背斜核部層狀軟硬巖區(qū)隧道變形時空效應(yīng)分析

孫智慧， 邢逸航， 唐勇， 劉濤

(1.內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系， 四川 內(nèi)江 641000; 2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院)

隨著“泛亞鐵路網(wǎng)”、“川藏鐵路”、 “川藏高速公路”等西部大開發(fā)戰(zhàn)略中重大工程的相繼啟動和實(shí)施，帶動了中國西部交通運(yùn)輸工程蓬勃發(fā)展，隧道建設(shè)進(jìn)入了新高潮。然而，中國西部地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境非常極端和異常，隧道建設(shè)面臨諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如隧道穿越背斜核部區(qū)域可能集圍巖破碎、軟硬相間、層狀分布、地應(yīng)力高、地下水等諸多不利因素于一體。且軟巖流變性能更使隧道圍巖變形復(fù)雜多變極易引起掌子面掉塊、塌方，初支開裂、脫落、拱架變形等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和施工安全。研究背斜核部區(qū)域隧道圍巖變形時空效應(yīng)，進(jìn)一步掌握復(fù)雜工區(qū)圍巖變形特征規(guī)律，積累相關(guān)資料，對西部隧道建設(shè)意義明顯。

隧道時空效應(yīng)研究主要基于現(xiàn)有時空效應(yīng)理論，通過現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方法進(jìn)行。如，孫元春等認(rèn)為隧道圍巖變形存在3個階段，且急劇變形階段空間效應(yīng)突出，穩(wěn)定變形階段是時空效應(yīng)的過渡段，流變階段時間效應(yīng)突出；楊紅軍等基于收斂限制法對時空效應(yīng)下隧道變形及二襯支護(hù)時機(jī)進(jìn)行了分析；陳孝湘等闡述了關(guān)鍵塊體時空效應(yīng)的概念，認(rèn)為基于時空效應(yīng)基本原則可省去部分臨時支護(hù)，同時可提高隧道施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性；劉學(xué)增等基于大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對公路隧道圍巖時間效應(yīng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到了各類圍巖變形穩(wěn)定時的收斂和拱頂下沉值；張青龍、李志清、何棟梁等通過現(xiàn)場監(jiān)測對不同條件下隧道圍巖變形時空效應(yīng)進(jìn)行了分析；李利平等通過對超大斷面隧道軟弱破碎圍巖空間變形的物理模擬得出軟弱破碎低強(qiáng)度和流變特性使圍巖變形具有更強(qiáng)的時空效應(yīng)。在數(shù)值模擬方面：吳波基于彈-黏塑性模型，分析了淺埋隧道施工性態(tài)的時空效應(yīng)；趙旭峰等通過模擬開挖面空間約束效應(yīng)和軟弱圍巖流變時效的耦合作用，得出在作業(yè)面影響范圍內(nèi)，開挖面空間效應(yīng)明顯，在此范圍外，軟弱巖體流變時效明顯；楊有海等基于時空效應(yīng)反分析了烏鞘嶺隧道F7斷層發(fā)生大變形的原因；桂榮等通過數(shù)值模擬得出了高應(yīng)力軟巖隧道的時空效應(yīng)規(guī)律。上述成果豐富了時空效應(yīng)理論及其工程運(yùn)用，但針對背斜核部區(qū)圍巖時空效應(yīng)的研究并不多見。

該文擬以雅康高速公路周公山隧道為例，選取隧道過沙坪背斜核部區(qū)域K8+559～K8+527段圍巖接觸壓力、凈空收斂等監(jiān)測成果，結(jié)合隧道支護(hù)情況對隧道圍巖變形時空效應(yīng)進(jìn)行分析，以期獲得背斜復(fù)雜巖區(qū)隧道變形規(guī)律。

1 工程概況

周公山隧道位于四川省雅(安)康(定)高速公路雅安段，全長4 179 m，隧道主洞設(shè)計(jì)凈寬10.25 m、凈高5 m，隧道設(shè)計(jì)速度80 km/h。

隧址區(qū)整體呈河谷低山構(gòu)造剝蝕地貌，線路穿越突出山脊，山前河流呈“C”形環(huán)繞。坡表淺溝發(fā)育，溝谷縱橫，坡表覆蓋坡殘積層，局部陡坡地段基巖裸露。區(qū)內(nèi)地形最高點(diǎn)高程為1 660 m，最低點(diǎn)的青衣江高程為580 m，相對高差1 080 m。

