各向異性片巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力學(xué)特性研究

孔凡水，左昌群，李 濤，侯東波,2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074；2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430051)

各向異性片巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力學(xué)特性研究

孔凡水1，左昌群1，李 濤1，侯東波1,2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074；2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430051)

為了更好地了解各向異性片巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的分布特征規(guī)律，對(duì)武當(dāng)群片巖隧道區(qū)不同片理面傾角的隧道圍巖初期支護(hù)及二次襯砌承載特性展開了監(jiān)控量測(cè)。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：圍巖穩(wěn)定后二次襯砌分擔(dān)的圍巖荷載遠(yuǎn)大于初期支護(hù)分擔(dān)的圍巖荷載，大部分二次襯砌分擔(dān)的圍巖荷載比高達(dá)80%～90%，這導(dǎo)致部分?jǐn)嗝嬉殉^了相關(guān)規(guī)范中關(guān)于軟巖支護(hù)結(jié)構(gòu)承載比例的規(guī)定，對(duì)二次襯砌后續(xù)運(yùn)營穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大影響；片巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力表現(xiàn)出明顯的各向異性特征，當(dāng)片理面傾角<45°時(shí)，隨著片巖片理面傾角的增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)水平側(cè)受力呈增加趨勢(shì)；當(dāng)片理面傾角>55°時(shí)，水平受力呈較陡減小趨勢(shì)；隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位受力相差較大且具有明顯的非對(duì)稱性，片巖隧道圍巖及支護(hù)受力均存在順層偏壓特性。

片巖隧道；各向異性；監(jiān)控量測(cè)；支護(hù)結(jié)構(gòu)；承載特性

1 研究背景

隨著國內(nèi)外隧道建設(shè)的快速發(fā)展，在現(xiàn)實(shí)工程中也面臨著大型的、各類復(fù)雜軟弱巖體的隧道工程，各類復(fù)雜工程地質(zhì)問題層出不窮，如高地應(yīng)力、軟巖大變形等屢見不鮮。以片巖為代表的變質(zhì)巖是隧道工程施工中常遇到的巖體，僅鄂西北地區(qū)大量高速公路隧道建設(shè)中，例如谷竹高速公路、十漫高速公路、十房高速公路中就遇到了分布廣泛的軟弱片巖地層以及由此帶來的不良隧道地質(zhì)災(zāi)害問題。由于片巖片理間距小，片理面黏結(jié)力差，巖體強(qiáng)度低，且具有明顯的各向異性特征，在隧道開挖中圍巖穩(wěn)定性差，變形量大、擠入式大變形和塌方災(zāi)害頻發(fā)，常規(guī)設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)并不能有效地控制圍巖大變形問題。因此，有必要采取相關(guān)手段對(duì)片巖隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力問題展開探討。

