基于支护结构安全系数的铁路隧道围岩膨胀性分级方法

邓兴安,龚 伦,凌 昊

基于支护结构安全系数的铁路隧道围岩膨胀性分级方法

邓兴安1,龚 伦2,凌 昊2

(1.中铁二十一局集团有限公司,兰州 730000;2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室土木工程学院,成都 610031)

采用室内试验方法建立隧道膨胀性围岩含水量、加载压力与膨胀率的关系,以及自由膨胀率与无荷膨胀率、有荷膨胀率的关系;采用数值方法模拟新建山西中南部铁路线上庄1号隧道的施工过程,计算得到了不同膨胀率条件下各施工步序支护结构各截面的弯矩和轴力,从而计算出安全系数;基于隧道施工过程中支护结构安全系数计算,建立不同线膨胀率与隧道结构安全系数的关系并得到其计算公式,进而根据自由膨胀率、50 kPa荷载下有荷线膨胀率将膨胀土划分为Ⅰ～Ⅳ级。研究成果为类似膨胀土隧道的修建提供参考,具有重要的现实意义。

铁路隧道;膨胀率;岩性分级;安全系数;评定标准

随着我国交通建设的发展,在膨胀岩地区修建的隧道越来越多。膨胀岩隧道在开挖后由于应力重分布与水的作用等原因,膨胀性岩土反复遇水膨胀、失水收缩,使隧道产生了向隧道内的挤压和位移,严重时达百余厘米,造成圬工开裂或底板隆起导致工程灾害的发生。如受膨胀性软岩的影响,襄渝线董家沟隧道和七里沟隧道在施工中均出现了严重的坍塌冒顶灾害,西岭雪山隧道的二次衬砌混凝土局部塌落、断面开裂和隆起、洞内渗漏水现象[1-2]。

本文依托新建山西中南部铁路上庄1号隧道,围绕膨胀性软岩带来的施工难题,研究含水量、加载压力与膨胀率的关系,以及膨胀率与隧道衬砌安全系数的关系,从而提出基于膨胀率和衬砌结构安全性的膨胀性软岩分级,为工程实践中采取针对性的对策措施提供借鉴。

1 工程概况

新建山西中南部铁路上庄1号隧道位于河南省安阳市境内,隧道全长1 387m,洞身最大埋深为26m。隧道围岩为灰白色N2h3泥灰岩,具中等膨胀性,具有膨胀力大、强度低、遇水易崩解、稳定性差等特性,施工过程中需及时封闭掌子面及底板,减少暴露时间。

2 室内试验

2.1 试验目的及土样制备[3]

通过室内试验,得到膨胀岩的基本力学参数,建立自由膨胀率与线性膨胀率的关系。试验土样共分为2个类型,一类是取自依托工程的土样,根据《土工试验规程》要求制作了5个不同含水量的土样;另一类是配出不同自由膨胀率的土样15组。

2.2 试验结果与分析

2.1.1 应力-膨胀本构关系

试验得到了5组不同初始含水率的膨胀软岩在不同压力下的膨胀规律[4],如表1和图1所示。可以看出,当含水量一定时,随着加载压力的增大,试样的膨胀率不断减小并趋于稳定;而当加载压力一定时,含水量越小,试样的膨胀率越大。

表1 _不同初始含水量下压力-膨胀率试验

图1 不同初始含水量压力膨胀率关系曲线

2.1.2 自由膨胀率-线膨胀率关系

不同自由膨胀率的土样15组,分别进行自由膨胀率、无荷线性膨胀率、有荷(根据隧道埋深选取:50 kPa)线性膨胀率之间关系试验,得出试验结果详见表2,其关系曲线见图2。可以看出,随着自由膨胀率的增大,试样的无荷膨胀率和50 kPa荷载膨胀率不断增大,近似呈线性关系[5-6]。根据试验结果,拟合得到自由膨胀率δef与有荷线膨胀率δep的关系为:δep= 0.054δef-2.24。

表2 自由膨胀率及无荷线性膨胀率试验结果

图2 自由膨胀率有荷(50 kPa)线性膨胀率关系

3 膨胀软岩在隧道工程中的分级

3.1 分级标准

隧道规范中给出了根据衬砌结构所受弯矩和轴力计算安全系数的方法,参见文献[7-8]。本文以隧道结构安全系数作为膨胀软岩分级标准,见表3。

表3 隧道膨胀软岩分级标准(结构安全系数)

3.2 计算模型

3.2.1 有限元模型

模型上表面取至地表,埋深25 m,模型宽120m,模型高85.5m;隧道支护采用BEAM3单元模拟,围岩采用Plane 42单元模拟,膨胀围岩采用Plane13单元模拟。左右边界受水平方向约束,垂直方向底面受竖向约束,顶面为自由面。有限元模型见图3和图4[9-10]。

