张洋，等：支护特征曲线在公路隧道监控量测中的应用 ・９３・ 支护特征曲线在公路 隧道监控量测中的应用 张 洋 ，王志杰 ，兰富安 （１．西南交通大学，成都６１００３１；２．四川达渝高速公路公司，成都６１００４１） 摘要：在隧道施工中，现场监控量测往往仅判断围岩、结构是否稳定，而对支护时机是否及时 则很难判断。以铜锣山隧道为例，采用数值模拟方法，对Ｖ级围岩绘制围岩、支护特征曲线，并结合 监控量测数据分析，判断支护措施及支护时机是否合理，同时给出围岩压力测试数据，指导隧道 施工。 关键词：公路隧道；特征曲线；监控量测 中图分类号：Ｕ４５２．１ ２ ０ 引言 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—８８２５（２０１０）０６—００９３—０２ ＧＰａ，／ｘ＝０．４５，Ｃ＝０．１ ＭＰａ， ＝２０。ｏ 隧道工程设计和施工面向的对象是岩体，充分发 挥围岩自身的承载力是地下支护结构设计的一个根本 出发点 。特征曲线法正好体现这一特点，它是利用 １．３数值模拟结果 本文对上述断面开挖后的毛洞进行数值模拟，模 拟过程中对初始地应力分ｌ０步释放，选取隧道围岩 围岩位移特征曲线和支护结构位移特征曲线交汇的办 法来决定支护体系的最佳平衡条件 。但围岩特征曲 线只有圆形坑道才有解析解，对马蹄形坑道只能近似 地转换成圆形，这种转换不可避免地会造成较大误 差。随着隧道力学数值模拟的日益成熟，通过建立模 拱顶和边墙起拱点为模拟数据监测点，其应力释放与 位移变形结果见图１，图中 为初始围岩应力，Ｐ为 Ｄ 围岩应力，围岩应力释放率为（１一｛『）×１００％。 拟围岩应力和位移状态的数值计算模型，对隧道进行 分步卸载求解，由此来获得其位移特征曲线，则是一 种有效的方法。本文以铜锣山隧道为例，采用数值模 拟方法，对Ｖ级围岩绘制围岩、支护特征曲线，结合 监控量测数据，判断支护措施及支护时机是否合理， 同时，给出围岩压力测试判据，指导隧道施工。 ０ ２０ ４０ ６０ ８Ｏ １０Ｈ０ １２０ ｉ１隧道围岩位移特征曲线的数值模拟 １．１隧道概况 径向位移／ｍｍ 图１ 隧道围岩位移特征曲线 铜锣山隧道是重庆垫江至四川邻水高速公路重点 控制工程之一，为上下行分离式隧道，左、右洞长均 ５ １９７ ｍ。隧道穿越断层、煤层采空区、岩溶等复杂 从图１看出，在围岩应力释放率小于３０％时， 围岩处于弹性变形阶段，表现在特征曲线上显示为直 线段；当围岩应力释放率为３０％～７０％之间时，围 岩处于塑性变形阶段，并随着围岩应力的逐步释放， 地层，在软弱围岩段主要为薄层钙质泥岩夹灰岩、白 云岩呈不等厚互层，泥岩占３／４，节理发育。岩体呈 块碎状镶嵌结构，围岩稳定性较差。 １．２模型建立与计算参数 建模水平方向取１００ ｍ，约８Ｄ，垂直方向取７０ ｍ，约６Ｄ，左右侧边界施加水平方向约束，底面施加 垂直方向约束。模型采用Ｖ级围岩的基本力学参数， 每个荷载步围岩产生的变形逐渐变大。从图１可见， 当围岩应力释放达到７０％后，仅再释放ｌ０％的应 力，拱顶位移增加了近一倍，而边墙起拱点位移增加 了一倍多；当围岩应力释放达到９０％后，围岩已趋 依据公路隧道设计规范 取值： ＝２０ ｋＮ／ｍ ，Ｅ＝１ 收稿日期：２００９—０９—２２ 于恶化，并出现了大量的有害松动；当围岩应力全部 释放后，最终计算不收敛，洞室出现严重变形。 由此可见，对上述围岩，其应力释放控制在 ７０％以内，在该点进行支护，围岩应力得到了大量 作者简介：张洋（１９７９一），男，四川蓬溪人。硕士研究生，从 的释放，而又未出现大量的有害松动，且支护结构需 要提供的支护阻力又较小，因此就可认为该点即为支 事隧道工程研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙａｎｇ０６５０＠１６３．ＣＯｒｎ。 ・９４・ 路基工程 Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１０年第６期（总第１５３期） 护结构和围岩相互作用的最佳平衡点。 ２ 喷射混凝土支护位移特征曲线数值模拟 喷射混凝土支护作为一种特殊的混凝土结构，它 对应时，实际测试水平收敛与拱顶下沉均小于计算 值，这是合理的。