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22 11 Vol􀆰22,No􀆰11
年月
2022 11ScienceTechnologyandIndustryNov., 2022
软岩隧道支护结构受力特征分析
王有昌1,涂孝波1,李志平1,冉丽洪2,罗美华1
(国家林业和草原局昆明勘察设计院,昆明;核工业江西工程勘察研究总院有限公司,南昌)
1􀆰6500312􀆰330072
摘要:为研究软岩隧道支护结构的受力特征,优化软岩隧道支护方案及施工工法,以龙怀高速石凹顶隧道为依托,选
取浅埋段、深埋段、破碎带断面进行现场监测,从支护结构受力的变化规律、空间分布、对比验证等,对围岩压力、接
触压力、初支混凝土应力、:软岩隧道采用法比预留核心土法施工扰动
CD
小,作用于支护结构上的荷载也相应偏小;作用于支护结构上的荷载与围岩破碎程度及所受构造应力大小呈正比关
系;隧道施工中应尽量减少不必要的围岩扰动,充分发挥围岩自承能力.
关键词:软岩隧道;支护结构;受力特征;空间分布
中图分类号:文献标志码:文章编号:()
U451 A 1671-1807202211-0388-07
近年来随着中国高速公路建设飞速发展及空间分布特征为软岩隧道设计与施工提供技术
,,,
技术标准在不断提高隧道建设中出现了大量的支撑为软岩隧道支护结构优化提供依据为类似
,,,
软岩隧道但由于软岩具有可塑性流变性易工程提供参考
.、、.
扰动性等特征使隧道开挖后出现软岩大变形1工程概况
,、
难支护等问题甚至发生安全事故因此围绕石凹顶隧道是龙怀高速公路建设项目中的一
,.,
软岩隧道围岩压力以及支护结构受力特征研究个重难点工程隧道右线全长左线全长
,,1408m,
对于解决软岩隧道大变形难支护等问题具有重为长隧道隧址区属剥蚀丘陵地貌区地
、1435m,.,
要意义层岩性主要为泥盆系下统桂头群页岩砂页岩互
.、
国内外学者针对软岩物理力学性质及软岩隧层砂质结构节理裂隙发育岩体破碎强度低
,,,、,
道支护结构受力特征等方面进行了大量研究取得为软
,Rc=21􀆰9~35􀆰6MPa,[BQ]=225􀆰7~324􀆰3,
了一定成果赖金星等[1]叶万军等[2]研究了黄土岩隧道其中级围岩占级围岩占
.、,Ⅳ52%,Ⅴ48%.
隧道支护结构受力变化规律为黄土隧道设计提供隧址区发育一大型复式背斜隧道穿越其背斜核
,,
理论依据田鹏[3]丁远振等[4]王英帆等[5]研究了部及断层破碎带地质条件复杂该隧道施工安
;、、,.
高地应力条件下软岩隧道围岩压力变化规律及支全风险高综合评定风险等级为级属于极高风
,Ⅳ,
护结构受力特征张春洪等[6]白家设等[7]研究了软险等级
;、.
弱地层双连拱隧道支护结构受力变化规律涂孝2监测内容与方案
;
波[8]晏长根等[9]研究了软岩隧道支护结构受力变2􀆰1监测内容
、
形特征韩风雷等[10]黄赫等[11]李建敦等[12]研究为研究石凹顶软岩隧道支护结构的受力状
;、、
了软岩隧道支护结构受力特征态对施工过程中的围岩压力钢拱架应力初期
.,、、
以上文献针对不同地质条件及支护类型等条支护喷射混凝土应力以及初期支护与二衬间的
,
件下软岩隧道支护结构的受力特性进行了相关研接触压力等进行了现场监测现场测试内容包括
.
究但由于软岩自身的特性地质的复杂性软岩隧围岩压力钢拱架应力初支混凝土应力初支与
,、,、、、
道呈现明显的差异性本文结合石凹顶软岩隧道二衬接触压力选取具有代表性的断面在断面
..,
的现场监测数据分析不同的围岩级别施工方法关键部位埋设仪器进行受力监测断面测点布置
,、、.
支护类型等条件下支护结构随时间的变化规律以如图所示
1.
收稿日期:
2022G07G03
作者简介:王有昌(—),男,云南祥云人,国家林业和草原局昆明勘察设计院,高级工程师,注册岩土工程师,硕士,研
1982
究方向为公路地基与基础、隧道工程.
388
王有昌等软岩隧道支护结构受力特征分析
:
图1监测断面测点布置

