 。 ｃｍ。 在隧道工程中主要通过直接测量法、理论计算法和工程类比 砌５０ 法确定围岩压力 。随着隧道工程建设的发展，围岩压力的研究 ２围岩压力监测 越来越受到关注。曲海锋等 对现在常用的围岩压力计算方法 ２．１ 围岩压力监测方法与测点布置 进行了科学的评价，并指出了其中出现的问题。赵伶杰等 通过 围岩压力对隧道工程的开挖方式与支护类别有着重要的影 研究提出了硬岩地层深埋洞室围岩压力的合理计算方法。肖明 响。在我国公路隧道的围岩监测领域，传统围岩压力监测方法的 清 对小净距隧道的围岩压力及侧压力系数进行了分析。李鹏 压力传感器的设计布置方式基本一致，即在每个监测断面布置较 飞等 对大跨黄土隧道的衬砌结构进行了受力分析。钟祖良 少数量的压力盒，在实际监测当中，几乎均将压力盒直接埋置于 等 将围岩压力实测值与理论计算进行了对比分析。 喷射混凝土当中。由于传统隧道围岩压力监测方法存在刚度不 本文选取邢汾高速寨子沟隧道口左幅ＺＫ７６＋２６２．５为监测 匹配及不能获得全部围岩压力弊端，本次监测特对压力盒布设方 断面，对该断面围岩压力进行了长期监测，通过绘制围岩压力变 法进行改进。改进之处主要表现在以下两个方面： 化曲线分析了围岩压力变化规律。通过有限元数值模拟结合围 １）在监测断面内大幅增加压力盒数量，提高压力盒的布设密 岩压力监测结果分析了衬砌结构受力情况，为日后类似隧道工程 度，将相邻压力盒的间距控制在０．６ ｎｌ～１．０ ｍ左右为宜。 的合理设计与施工提供了借鉴与参考，以保证隧道工程的顺利 ２）采用传力钢板把每相邻的两个压力盒连接起来，传力钢板 进行。 与钢拱架之间的空隙采取必要措施避免喷射混凝土进入，这样传 力钢板之上的所有围岩压力均可以传递到压力盒之上。 本次监测对监测断面共布置压力盒２６个，全部安装在工字 １监测断面概况 监测断面寨子沟隧道左幅ＹＫ７６＋２６２．５，岩性为上元古界长 城系常洲沟组红色石英砂岩。岩石锤击声较清脆，有轻微回弹， 钢背部，间距０．８ ｍ左侧部分的压力盒测线自左侧拱脚底部以上 定性鉴定为较坚硬岩。对监测断面处石英砂岩采集１５块岩样做 ０．６ ｍ处引出，右侧部分的压力盒测线自右侧拱脚底部以上 ６ ｍ处引出。各压力盒测线外露端长度为８ ｍ。围岩压力监测 点荷载实验，获得岩石单轴抗压强度为３０．７３ ＭＰａ，为较坚硬岩。 ０． 监测断面围岩层理发育，层理产状为２２６。／＿＿２６。，岩层走向与洞轴 的测点布置如图１所示。Ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ｓｑｕａｒｅ Ｇａｏ Ｓｈｅｎｇｗｅｉ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ ３ｒｄ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｅｒｏｓｓｉｎｇ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒａｉｌｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ｓｑｕａｒｅ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｎｏｒｔｈ ｒａｉｌｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｕｎｄｅｒｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎ— ｓｉｖｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｃｈｅｍｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ｃｕｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｅｌｅｃｔｓ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｘ— ｅａｖａｔｉｏｎ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔｉｅｓ ａｎｄ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｉｄｅｎｔｉｉｆｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｗａｙ，ｌａｒｇｅ—ｓｅｃｔｉｏｎ，ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｔｕｎｎｅｌ，ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ 收稿日期：２０１６—０１－２８ 作者简介：陈蒙（１９８７一），男，在读硕士；姜宁（１９８９一），男，在读硕士；丁文礼（１９８８一），男，在读硕士 ·０期 １５２· 第４２卷第ｌ２ ０ ｉ ６年４月 山 西 建 筑 ｚ Ｒ 进行处理。 