針對(duì)各向異性層狀巖體地下工程中的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞機(jī)理及施工力學(xué)效應(yīng)，夏彬偉等[1]、郭富利等[2]、李曉紅等[3]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)及試驗(yàn)手段；黎立云等[4]、劉立等[5]、余永強(qiáng)等[6]采用室內(nèi)試驗(yàn)或物理模擬試驗(yàn)；馬永政等[7]、唐雪梅等[8]采用離散元計(jì)算方法；劉苗等[9]對(duì)絹云母石英片巖公路隧道圍巖分級(jí)研究，針對(duì)絹云母石英片巖的特性，對(duì)BQ法進(jìn)行修正，得出修正以后的建議BQ值法公式，可為類似隧道圍巖分級(jí)提供參考；蔣宗鑫等[10]關(guān)于小凈距淺埋偏壓軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力實(shí)測(cè)分析可以得到，實(shí)測(cè)值與二次襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)值差異大，并分析二次襯砌結(jié)構(gòu)和初期支護(hù)實(shí)際分擔(dān)開挖釋放荷載的比例問題；李勇峰等[11]關(guān)于軟巖隧道大變形機(jī)理及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析；賈劍青等[12]對(duì)復(fù)雜條件下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，以方斗山隧道為研究對(duì)象，分析了該斷面初次支護(hù)和二次襯砌的水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力和豎向位移等特性；朱永全等[13]關(guān)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載作用的隨機(jī)反演，提出荷載一結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行隨機(jī)反分析方法；袁海清[14]對(duì)常張高速公路淺埋偏壓隧道的受力特征進(jìn)行了三維數(shù)值分析，得出了在復(fù)雜地質(zhì)條件下(淺埋、偏壓、軟弱泥質(zhì)頁巖)隧道的受力特性及圍巖的穩(wěn)定性特征；舒志樂等[15]結(jié)合規(guī)范推薦的方法對(duì)偏壓小凈距隧道圍巖壓力進(jìn)行了理論分析，推出了偏壓小凈距隧道圍巖壓力的計(jì)算公式，通過給出的計(jì)算公式分析了不同凈距條件、不同地面傾斜度對(duì)圍巖壓力的影響。目前，雖有許多學(xué)者對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了研究，但對(duì)片巖之類的軟巖隧道初期支護(hù)及二次襯砌的受力特征如何，究竟發(fā)揮怎么樣的作用則沒有明確結(jié)論。

為了進(jìn)一步對(duì)武當(dāng)群各向異性片巖區(qū)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力學(xué)特性的研究，獲取施工中隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)信息，對(duì)鄂西北典型片巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力學(xué)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。論文選擇谷竹高速公路中油坊坪隧道、竹山隧道、宴家隧道作為工程實(shí)例，針對(duì)其中的典型地段布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，在各隧道選取了不同片理面傾角的圍巖斷面，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力學(xué)特性進(jìn)行分析研究。典型監(jiān)測(cè)的隧道斷面埋深均在20 m左右，屬于淺埋地段。圍巖為中-強(qiáng)風(fēng)化絹云母片巖，巖體較破碎，穩(wěn)定性較差，掌子面含有少量裂隙水。隧道斷面采用上下臺(tái)階施工法施工，復(fù)合式襯砌支護(hù)形式，隧道設(shè)計(jì)以Ⅴ級(jí)圍巖為主，Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)參數(shù)為：φ22 mm注漿錨桿，L=3.5 m，間距為60 cm(縱)×120 cm(環(huán))；φ8 mm鋼筋網(wǎng)，間距為20 cm×20 cm雙層；C20噴混凝土，厚度為26 cm；I 20b工字鋼鋼拱架，間距為60 cm。二次襯砌支護(hù)參數(shù)為：拱部、仰拱厚度均為50 cm。

2 量測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)目的

主要對(duì)隧道初期支護(hù)及二次襯砌的受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)片巖的各向異性特性，選取不同片理面傾角(0°～30°，30°～60°，60°～90°)的片巖隧道斷面展開研究，從而全面更好地獲得片巖隧道中片巖的各向異性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力隨時(shí)間的分布特征，以及圍巖穩(wěn)定時(shí)初期支護(hù)與二次襯砌承載力分擔(dān)比例的影響，進(jìn)而綜合地闡明片巖隧道中支護(hù)結(jié)構(gòu)承載特性。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與儀器

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[16]中相關(guān)規(guī)定選取圍巖與初期支護(hù)層間壓力及初期支護(hù)與二次襯砌間壓力為監(jiān)測(cè)內(nèi)容。監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目布置方式及量測(cè)間隔時(shí)間如表1所示。

表1 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目布置及監(jiān)測(cè)時(shí)間

本研究采用金壇市天地傳感器有限公司生產(chǎn)的TDTYJ20型振弦式土壓力計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示，讀數(shù)儀為振弦頻率讀數(shù)儀。測(cè)量完成后，記錄傳感器的頻率值(或頻率模數(shù)值)、溫度值、儀器編號(hào)、設(shè)計(jì)編號(hào)和測(cè)量時(shí)間。TYJ型振弦式土壓力的計(jì)算公式為