2􀆰2监测方案

根据现场不同施工方法围岩级别以及支护参
、
数分别在洞口浅埋段洞身深埋段断层破碎带段
,、、
选取典型的断
K258+006、K258+205、K259+015
面简称断面进行现场测试围岩压
(006、205、015),
力钢拱架应力初支混凝土应力初支与二衬接触
、、、
压力分别采用土压力盒钢弦式应变计混凝土应
、、
变计等进行现场测试各测试设备现场安装如图
,2
所示各断面的埋深开挖方法围岩级别及支护
.、、
参数见表
1.
3监测数据分析

3􀆰1围岩压力特征分析

由图可知隧道开挖初期围岩应
3,(0~14d),
力释放较大压力值迅速增大断面部分测点在
,,205
后出现负增长趋势围岩压力缓慢增
4d,(14~40d)
长后围岩压力逐渐趋于稳定围岩压力随时
,40d.
间的变化规律大致可以分为急剧增大缓慢增
:“→图2测试设备现场安装
长趋于稳定个阶段受分步施工的影响部分
→”3.,
测点围岩压力存在波动特征且不同的施工方法对响这是由于趋于稳定的围岩应力重新分布后导
,,,
围岩压力影响也不同从图可以看出当采用致先行洞部分测点围岩压力值出现变化围岩压
.3(a),.
法施工时分步施工对围岩压力的影响相对较力并不是随着隧道埋深的增大而增大岩体越破
CD,,
小对比图可知当采用预留核心土法施碎围岩级别越差所受构造应力越大作用于支
.3(b)、(c),,,,
工时虽然施工步数减少了但对围岩压力的影响护结构上的荷载就越大因此在隧道施工中应
,,.,,
却较大从图可知后行洞开挖至先行洞尽量减少对围岩的扰动充分发挥围岩的自承
.3(a)、(c),,
该断面时同样会对先行洞围岩压力分布造成影能力
,.
表1隧道支护参数

初期支护二次衬砌
隧道埋开挖衬砌
监测断面围岩级别ϕ锚杆喷射混凝土钢筋网钢架混凝土
深方法类型25,,
/m长度厚度间距间距厚度
/m/cm/cm/cm
法钢架钢筋混凝土
K258+00626􀆰5CDⅤVa3􀆰52620cm×20cmI20a,55,50
预留核心土格栅钢架混凝土
K258+20562􀆰2ⅣⅣc3􀆰02025cm×25cm,100,40
预留核心土钢架钢筋混凝土
K259+01599􀆰9ⅤVa3􀆰52620cm×20cmI20a,60,50
389
科技和产业第卷第期
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图33个断面初支围岩压力G时间变化规律图43个断面初支围岩压力稳定值空间分布

从图可知围岩压力稳定后断面和本按照急剧增大缓慢增长趋于稳定的变化
4,,006“→→”
断面的围岩压力分布不均匀断面围岩压过程支护结构施作后钢拱架应力值迅速增大且
015,205,,
力分布相对较均匀这是由于上部岩土体分布不均持续时间较短随着变形的稳定应力值逐渐趋于
,,,
匀以及地层的复杂性造成的个断面最大稳定围稳定钢拱架应力值全为负数说明钢拱架整体处
.3.,
岩压力分别为分别出现于受拉状态分步施工会对钢拱架应力造成一定
0􀆰271、0􀆰077、0􀆰107MPa,.
在拱顶左拱腰左拱墙位置其中断面的围岩影响其中预留核心土法施工影响较为显著后行
、、.006,.
压力值要远大于其他两个断面虽然断面埋深洞开挖至先行洞该断面时会对钢拱架应力造成影
,006,
浅但该断面位于洞口段岩体破碎围岩自承能力响但影响较小级围岩断面钢拱架应力值要比
,,,,.Ⅴ
低大部分荷载作用于支护结构上断面受构级围岩断面大级围岩岩体破碎自承能力相
,.015Ⅳ,Ⅴ,
造运动的影响岩体相对破碎作用在支护结构上对较弱作用于支护结构上的荷载就大
,,,.
的荷载也相应增大而断面虽然埋深较深但从图可知隧道开挖后围岩变形围岩压力
.205,6,,、
围岩完整性较好自承能力强作用于支护结构上分布不均匀作用在钢拱架上的荷载也不均匀隧
,,,.
的荷载也相应偏小道轮廓开挖不规则钢拱架安装后与围岩的接触情
.,
3􀆰2钢拱架应力特征分析况不同作用于钢拱架上的荷载也不相同导致钢
,,
从图可知钢拱架应力随时间的变化规律基拱架受力呈现出差异化钢拱架最大受拉稳定
5,“”.
390
王有昌等软岩隧道支护结构受力特征分析
:
图53个断面钢拱架应力G时间变化规律