隧道圍巖主要由粉砂巖、細(xì)砂巖夾薄層泥巖組成，強(qiáng)度較高。隧道穿越沙坪背斜，背斜呈SN向展布，軸部向N傾伏，整體寬緩。背斜E翼整體產(chǎn)狀290°～300°∠30°～35°，背斜W翼整體產(chǎn)狀35°～75°∠18°～28°。背斜核部(K8+520±40 m)傾伏角10°～20°，埋深280～300 m，巖性為中厚層粉砂巖、細(xì)砂巖夾泥巖，層狀構(gòu)造，細(xì)砂巖厚0.9 m、泥巖夾層厚0.2 m，產(chǎn)狀290°∠18°。受構(gòu)造影響產(chǎn)生扭曲變形，次級節(jié)理裂隙面發(fā)育，但裂隙面閉合，間距一般為5～10 cm，巖體較為破碎，呈塊狀～碎塊狀，開挖后易掉塊，塌落。無明顯地下水出露，局部有少量滲滴水，現(xiàn)場為Ⅳ級圍巖，如圖1所示。

圖1 隧道過沙坪背斜核部區(qū)圍巖特征(K8+527)

變形嚴(yán)重樁號為K8+610～K8+542，長68 m。K8+600斷面拱頂出現(xiàn)脫落掉塊，掉塊區(qū)延續(xù)長度約6 m，厚度約7 cm，寬度約20 cm，見圖2(a)。K8+559斷面初支右側(cè)混凝土出現(xiàn)局部剝落、掉塊，工字鋼變形現(xiàn)象。剝落區(qū)面積約0.3 m2，厚度1～3 cm，工字鋼向外擠出變形，施作復(fù)拱后埋設(shè)土壓力盒進(jìn)行接觸壓力監(jiān)測，見圖2(b)。

圖2 支護(hù)變形特征

背斜核部區(qū)域原設(shè)計(jì)Ⅳ級圍巖支護(hù)為格柵鋼架10×15@1 m，鋼筋網(wǎng)采用φ6.5@25 cm，φ22 mm砂漿錨桿長3 m、縱×環(huán)間距為1.0 m×1.2 m，噴射混凝土厚18 cm，預(yù)留變形量6 cm，二次襯砌C30模筑混凝土厚40 cm。

鑒于前期K8+600～K8+580段變形突出，為保證隧道順利通過沙坪背斜核部區(qū)域，于背斜核部區(qū)樁號K8+550處適當(dāng)調(diào)整了設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工序。

支護(hù)參數(shù)調(diào)整：采用“先讓后抗”的方法。將單層支護(hù)調(diào)整為雙層支護(hù)(圖3)。第1層支護(hù)參數(shù)：Ⅰ18@1.0 m型鋼拱架，鋼筋網(wǎng)采用φ8@20 cm，φ22 mm砂漿錨桿長3 m、縱×環(huán)間距為0.8 m×1.0 m。為允許圍巖在第一層支護(hù)后變形，達(dá)到“先讓”的目的，波浪形噴混凝土，拱間噴混凝土厚15 cm，拱架處噴混凝土厚15 cm。當(dāng)?shù)谝粚又ёo(hù)拱架變形、初支開裂或接觸壓力初期穩(wěn)定后再急劇上升時，施作第2層支護(hù)，Ⅰ18@1.0 m型鋼拱架，兩層噴混凝土總厚45 cm。預(yù)留變形量由6 cm調(diào)整至10 cm。

圖3 雙層拱架縱斷面示意圖(單位：cm)

施工工序調(diào)整：嚴(yán)格貫徹“短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快成環(huán)”的原則。將上下臺階開挖調(diào)整為環(huán)形預(yù)留核心土法開挖。開挖進(jìn)尺由3.2 m調(diào)整為1.6 m，核心土面積為斷面面積的60%。

2 監(jiān)測簡介

選擇K8+559、K8+527斷面上布設(shè)接觸壓力和凈空收斂監(jiān)測點(diǎn)；K8+551、K8+543、K8+535等每間隔8 m布設(shè)凈空監(jiān)測。同一斷面接觸壓力和凈空監(jiān)測觀測點(diǎn)位于相同部位，測點(diǎn)布置見圖4。

圖4 監(jiān)測斷面及測點(diǎn)布置

3 圍巖變形時空效應(yīng)分析

3.1 時間效應(yīng)分析

(1) 初支壓力-時間關(guān)系

對K8+559進(jìn)行了為期33 d的初支與圍巖接觸壓力觀測，最大值出現(xiàn)在拱頂，量值為760.7 kPa；對K8+527進(jìn)行了為期52 d的觀測，最大值出現(xiàn)在右邊墻，量值為680.1 kPa，見圖5、6。