支护结构参数:初期支护厚0.3 m;二次衬砌厚0.6m(其中仰拱部分为0.7m);锚杆直径22mm,长度4.5 m。

3.2.2 计算物理力学参数

有限元模型计算参数如表4所示。

图3 整体模型

图4 隧道局部模型

表4 混凝土的物理力学参数

3.2.3 计算工况

施工方法采用工程实际中采用的工法,即三台阶预留核心土法,线膨胀率(此处为有荷膨胀率)选用范围是:0.02%～2.5%,计算工况见表5。

表5 膨胀软岩分级计算工况列表

3.3 计算结果与分析

3.3.1 不同线膨胀率结果

限于篇幅,在此仅列出线膨胀率为0.15%的计算图表,其余工况以统计表列出[11-13]。

(1)线膨胀率为0.15%

线膨胀率为0.15%工况下,下台阶初期支护及二次衬砌施作完成后初期支护内力见图5、图6,各施工步下内力检算见表6。

图5 下台阶初支施作后初期支护内力图

_表6 各施工步最不利部位结构内力检算

图6 二次衬砌施作后初期支护内力图

在线膨胀率为0.15%双线铁路隧道在各施工步中的结构的最小安全系数为4.2。

(2)各种线膨胀率的计算结果

根据对各线膨胀率的计算,得出膨胀软岩双线铁路隧道在不同线膨胀率下的最小安全系数,据此绘制线膨胀率-安全系数关系曲线见图7。

图7 不同线膨胀率安全系数关系曲线

膨胀软岩线膨胀率小于0.15%时,膨胀力不是隧道结构受力的主要因素,隧道结构内力受一般地层压力的控制;当膨胀率超过0.15%后,结构安全系数随膨胀率的增加而降低。

3.3.2 膨胀软岩的分级

根据以上分析,膨胀软岩的线膨胀率对隧道结构安全系数有直接的影响。

(1)膨胀软岩线膨胀率小于0.15%时,膨胀力不是隧道结构受力的主要因素,隧道结构内力受一般地层压力的控制,可将该膨胀率的膨胀软岩划分为微膨胀软岩。

(2)线膨胀率大于0.15%时,为了划分膨胀软岩的影响程度,通过对图7中线膨胀率大于0.15%的曲线进行拟合,得曲线拟合曲线及公式(图8)。将膨胀软岩分级标准代入拟合公式,可将膨胀软岩根据不同的线膨胀率划分为无、弱、中、强4个等级,线膨胀率及自由膨胀率分级结果见表7。

图8 不同线膨胀率安全系数拟合曲线

表7 膨胀软岩分级结果

4 结论

(1)当含水量一定时,随着加载压力的增大,试样的膨胀率不断减小并趋于稳定;而当加载压力一定时,含水量越小,试样的膨胀率越大。

(2)随着自由膨胀率的增大,试样的无荷膨胀率和有荷膨胀率不断增大,近似呈线性关系。

(3)依托工程背景,建立了膨胀土的线膨胀率与隧道结构安全系数关系,并通过拟合得到两参数的计算公式;

(4)根据线膨胀率和自由膨胀率将膨胀土分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级共4个等级。

[1] 刘特洪.工程建设中的膨胀软岩问题[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[2] 靳丽川.膨胀岩对铁路隧道的影响及工程措施[J].铁道标准设计,1999(8):45-46.

[3] 中华人民共和国水利部.土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[4] 经苏龙,白一琴.膨胀土的膨胀变化规律探讨及分析[J].大坝观测与土工测试,1999,23(3):40-41.

[5] 杨庆,吴训川.膨胀岩工程性能的研究现状[J].勘察科学技术, 1993(2):35-38.

[6] 徐永福,史春乐.宁夏膨胀土的膨胀变形规律[J].岩土工程学报, 1997,19(3):95-98.

[7] 中华人民共和国交通部.GTJ D70—2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[8] 中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[9] 张国智.ANSYS 10.0热力学有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[10]周坤.膨胀软岩隧道衬砌膨胀力数值模拟研究[D].成都:西南交通大学,2007.

[11]卢爱红.茅献彪.湿度应力场的数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2002,21(S2):2470-2473.

[12]李成江.膨胀性围岩力学机制及其隧洞支护效应的数值模拟分析[D].上海:同济大学,1988.

[13]王小军.膨胀岩的判别与分类和隧道工程[J].水文地质工程地质,1995(2):44-48.

Grading Method of Dilatability of Railway Tunnel Surrounding Rock Based on Supporting Structure Safety Coefficient

DENG Xing-an1,GONG Lun2,LING Hao2
(1.China Railway 21st Bureau Group Co.,Ltd.,Lanzhou 730000,China;2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Ministry of Education;School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Through lab experiment,the relationships between water content of tunnel swelling surrounding rock,loading pressure and swelling rate were established,also relationships among free swelling rate,swelling rate without load and swelling rate with load were established.Using numerical method,the construction procedure of Shangzhuang No.1 tunnel on the Mid-south Railway of Shanxi province was simulate,and the bending moment and axial force of every cross-section of supporting structure of every construction stage with different swelling rates were calculated respectively.Then the safety coefficient was worked out.On the basis of above-mentioned safety coefficient,and after establishing the relationship between different linear swelling rate and tunnel safety coefficient,the calculation formulawas obtained.Further,according to free swelling rate and linear swelling ratewith the load under50 kPa,the authors divided the swelling rocks intoⅠ～Ⅳlevels.The results could serve as a reference to similar swelling rock tunnel and have a significantmeaning.

railway tunnel;swelling rate;lithology grading;safety coefficient;evaluation standard

U452.1+2

A

1004-2954(2013)07-0094-03

2013-01-26;

2013-03-22

国家自然科学基金资助项目(51178399)

邓兴安(1969—),男,高级工程师,1989年毕业于石家庄铁道学院建筑管理专业,E-mail:137130042@qq.com。