在测试中，往往在支护完成后一定 时间，才开始量测，此时，部分支护位移已经损失。 表１监控量测数据 的刚度不仅与材料力学参数有关，且与隧道支护的形 状、厚度等有关，因此，对喷射混凝土衬砌结构进行 数值模拟，通过分步加载求解，获得其位移随荷载的 变化关系，以获得这种结构体位移特征曲线。 ２．１支护参数 本文采用铜锣山隧道Ｖ级围岩初期支护参数进行 数值模拟，其初期支护主要参数为：锚杆长３．５ ＩＴＩ， Ｃ２０喷射混凝土厚２０ ｃｍ，钢架６０ ｃｍ一榀。根据公 路隧道规范 ，喷｝昆凝土力学参数为： ＝２２ ｋＮ／ｍ ， Ｅ＝２１ ＧＰａ， ：０．２。衬砌受荷载示意如图２。 图２衬砌受荷载示意 ２．２计算结果 对初期支护结构承受围岩压力进行了模拟，分 ｌ０步进行，压力逐步增长，分别计算出各步的变形 位移，以位移为横坐标，压力为纵坐标，将计算结果 绘制如图３，从图３看出，随着支护结构的荷载增加， 结构的位移不断增加，初次施加荷载时，结构位移增 加较快，随后，位移发展稍慢。 图３喷混凝土衬砌位移特征曲线 ３监控数据与数值模拟对比分析 在铜锣山隧道施工中进行了监控量测，埋深在 ２００ ＩＴＩ左右的Ｖ级围岩测试数据见表１。 从表１看出，支护结构承受的围岩荷载，均比较 小，最大围岩压力在拱部，仅为０．０８１ ＭＰａ，最大水 平收敛仅为３８．３ ｍｍ，与图２对照，在与围岩压力相 从围岩特征曲线分析中看出，该隧道在围岩应力 释放到７０％时进行支护比较合理，即为支护结构和 围岩相互作用的最佳平衡点。但要找准这点比较困 难，仅能通过测试手段去印证支护时机是否恰当。文 献［４］指出，在Ｖ级围岩埋深５０～３００ ＩＴＩ时，相对 变形量不能超过０．６％～１．６％，该隧道宽度取１１ ｉｎ，最大相对变形量取１．６％，则该隧道支护变形最 大值为１７．６ ｃｍ。从图３看出，围岩压力在０．２４ ＭＰａ 时，收敛值为１８．８ ｃｍ，超过了允许最大变形值，荷 载对隧道结构不利。当围岩压力在０．２１ ＭＰａ时，收 敛值为ｌ７．２ ｃｍ，小于最大允许变形值。因此，隧道 测试围岩压力小于０．２１ ＭＰａ支护结构是偏于安全的。 将围岩特征曲线与支护特征曲线结合考虑，可初步给 出一个评判围岩压力测试值的判据：围岩压力测试值 在０．０６～０．１５ ＭＰａ时，支护结构支护时机较好，能 很好发挥围岩与支护共同承载作用；测试值在０～ ０．０６ ＭＰａ时，支护时间较晚，隧道周边围岩易发生 松弛，产生松弛荷载，对结构受力不利；测试值在 ０．１５～０．２１ ＭＰａ时，表明支护时机过早，支护结构 承受较大荷载；当围岩压力超过Ｏ．２１ ＭＰａ时，支护 结构是不安全的，须采取加固措施。从铜锣山隧道测 试数据显示，围岩压力测试值较小，说明支护时机较 迟，未能较好发挥支护结构的承载能力，如果支护时 间再晚，易造成洞周围岩变差，或支护前毛洞坍塌。 ４结语 通过铜锣山隧道数值模拟计算表明，其应力释放 控制在７０％以内是隧道最佳支护时机；该法也可类 比用于其他公路隧道的施工，以期能为隧道工程安 全、快速、经济地建设提供技术指导。 参考文献： ［１］朱汉华，孙红月，杨建军．公路隧道围岩稳定与支护技术［Ｍ］．北 京：科学技术出版社，２００７． ［２］李志业，曾艳华．地下结构设计原理与方法［Ｍ］．成都：西南交通大 学出版社，２００３． ［３］ＪＴＧ Ｄ７０—２００４，公路隧道设计规范［Ｓ］．北京：人民交通出版 社，２００４． ［４］李晓红．隧道新奥法及其量测技术［Ｍ］．北京：科学技术出版社，２００２． 马新凯，等：桩网结构在武广客运专线路基工程的应用 ・９５・ 桩网结构在武广客运专线路基工程的应用 马新凯，聂彪 ５１８０４８） （中铁西北科学研究院南方分院，广东深圳摘要：武广客运专线对路基沉降要求极为严格，工后沉降不超过１５ ｍｍ。桩网结构是一种能够 满足加固深度超过２０ ｉｎ、路堤填方高度大于３ ｍ、且能较好控制路基残余变形的结构物。通过典型工 点对桩网结构在工程中的应用进行了较为系统的分析。结果表明，采用桩网结构能满足路基工后沉降 不超过１５ ｍｍ的要求。 关键词：客运专线；桩网结构；摩阻力 中图分类号：Ｕ２１３．