应力值分别为整
-2􀆰098、-0􀆰743、-2􀆰754MPa,
个应力值都较小远小于屈服应力
,.图63个断面钢拱架应力稳定值空间分布
3􀆰3初支混凝土应力特征分析

从图可知开挖初期应力值迅速增大随着混作用于初期支护上荷载也就越大
7,,.
凝土强度不断增加待应力重分布调整后应力值从图可知级围岩断面初支混
,,8,Ⅴ(006、015)
逐渐缓慢增长在后逐渐趋于稳定个断面凝土应力空间分布不均匀局部存在偏压现象
,,;
初支混凝土应力全为负值说明初支混凝土全部处级围岩断面初支混凝土应力分布相对均
,Ⅳ(205)
于受拉状态受分步施工的影响应力值出现波动匀偏压现象不明显初支混凝土最大受拉稳定
.,,.
特征对比图和图图可知采用应力值分别为
,7(a)7(b)、7(c),CD-1􀆰573、-0􀆰541、-1􀆰876MPa,
法施工时分步开挖对应力值的影响不太明显当两个级围岩断面的拉应力值都超过了混凝
,,ⅤC25
采用预留核心土法施工时影响较为显著当后行土轴心抗拉强度标准值这与现场断面
,.,006、015
洞开挖至先行洞此断面时会对先行洞混凝土初支断面右侧拱腰出现裂缝情况相一致这是由于现
,,
应力值造成一定影响级围岩初支混凝土应力场施工的喷射混凝土厚度未达到设计厚度或局部
.Ⅴ
值要比级围岩大因围岩级别越差岩体越破碎偏压造成
Ⅳ,,,.
391
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图73个断面初支混凝土应力G时间变化规律

3􀆰4初支与二衬接触压力特征分析

从图可知初支与二衬接触压力在二衬浇筑
9,
完成后先迅速增大后减小再缓慢增大最后趋于稳
图83个断面初支混凝土应力稳定值空间分布
定的一个过程局部测点压力值持续增长最后趋
.,断面还存在一定的偏压作用断面接触压力基
于稳定并未出现压力值较小的过程各断面接触,205
,.本上呈对称分布说明该断面围岩的自承能力较
压力随时间的变化规律大致相同断面体现出,
,205
来的差异性是二衬拆模过早导致的拆模过早二强对比图可知接触压力要比围岩压力小很多
.,.4,,
衬台车提供的支撑力突然消失同时混凝土强度还说明初期支护结构承担的荷载较多二衬结构是在
,,
未达到理想状态就会导致初支与二衬接触压力重隧道围岩尚未完全稳定状态下实施初期支护结构
,,
新分布通过图和图对比可知接触压力相比传递到二次衬砌的压力较小说明初期支护结构达
.38,,
初支围岩压力要小很多说明初期支护结构承担了到了良好的支护效果接触压力在短时间内达到
,.
大部分围岩荷载二衬结构承担的荷载很小稳定状态说明二衬结构不会发生屈服破坏
,.,.
从图可知初支与二衬接触压力稳定后跟4结论
10,,
围岩压力稳定后分布情况相似断面和断结合石凹顶软岩隧道施工过程中围岩压力钢
,006015、
面分布不均匀存在离散性表明这两个级围岩拱架应力初期支护喷射混凝土应力以及初支与
,,Ⅴ、,
392
王有昌等软岩隧道支护结构受力特征分析
:
图103个断面初支与二衬接触压力稳定值空间分布
图93个断面初支与二衬接触压力G时间变化规律