(1)

式中：P為被測(cè)土壓力值(MPa)；k為儀器標(biāo)定系數(shù)(MPa/F)；fi為土壓計(jì)的實(shí)時(shí)頻率測(cè)量值(Hz)；f0為土壓計(jì)的頻率基準(zhǔn)值(初始頻率值)(Hz)。

圖1 振弦式土壓力計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.1 Photo and field arrangement ofearth pressure gauge with vibrating string

圖2 現(xiàn)場(chǎng)壓力盒埋設(shè)Fig.2 Position of buriedpressure boxes

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

隧道圍巖與初期支護(hù)間的壓力盒、初期支護(hù)與二次襯砌之間的壓力盒埋設(shè)情況如圖2所示。每個(gè)量測(cè)斷面各布置5個(gè)壓力盒，拱頂設(shè)置1個(gè)，拱腰設(shè)置2個(gè)，左、右邊墻各一個(gè)，沿隧道中心線對(duì)稱布置。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果分析

3.1.1 “0°～30°”傾角斷面支護(hù)承載監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

油坊坪隧道ZK41+525段(巖層片理面產(chǎn)狀220°∠10°)監(jiān)測(cè)斷面的初期支護(hù)、二次襯砌支護(hù)的受力時(shí)程曲線及斷面壓力分布如圖3所示。

圖3 ZK41+525監(jiān)測(cè)斷面壓力分布Fig.3 Pressure distribution of monitoringsection ZK41+525

同理，獲得竹山隧道斷面ZK156+860段(巖層片理面產(chǎn)狀15°∠25°)支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力分布,如圖4所示。

圖4 ZK156+860初期支護(hù)及二次襯砌穩(wěn)定時(shí)壓力分布Fig.4 Pressure distribution of monitoring sectionZK156+860 in preliminary bracing period andsecondary lining’s stable period

通過對(duì)0°～30°傾角范圍內(nèi)片巖隧道支護(hù)承載監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，由圖3(a)、圖3(b)可得出，各支護(hù)結(jié)構(gòu)施工后，隨著時(shí)間的推移，初期支護(hù)及二次襯砌承載不斷增大，增加幅度越來越小，初期支護(hù)及二次襯砌承載規(guī)律基本一致。由圖3(c)、圖3(d)和圖4(a)、圖4(b)可得出，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，初期支護(hù)和二次襯砌左側(cè)邊墻及拱腰承載最大，拱頂承載次之，右側(cè)拱腰及邊墻最小，且二次襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大的多。隧道斷面左右受力特征明顯不對(duì)稱，初期支護(hù)與二次襯砌左右承載力差異明顯。這表明該斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)承載受結(jié)構(gòu)面影響較大，片巖隧道圍巖具有順層偏壓特性，受力各向異性明顯。

3.1.2 “30°～60°”傾角斷面支護(hù)承載監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖5(a)是油坊坪隧道斷面YK41+722段(巖層片理面產(chǎn)狀210°∠35°)支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力分布圖,圖5(b)、圖5(c)分別是竹山隧道斷面ZK156+905段(巖層片理面產(chǎn)狀20°∠45°)與宴家隧道斷面ZK227+213段(巖層片理面產(chǎn)狀40°∠55°)初期支護(hù)及二次襯砌穩(wěn)定時(shí)壓力分布圖。

圖5 不同段的隧道斷面初期支護(hù)及二次襯砌穩(wěn)定時(shí)壓力分布Fig.5 Pressure distribution of monitoring sectionsin preliminary bracing period and secondarylining’s stable period

對(duì)30°～60°傾角片巖隧道斷面支護(hù)承載監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，由圖5可得出，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，初期支護(hù)和二次襯砌左拱腰承載最大，左邊墻、拱頂及右拱腰承載次之，右邊墻最小，且二次襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大的多。隧道斷面左右受力特征明顯不對(duì)稱，初期支護(hù)與二次襯砌左右承載力差異明顯。