圖5 K8+559接觸壓力監(jiān)測結(jié)果

圖6 K8+527接觸壓力監(jiān)測結(jié)果

由圖5可知：① K8+559施作復(fù)拱后，復(fù)拱與原支護(hù)之間的接觸壓力在開始4 d內(nèi)迅速增加。尤其是拱頂?shù)? d的壓力值達(dá)760.7 kPa。且其拱頂下沉也較明顯，最大沉降速率為4.8 mm/d，最終下沉36.7 mm。其后，拱頂壓力值有所降低，在第14 d進(jìn)入基本穩(wěn)定狀態(tài)；② 其他部位接觸壓力也是前4 d內(nèi)增值較快，量值上較拱頂?shù)?，但均于?4 d進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖6可知：K8+527開挖后，立即施作第1層支護(hù)，允許圍巖和前期臨時支護(hù)協(xié)同變形。接觸壓力表現(xiàn)為在前8 d內(nèi)以較均勻速率穩(wěn)步增長，第8 d后，壓力值增長緩慢。在12 d時，壓力值逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并于第17 d時施作第2層支護(hù)，支護(hù)后，形成雙層支護(hù)體系。在17～21 d內(nèi)，除左邊墻變化較小外，其他部位接觸壓力值迅速增長。尤其是右邊墻，于第32 d時達(dá)到最大值680.1 kPa。之后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 凈空變化-時間關(guān)系

K8+559、K8+527凈空收斂監(jiān)測結(jié)果分別見圖7、8。

圖7 K8+559凈空收斂監(jiān)測結(jié)果

圖8 K8+527凈空收斂監(jiān)測結(jié)果

由圖7可知：K8+559施作復(fù)拱后，其凈空變化在前期以較大速率呈線性增長。在第8 d時，累積拱頂下沉、拱腰水平收斂、邊墻水平收斂量值分別為29.7、40.6、45.7 mm。在第8～13 d，凈空變化速率逐步減小，各位移增長緩慢，在第13 d時，累積拱頂下沉、拱腰水平收斂、邊墻水平收斂量值分別為34.7、40.9、46.2 mm。之后，拱腰以及邊墻水平收斂趨于穩(wěn)定，最終變形量值分別為44.3、46.7 mm。在第13～18 d，拱頂下沉量值有一定的減小趨勢，這可能與當(dāng)時監(jiān)測環(huán)境相關(guān)。在第18 d之后，拱頂下沉逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，最終下沉量為36.1 mm。

綜上認(rèn)為，K8+559斷面在前期1～8 d內(nèi)處于急劇變形狀態(tài)，8～14 d處于緩慢變形狀態(tài)，并于14 d左右趨于平穩(wěn)。

由圖8可知：K8+527開挖后，立即施作第1層支護(hù)，允許圍巖和前期臨時支護(hù)協(xié)同變形。同樣，凈空變化在前8 d內(nèi)以較大速率穩(wěn)步增長，第8 d后，增長緩慢。在12 d時，凈空位移逐漸進(jìn)入前期穩(wěn)定狀態(tài)。隨著圍巖內(nèi)部應(yīng)力的調(diào)整，圍巖于第16 d進(jìn)入新的變形階段。在第17 d時施作了第2層支護(hù)，形成了雙層支護(hù)體系。在17～21 d內(nèi)，凈空位移迅速增長。隨著第2層支護(hù)逐漸產(chǎn)生效力，凈空收斂在27 d時逐漸趨于平穩(wěn)，并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，最終量值分別為48.6、60.3、62.8 mm。

綜上認(rèn)為，K8+527斷面在前期1～8 d內(nèi)處于急劇變形狀態(tài)，8～13 d處于緩慢變形狀態(tài)，并趨于前期穩(wěn)定；但在第16 d時，進(jìn)入新的變形階段，且在17～21 d內(nèi)拱頂下沉迅速增長，在27 d時逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。且由于支護(hù)效力，后期變化不如前期強(qiáng)烈。

(3) 時間效應(yīng)分析

K8+559斷面接觸壓力和變形在初始4 d內(nèi)增值較快，第8 d后均趨于平穩(wěn)，于14 d進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。K8+527斷面第1層支護(hù)后，接觸壓力和變形在初始4 d內(nèi)增值較快，4～8 d間緩慢變形，在8～14 d間趨于穩(wěn)定；因泥巖的流變，斷面于16 d時進(jìn)入新變形階段，在17～21 d間急劇變形，21～27 d間緩慢變形，于31 d趨于穩(wěn)定，存在兩個變形周期。