一 ：。 ／ 、、 ３．１ 建立衬砌结构数值模型 寨子沟隧道监测断面的围岩级别为Ｖ级，衬砌厚度为５０ ｃｍ， ２２ 采用Ｂｅａｍ３梁单元进行剖分。Ｂｅａｍ３梁单元的横截面如图３所 ＼ ／ 示，其横截面面积Ａ＝０．５ ｍ ，对应中性轴ｂ 的惯性矩，＝ ／ ＼＼ ／／ ’ ＼ ，／￣Ｔ台阶分界线１ ＼ ＼ ＼ ＼ ／＼ ／ 设计地面线 图１监测断面测点布置情况 ２．２ 围岩压力监测结果分析 依据钢弦式压力盒的测试原理对监测数据进行整理计算，绘 制围岩压力变化曲线。各测点围岩压力值随时间变化曲线如图２ 所示 ｌ４ １２ ．．１ ．善 睦盈鬃 毽 垂ｚ 蝰藿 一｝ 一 ＃ ｃ）１９号～２６号压力值变化曲线 图２测点围岩压力值随时间变化曲线 依据寨子沟隧道进口左幅ＹＫ７６＋２６２．５监测断面自２０１２年 ｌ０月３０日监测元件安装至２０１３年１２月４日所得实测数据得出 以下主要结论：安设于拱架背部的压力盒，绝大部分测点压力值 的变化趋势大致相同。在安装后３ ｄ内为压力的快速增长阶段， 增速比较明显。在２０１２年１１月２日～２０１２年１１月１０日期间由 于停止供应炸药暂停施工，在此期间大部分测点压力值呈缓慢下 降的趋势，少部分测点压力值变化微弱，如１号，２４号，２５号， ２６号测点压力值。恢复施工后２ ｄ内大部分测点压力值呈增长 趋势，波动略大，之后测点压力值逐渐趋于稳定直至开挖下台阶 时出现跳跃。开挖下台阶后大部分测点压力值逐渐趋于稳定，个 别测点压力值仍有所变化如４号，６号，７号，８号测点压力值。拱 架背部各压力盒当中所受压力最大值约为１２．６８ ｋＮ（２０１３年７月 ２１日，６号），所有压力盒所受压力总和最大值约为１０３．３２ ｋＮ （２０１３年７月２１日）。 ３衬砌结构受力分析 对寨子沟隧道监测断面衬砌结构的受力分析采用ＡＮＳＹＳ有 限元程序，依据荷载一结构法，将三维问题简化为平面应变问题 ０．０１０ ４１６ ６６７ Ｉｎ 图３梁单元横截面示意图 数值模型的单元划分情况：数值模型共布置５４个节点，编号 为１—５４，共划分为５４个Ｂｅａｍ３梁单元，单元号为１号～５４号。围 岩对支护结构的弹性抗力采用Ｃｏｍｂｉｎｌ４单元；由于实际当中围岩 与支护之间不能产生拉力，因此在第一次计算后需将受拉的弹簧单 元删除重新进行计算，直至剩余的弹簧单元中不产生拉力为止。 依据监测断面围岩压力监测结果，考虑最不利情况，选取最 大围岩压力值数值作为数值模拟的应力边界条件。其中位移边 界条件为：弹簧单元在围岩一侧的全部节点约束 方向与ｙ方向 位移。 监测断面Ｖ级围岩深埋段二衬为Ｃ２５钢筋混凝土，由ＪＴＧ Ｄ７０－－２００４公路隧道设计规范确定密度、弹性模量、泊松比；参考 ＧＢ ５０３０７－－２０１２城市轨道交通岩土工程勘察规范，确定地层弹性 系数，如表１所示。 表１数值模型参数取值 ｌ密度／ｋｇ·ｍＩ３ ｌ弹性模量／ＧＰａ ｌ泊松比ｌ地层弹性系￣／ＭＰａ·ｎｌ Ｉ ｌ２ ５００ ｌ３２．５ ｌ０．２ ｌ３Ｏ ｌ ３．２数值模拟结果及分析 衬砌结构的轴力等色图如图４所示，由图４可知轴力在两侧 边墙底部及拱脚处最大，由边墙至拱顶轴力值呈减小趋势，拱顶 处轴力值最小，仰拱内部的轴力数值变化不大。衬砌结构弯矩图 如图５所示，由图５可知拱顶和仰拱中部内侧受拉外侧受压；衬砌 结构两侧外侧受拉内侧受压，拱角部位弯矩急剧增大。 图４衬砌结构轴力等色图 图５衬砌结构弯矩图 ４结语 本文以寨子沟隧道为工程背景，选取隧道深埋段左幅ＹＫ７６＋ ２６２．５为监测断面，通过长期围岩压力监测分析了深埋隧道围岩 第４２卷第ｌＯ期 ２ ０ １ ６年４月 文章编号：１００９－６８２５（２０１６）１０—０１５３—０３ ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ 山 西 建 筑 Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．１０ Ａｐｒ． ２０１６ ·１５３· 邻近地铁隧道深基坑施工的数值模拟分析及对策 张粱鹏 （天津市地下铁道集团有限公司，天津３０００５１） 摘要：以天津某邻近地铁隧道深基坑工程为背景，采用三维有限元软件建立数值分析模型，动态模拟了基坑施工的全过程，分析 了基坑围护结构变形和邻近地铁隧道的位移特点，并对设计方案进行了优化比选，在经济的基础上满足了隧道变形及位移控制 要求。 关键词：地铁隧道，基坑，数值模拟，围护结构 中图分类号：Ｕ４４５ 文献标识码：Ａ ０引言 随着城市轨道交通线网密度及站点覆盖率的增加，越来越多 的深基坑工程在地铁沿线施工，作为地下工程的地铁隧道尤其是 与实际规律趋于一致 Ｊ。在实际施工中，可采用数值分析的方法 利用有限元分析软件对围护结构及隧道变形位移进行模拟，实现 对围护结构设计方案的分析比选，确定与具体工程地质条件相适 宜的经济合理的设计方案。 已运营线路对变形要求极为严格，如何对既有地铁隧道采取有效 究的一个课题。 工程概况 的保护措施，安全稳定的完成基坑开挖施工，是目前需要重点研 １天津某邻近地铁隧道深基坑工程长７５ ｍ，宽１０．