3.1.3 “60°～90°”傾角斷面支護(hù)承載監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖6(a)、圖6(b)分別是竹山隧道斷面YK156+987段(巖層片理面產(chǎn)狀25°∠60°)與宴家隧道斷面YK227+483段(巖層片理面產(chǎn)狀35°∠65°)初期支護(hù)及二次襯砌穩(wěn)定時(shí)壓力布置圖。

圖6 不同路段的隧道斷面初期支護(hù)及二次襯砌穩(wěn)定時(shí)壓力分布Fig.6 Pressure distribution of monitoring sections inpreliminary bracing period and secondarylining’s stable period

對(duì)60°～90°傾角片巖隧道斷面支護(hù)承載監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，由圖6(a)中初期支護(hù)可以得出，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，拱頂承載最大，左拱腰及邊墻承載次之，右側(cè)拱腰及邊墻最??；由圖6(a)中二次襯砌和圖6(b)中初期支護(hù)可以得出，在拱頂承載最大，左、右拱腰及右邊墻次之，左邊墻承載最?。粓D6(b)中二次襯砌可以得出，在拱頂承載最大，左、右拱腰及右邊墻次之，左邊墻承載最小。圖6均可得出，二次襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大的多，隧道斷面左右受力特征明顯不對(duì)稱，初期支護(hù)與二次襯砌左右承載力差異明顯。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律分析

將不同片理面傾角的片巖隧道斷面初期支護(hù)及二次襯砌支護(hù)穩(wěn)定時(shí)所得的量測(cè)數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖7所示。

圖7 片理面傾角與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力關(guān)系Fig.7 Relationship between schistosity plane angleand force of supporting structure

由圖7可以得出，左右拱腰及左右邊墻支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力大致都呈現(xiàn)隨著片巖的片理面傾角先增加而增加的趨勢(shì)，增加幅度相對(duì)較小，增加到最大值后，又較陡減小至較小值，變化幅度大。左右拱腰及左右邊墻承載力支護(hù)結(jié)構(gòu)2曲線圖反映規(guī)律基本一致，曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折點(diǎn)部位是在片理面傾角為45°～55°之間。但針對(duì)圖7(b)中右邊墻承載曲線在片理面傾角為55°～65°有上升現(xiàn)象，幅度大，但沒有超過片里面傾角為45°時(shí)的承載力最大值，且在片里面傾角為60°～65°間曲線仍存在下降趨勢(shì)，整體趨勢(shì)不變，則在誤差允許范圍內(nèi)。圖7的各個(gè)部位支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力出現(xiàn)最大值在片理面傾角為45°～55°巖層隧道部位。這主要因?yàn)槠瑤r隧道各向異性的特性影響兩側(cè)水平側(cè)壓力的分布，隨著片巖片理面傾角度的增大，表現(xiàn)在片理面傾角為45°～55°之后，水平側(cè)壓力會(huì)越小。

通過總結(jié)圖3—圖7可以得出，初期支護(hù)和二次襯砌承載規(guī)律如下。

(1) 隨著初期支護(hù)的施工，圍巖與初期支護(hù)之間圍巖壓力不斷加大，開始圍巖壓力變化值很大，后來逐漸減小，這是圍巖變形逐漸減小趨于平穩(wěn)的結(jié)果，最后圍巖壓力趨于一定的值，變化不大。