綜上發(fā)現(xiàn)，該文隧道變形周期為14 d，初始4 d變形明顯，可能由巖石開挖卸荷瞬時回彈造成；4～8 d緩慢變形，可能由巖體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整造成；8～14 d趨于穩(wěn)定狀態(tài)。而針對K8+527斷面的第2次變形，分析認(rèn)為由于內(nèi)部泥巖流變引起。

3.2 空間效應(yīng)分析

(1) 接觸壓力隨空間分布規(guī)律

斷面K8+559軸線右邊接觸壓力較左邊大，拱頂最大，為760.7 kPa[圖9(a)]；斷面K8+527在右邊墻處接觸壓力最大，為680.1 kPa[圖9(b)]。

圖9 圍巖-初期支護(hù)接觸壓力空間分布圖(單位:kPa)

(2) 凈空變化隨空間分布規(guī)律

監(jiān)測斷面凈空變化總體情況為：累積拱頂下沉量為36～51 mm，拱腰水平收斂44～61 mm，邊墻水平收斂46～66 mm，見圖10。

圖10 背斜核部區(qū)域初支后凈空變化

在空間分布上：凈空變化量值沿隧洞開挖方向逐漸增大，表現(xiàn)為越靠近背斜核部變形越大。同一斷面邊墻水平收斂量值最大，拱頂下沉量值最小。雖然拱腰、邊墻水平收斂位移較拱頂下沉大，但拱腰、邊墻水平收斂為雙向變形，而拱頂下沉為單向變形。相對而言，拱頂變形更嚴(yán)重。

4 支護(hù)效果分析及建議

支護(hù)效果分析：對比分析K8+559和K8+527斷面接觸壓力，認(rèn)為通過雙層支護(hù)，先讓“第1層支護(hù)+圍巖”協(xié)同變形，然后第2層支護(hù)有效控制圍巖進(jìn)一步變形，而不是即時就采用強(qiáng)支護(hù)，使開挖后圍巖壓力得到逐步釋放，最終作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力有所降低，說明調(diào)整后的雙層支護(hù)、增加預(yù)留變形量方案合理。

支護(hù)建議：針對隧道經(jīng)過背斜核部軟硬巖區(qū)，應(yīng)充分考慮軟巖的時效變形。在圍巖變形嚴(yán)重區(qū)段，應(yīng)加強(qiáng)隧道監(jiān)控量測，并結(jié)合監(jiān)測結(jié)果合理選擇支護(hù)時機(jī)和支護(hù)措施，可考慮“先讓后抗”、適當(dāng)增大預(yù)留變形量的方式支護(hù)或采用雙層支護(hù)。

5 結(jié)論

結(jié)合雅康高速公路周公山隧道經(jīng)過沙坪背斜核部軟硬巖區(qū)域的圍巖接觸壓力、凈空變形資料、設(shè)計(jì)施工情況，對圍巖變形時空效應(yīng)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1) 接觸壓力監(jiān)測中：斷面K8+559拱頂接觸壓力最大，為760.7 kPa；斷面K8+527在右邊墻處接觸壓力最大，為680.1 kPa。凈空監(jiān)測中：累積拱頂下沉36～51 mm，拱腰水平收斂44～61 mm，邊墻水平收斂46～66 mm。

(2) 時間效應(yīng)方面：隧道變形周期為14 d，初始4 d變形明顯，為巖石卸荷瞬時回彈變形；4～8 d緩慢變形，為巖體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整塑性變形；8～14 d趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因泥巖流變特性圍巖有二次變形的可能，二次變形規(guī)律和第一次相同，周期亦為14 d。

(3) 空間效應(yīng)方面：凈空變化量值沿隧洞開挖方向逐漸增大，表現(xiàn)為越靠近背斜核部變形越大。同一斷面邊墻水平收斂量最大，拱頂下沉量最小。

(4) 針對軟硬巖相間區(qū)圍巖，應(yīng)充分考慮軟巖的時效變形。該隧道中監(jiān)測結(jié)果證明了調(diào)整后“先讓后抗”、適當(dāng)增大預(yù)留變形量雙層支護(hù)的方案合理，為周公山隧道順利穿越沙坪背斜提供了依據(jù)。