８ ｍ，基坑开 国内外许多专家学者对深基坑围护结构变形规律进行了大 挖深度２６ ｍ，设５道混凝土支撑，地铁隧道为圆形钢筋混凝土管片 量试验和研究，部分专家学者对邻近隧道基坑工程的围护结构及 拼装结构，外径６．２ ｍ，覆土埋深１６．８ ｍ，距基坑（未含围护结构）水 ｍ。基坑地质条件从上至下如图１所示，其中⑧ 砂 隧道变形做了详细的监测和分析，并提出了坑底加固、堆载、盆式 平距离为６．３开挖配合钢管斜坡撑、分条分块开挖等保护措施 ＇２ Ｊ。还有一些 质粉土（层厚０．５ ｍ），⑨。 砂质粉土（层厚１．４ ｍ），⑨：。粉砂（层厚 专家学者对基坑开挖过程数值模拟进行了深入的研究，对土体本 ０．４ ｍ）其含水量较大可视为承压含水层，基坑以下１４ ｍ以上还 构模型结合数值模拟与实测进行了对比分析，总结出了各模型的 存在⑩：粉砂（层厚１ ｍ），⑩４粉砂（层厚４．２ ｍ），⑥２粉砂（层厚 特点及适用性，采用相应模型，经工程实测结果验证模拟变形量 １．５ ｍ）承压含水层，存在一定的风险隐患。 压力的变化规律。监测结果表明：隧道开挖后，深埋隧道围岩压 北京：北京交通大学硕士学位论文，２０１２． 庆：重庆交通大学。２００８． 力在短期内迅速增大，之后变化缓慢直至趋于稳定，隧道施工的 ［３］ 吴祖松．公路隧道围岩压力计算方法与监测研究［Ｄ］．重 间断及隧道下台阶的开挖都会对隧道围岩压力产生影响，使压力 值发生变化。 基于围岩压力监测结合数值模拟对深埋隧道Ｖ级围岩的衬 和仰拱处轴力变化不大，拱脚处轴力最大，拱顶处轴力最小；相比 杨重存，朱合华，等．公路隧道围岩压力研究与发展 ［４］ 曲海锋，［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００７，３（３）：５３６－５４３． 地下空间与工程学报，２０ｏ５（６）：８６３－８６６． 术，２００４，４１（３）：７—１０． 砌结构进行了受力分析，分析结果表明：深埋隧道衬砌结构拱顶 ［５］ 赵伶杰，贺少辉．大跨度高边墙地下洞室围岩压力研究［Ｊ］． 轴力变化，衬砌结构的弯矩变化较大，拱脚、拱顶和仰拱处的弯矩 ［６］ 肖明清．小间距浅埋隧道围岩压力的探讨［Ｊ］．现代隧道技 较大，衬砌结构的安全性主要由弯矩控制，拱脚、拱顶和仰拱都是 析及衬砌结构的受力分析为日后类似隧道工程的合理化设计与 施工提供了参考。 参考文献： ［１］ 丁文其．隧道工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１２． 衬砌结构最危险的部位。通过对深埋隧道围岩压力的监测与分 ［７］ 李鹏飞，张顶立，赵１６９６． 勇，等．大断面黄土隧道二次衬砌受力 特性研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１０，２９（８）：１６９０— ［８］ 钟祖良，刘新荣，刘元雪，等．浅埋双侧偏压小净距隧道围岩 压力计算与监测分析［Ｊ］．重庆大学学报，２０１３，３６（２）：６３． ６８． ［２］ 伍冬．山岭隧道围岩压力计算方法及其适用性研究［Ｄ］． Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｉｎｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ Ｃｈｅｎ Ｍｅｎｇ Ｊｉａｎｇ Ｎｉｎｇ ＤｉⅡｇ Ｗｅｎｌｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｔａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｔａｉ ２６４００５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｒｅ ｄｒａｗｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｕｒ— ｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｓｔｒｅｓｓ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅ．Ｔｈｉｓ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｒｕｌｅ ｏｆ ｌｉｎｅｒ Ｓｔｎｌｅｔａｒｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ．Ｔｈｅｓｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｖａｌｕａｂｌｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｍｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ，ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｌｉｎｅｒ ｓｔｕｃｔｕｒｅ ｒ收稿日期：２０１６—０ｌ－２８ 作者简介：张梁鹏（１９８２一），男，硕士，工程师