(2) 初期支護(hù)與二次襯砌承載數(shù)據(jù)曲線變形均存在3個(gè)階段：①在二次襯砌施工之前，由于僅施加柔性支護(hù)，襯砌和圍巖產(chǎn)生協(xié)同變形，隧道圍巖巖體的彈性能和重力勢(shì)能以做功的形式逐漸耗散或重新分布。使初次襯砌與圍巖之間的壓力變化相對(duì)較小，但壓力值持續(xù)增加。②在二次襯砌施工完成后，支護(hù)剛度有明顯的提升，支護(hù)結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生變形。隧道圍巖巖體的彈性能和重力勢(shì)能以彈性能的形式集中儲(chǔ)存在支護(hù)結(jié)構(gòu)以及其周圍巖體內(nèi)，使洞身附近巖體產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的壓力短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的增幅，變化速率和變化量均較大。③二次襯砌施工后，二次襯砌作為主要的承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌承載值較大，當(dāng)圍巖壓力增大到一定程度后，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖產(chǎn)生的抗力，使片巖隧道圍巖產(chǎn)生應(yīng)力平衡，阻止圍巖進(jìn)一步變形，圍巖壓力趨于平穩(wěn)，但支護(hù)結(jié)構(gòu)承載值依舊增加。

(3) 片巖隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力值具有很大的非對(duì)稱性，即左右兩側(cè)的圍巖壓力差別比較大，這是因?yàn)閹r體各向異性顯著，圍巖具有順層偏壓特性。

(4) 因片巖的各向異性特征明顯，初期支護(hù)與二次襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)拱腰及邊墻的最大承載力在片理面傾角為45°～55°之間，當(dāng)片理面傾角>55°，隨著片巖片理面傾角度的增大，水平側(cè)壓力會(huì)變小。

4 片巖隧道初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)承載比例分析

通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，初期支護(hù)及二次襯砌承載比例可參考式(2)和式(3)進(jìn)行計(jì)算。

初期支護(hù)承載承擔(dān)比例=

(2)

二次襯砌承載承擔(dān)比例=

(3)

本文選取具有代表性的隧道監(jiān)測(cè)斷面，根據(jù)其實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到圍巖穩(wěn)定時(shí)初期支護(hù)及二次襯砌承載數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)承載數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)以及參照式(2)、式(3)，從而分別得到初期支護(hù)承載比例與二次承載承擔(dān)比例的柱狀圖如圖8所示。

圖8 支護(hù)結(jié)構(gòu)承載的比例關(guān)系統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistical diagram of the bearing proportionof supporting structures

根據(jù)表2數(shù)據(jù)及圖8可知：二次襯砌結(jié)構(gòu)在量測(cè)隧道中不僅僅作為安全儲(chǔ)備，而且承擔(dān)著大部分圍巖荷載，與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用來維持圍巖的安全與穩(wěn)定。由于選取了各段不同片理面傾角的片巖隧道進(jìn)行分析，可以得到隧道各不同監(jiān)測(cè)斷面均出現(xiàn)二次襯砌分擔(dān)的圍巖荷載占有很高的比例，達(dá)到80%～90%，而初期支護(hù)承擔(dān)荷載比例較小，當(dāng)片理面傾角較大時(shí)，片巖隧道大部分二次襯砌分擔(dān)比例達(dá)到90%以上。這表明片巖的各向異性對(duì)隧道二次襯砌承載分擔(dān)比例有著很大的影響。這主要是因?yàn)檐浫跗瑤r完整性差，具有流變特性，施工中圍巖自穩(wěn)性差，易產(chǎn)生大變形，到時(shí)圍巖體形成過大的形變壓力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱部位承載力相差較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)承載值具有明顯的非對(duì)稱性。

參照現(xiàn)有《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中關(guān)于軟巖支護(hù)結(jié)構(gòu)承載比例的規(guī)定：對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖、初期支護(hù)+圍巖承擔(dān)60%～80%荷載，二次襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)20%～40%荷載；對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)+圍巖承擔(dān)20%～40%荷載，二次襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)60%～80%荷載。根據(jù)現(xiàn)有隧道圍巖級(jí)別設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載比例的相關(guān)規(guī)定，這些隧道二次襯砌承載分擔(dān)比例遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示二次襯砌承擔(dān)荷載比例大于規(guī)范值，初期支護(hù)荷載承擔(dān)比例較小，導(dǎo)致大量的荷載作用于二次襯砌結(jié)構(gòu)上，是使部分隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)開裂的主要原因。