１ ５７ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００３—８８２５【２０１０）０６—００９５—０３ 随着我国经济的迅猛发展，客运专线进入了一个 对上部荷载的承载。 １桩网结构路基组成 高速兴建的时期。武广客运专线采用的无砟轨道路基 沉降要求为工后沉降不超过１５ ｍｍ ｊ，因此对路基工 程地基沉降及不均匀沉降处理极其严格 ’ 。桩网结 构主要用于高等级道路所经软土地基区的加固，对控 制路基残余变形较有优势。桩网结构路基的工作原理 是，利用刚性桩和土的刚度差异及土工格栅加筋碎石 桩网结构地基是一种刚性桩基础，由钢筋混凝土 刚性桩（群）、桩帽以及桩帽顶面加筋垫层共同组 成。图１为武广客运专线无砟轨道ＤＫ２００４＋７０５～ 十７３５．７段桩网结构组成示意：①采用Ｃ３０钻孔灌注 桩，桩径０．６ ｍ，刚性桩顶部设置１．２ ｍ×１．２ ｍ ｘ ０．５ ｉｎ扩大桩帽。②桩顶设置两层土工格栅加筋碎石 垫层产生向下的变形，在相邻矩形４根桩之间、加筋 垫层上部的填土也因加筋垫层的下凹而产生变形，最 终形成土拱，荷载通过土拱把力传至刚性桩，并完成 收稿日期：２０１０—０４—２１ 垫层，厚度０．６ ｍ，土工格栅的纵横向屈服抗拉强度 不小于１２０ ｋＮ／ｍ，屈服伸长率不大于ｌ０％。③刚性 桩按方形布置，桩间距２．５ １ｑ＇１×２．８ ｍ。④刚性桩穿透 软弱层及基岩全一强风化层，进入基岩中风化层不小 于１．０ Ｉｎ。 作者简介：马新凯（１９７９一），男，陕西户县人。助理工程师，硕 士，从事道路工程勘察与设计。Ｅ．ｍａｉｌ：ｍｘｋ０３１９ ＠１６３．ｃｏｒｎ。 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｃｕｒｖｅ ｔｏ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｙａｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉ－ｊｉｅ ，ＬＡＮ Ｆｕ．ａｎ （１．Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６ １００３ １，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｉｅｈｕａｎ Ｄａｚｈｏｕ—Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｓｉｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｎｌｙ ｊｕｄｇｅｓ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ， ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｊｕｄｇｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｉｓ ｉｎ ｔｉｍｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｉｔｈ Ｔｏｎｇｌｕｏｓｈａｎ Ｔｕｎｎｅｌ ａｓ ａｌｌ ｅｘａｍｐｌｅ，ｕｓｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｌｗｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｓｉｎｇ ｉｓ ｄｒａｆｔｅｄ ｆｏｒ Ｖ—ｃｌａｓｓ ｗａｌｌ ｒｏｃｋ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｒｅ ｊｕｄｇｅｄ ｆｏｒ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｄａｔａ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｔｕｎｎｅｌ ￣ｏｆｌｓｔｎｌｅｔ ｏｎ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