岩荷载二次衬砌结构分担的荷载要小
二衬间接触压力的现场监测数据分析不同的围岩,.
,作用于支护结构上的荷载除与隧道埋深有
级别施工方法支护类型等条件下支护结构随时4)
、、关外还与隧道围岩破碎程度及所受构造应力大小
间的变化规律以及空间分布特征得出以下结论,
,:呈正比关系隧道施工中应尽量减少对围岩的扰
软岩隧道围岩压力和钢拱架应力的变化规.
1)动充分发挥围岩的自承能力建设既经济又安全
律大致分为急剧增大缓慢增长趋于稳定个,,
“→→”3的优质隧道
阶段开挖初期围岩变形快速增长急剧增大阶段.
,,
的变形量占到总变形量的以上随后围岩变形参考文献
50%,
逐渐减小最后趋于稳定赖金星王开运来弘鹏等软弱黄土隧道支护结构力学
,.[1] ,,,.
喷射混凝土应力分布不均匀级围岩大于特性测试交通运输工程学报
2),V[J].,2015,15(3):41G51􀆰
叶万军魏伟陈明深埋大断面黄土隧道初期支护受力
级围岩且整体处于受拉状态受分步施工的影[2] ,,.
Ⅳ,;特征分析隧道建设中英文
响初支混凝土应力值出现波动特征采用法施[J].(),2019,39(10):1585G
,,CD
工比预留核心土法的施工步骤多但对围岩扰动相1593􀆰
,田鹏高地应力软岩隧道围岩压力及二衬受力特征研究
[3] .
对较小作用于支护结构的荷载也相应较小铁道标准设计
,.[J].,2016,60(8):108G112􀆰
通过初支与二衬接触压力分析接触压力比丁远振谭忠盛马栋高地应力断层带软岩隧道变形特
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初支围岩压力要小初期支护结构分担了大部分围征与控制措施研究土木工程学报
,[J].,2017,50(S1):
393
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晏长根罗鑫王凯等深埋软岩大变形偏压公路隧道
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王英帆刘钦胡永志等高地应力软岩隧道大变形监测层支护结构受力变形特征中国公路学报
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张春洪李世鑫王元森等软弱地层浅埋大跨双连拱隧韩风雷张学富喻文兵等铜锣山隧道软弱破碎围岩
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道支护结构受力现场监测试验研究土木工程学报受力与变形分析重庆交通大学学报自然科学版
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白家设赵绍鹏齐兵等软弱地层浅埋大跨双连拱隧道黄赫周丁恒李凤岭软弱围岩下铁路隧道支护结构受
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支护结构变形研究土木工程学报力监测与分析重庆交通大学学报自然科学版
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究上海华东理工大制措施科学技术与工程
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AnalysisofStressCharacteristicsofSoftRockTunnelSupportingStructure
11121
WANGYouchang,TUXiaobo,LIZhiping,RANLihong,LUOMeihua
(1􀆰KunmingSurveyandDesignInstituteofStateForestryandGrasslandAdministration,Kunming650031,China;
2􀆰JiangxiEngineeringSurveyandResearchInstituteofNuclearIndustryCo.,Ltd.,Nanchang330072,China)
Abstract
:Inordertostudythestresscharacteristicsofthesupportingstructureofsoftrocktunnelandoptimizethesupportingschemeand
constructionmethodofsoftrocktunnel,relyingontheLonghuaiexpresswayShiaodingtunnel,theshallowburiedsection,deepburiedsection,
,spatialdistribution,andcomparative
verificationofthesupportingstructure,thepressureofsurroundingrock,contactpressure,stressofinitiallysupportedconcreteandstressof
,theCDmethodhaslessdisturbancethanthe
reservedcoresoilmethod,
,unnecessarydisturbanceofsurrounding
rockshouldbereducedasfaraspossible,andtheselfGsupportingcapacityofsurroundingrockshouldbebroughtintofullplay.
Keywords
:softtunnel;supportingstructure;mechanicalcharacteristics;spatialdistribution
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