5 結(jié) 論

本論文通過研究得到以下主要結(jié)論：

(1) 片巖類軟弱圍巖隧道中二次襯砌分擔(dān)的圍巖荷載占有很高的比例，達(dá)到80%～90%；初期支護(hù)承擔(dān)荷載比例較小，占10%～20%。這主要是因?yàn)檐浫跗瑤r完整性差，具有流變特性，施工中圍巖自穩(wěn)性差，易產(chǎn)生大變形，形成過大的形變壓力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上。其次，初期支護(hù)屬于柔性支護(hù)，襯砌和圍巖產(chǎn)生協(xié)同變形，隧道圍巖巖體的彈性能和重力勢(shì)能以做功的形式逐漸耗散或重新分布，使初期支護(hù)與圍巖之間的壓力變化相對(duì)較小。二次襯砌結(jié)構(gòu)屬于剛性支護(hù)，支護(hù)施加后支護(hù)結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生變形，隧道圍巖巖體的彈性能和重力勢(shì)能以彈性能的形式集中儲(chǔ)存在支護(hù)結(jié)構(gòu)以及其周圍巖體內(nèi)，使得二次襯砌結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)承擔(dān)較大的荷載。

(2) 片巖隧道不同部位支護(hù)結(jié)構(gòu)承載相差較大，隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力具有很明顯的非對(duì)稱性，這主要是由于片巖片理面特性明顯，具有明顯的各向異性。不同的圍巖產(chǎn)狀，支護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位承載情況明顯不同。

(3) 由于片巖的各向異性的特性，片巖隧道初期支護(hù)與二次襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)拱腰及邊墻的最大承載力出現(xiàn)在片理面傾角為45°～55°的區(qū)間。當(dāng)片理面傾角<45°時(shí)，隨著片巖片理面傾角度的增大，初期支護(hù)與二次襯砌水平側(cè)承載力增加，但變化幅度相對(duì)不大，比較平穩(wěn)；當(dāng)片理面傾角>55°時(shí)，水平側(cè)承載力則快速減小，變化幅度較大。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Bearing Mechanics Behavior of Supporting Structuresin Anisotropic Schist Tunnel

KONG Fan-shui1，ZUO Chang-qun1，LI Tao1，HOU Dong-bo1，2

(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences ,Wuhan 430074,China； 2.Hubei Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430051,China)

In the aim of better understanding the distribution of forces on the supporting structures in anisotropic schist tunnel, the bearing behavior of preliminary bracing and secondary lining of surrounding rocks with different schistosity plane angles in Wudang group schist tunnel area are monitored and measured. Analysis of the measured data reveals that the load shared by secondary lining is much greater than that by preliminary bracing when the surrounding rock is stable. Rock load shared by most secondary linings accounts for up to 80%-90%, which suggest that the bearing ratios of some sections exceed the standard in specifications, posing large impact on the stability of secondary lining in the subsequent operation. Supporting structure of schist tunnel shows obvious anisotropy. When the schistosity plane angles are less than 45°-55°, the lateral force when supporting structure is stable shows an increasing trend with the increase of schistosity plane angles, and a steep decrease when the schistosity plane angle is larger than 45°-55°. Forces of different parts of support structure are apparently different and obviously asymmetrical , and forces of surrounding rock of schist tunnel and supporting structure has consequent bias characteristics.

schist tunnel; anisotropy; monitoring and measurement; supporting structure; bearing behavior

2016-03-14；

2016-04-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202201,41102196,51379194)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CUGL110215)；國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201211039)

孔凡水(1992-)，男，江西撫州人，碩士研究生，主要從事地下工程方面的研究，(電話)13297954336(電子信箱)1908478950@qq.com。

左昌群(1981-)，女，湖北荊州人，講師，博士，主要從事地下建筑方面的教學(xué)與研究工作,(電話) 13554111141(電子信箱)helenzz@126.com。

10.11988/ckyyb.20160221

2017,34(6):97-102

U45

A

1001-5485(2017)06-0097-06