特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖變形時(shí)空效應(yīng)

王 建, 袁楓斌, 袁 龍

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195)

隧道斷面開挖，圍巖結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力狀態(tài)破壞。之后隨著施做初期支護(hù)，圍巖內(nèi)部應(yīng)力重分布，形成新的二次應(yīng)力場(chǎng)，這種應(yīng)力狀態(tài)受隧道開挖斷面、圍巖級(jí)別、開挖方法、時(shí)間、距工作面距離等因素影響而變化，即圍巖變形時(shí)空效應(yīng)[1]。針對(duì)圍巖變形時(shí)空效應(yīng)，中外學(xué)者已經(jīng)有所研究。

孫智慧等[2]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段對(duì)圍巖變形時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行研究，研究結(jié)果認(rèn)為對(duì)軟硬巖區(qū)隧道工程應(yīng)充分考慮軟巖的時(shí)效變形，合理選擇支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)措施；左清軍等[3]以滬昆客運(yùn)專線長昆湖南段姚家隧道為例，結(jié)合變形監(jiān)測(cè)資料提出了不同圍巖級(jí)別下隧道圍巖徑向位移釋放率隨時(shí)間和距掌子面距離的定性變化規(guī)律；衛(wèi)建軍[4]以西安地鐵3號(hào)線某暗挖站區(qū)間雙線地鐵隧道施工為背景，采用有限差分軟件FLAC3D建立土體三維力學(xué)模型對(duì)雙線地鐵隧道臺(tái)階法施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，認(rèn)為圍巖變形呈現(xiàn)出先快速增長后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)，且影響范圍逐漸增大；田曉艷等[5]基于平面應(yīng)變?cè)?，利用Peck沉降公式通過推導(dǎo)得到隧道任意土層的沿其橫斷面的水平位移計(jì)算表達(dá)式，通過與已有工程案例進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了已有公式的適用性；文獻(xiàn)[6-12]通過現(xiàn)場(chǎng)圍巖的變形監(jiān)測(cè)分析，探討了圍巖與襯砌的相互關(guān)系。

綜上所述，目前關(guān)于特大斷面隧道時(shí)空效應(yīng)的研究成果大多屬于定性分析，較多集中在對(duì)于已有規(guī)律的驗(yàn)證，缺少針對(duì)特大斷面隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)定量的、系統(tǒng)性的公式表述，進(jìn)而難以準(zhǔn)確描述及預(yù)判特大斷面隧道時(shí)空效應(yīng)規(guī)律。因此，以道吾山特長隧道為依托工程，針對(duì)特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖變形時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及回歸分析得出特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及收斂變化時(shí)程、空間曲線方程，可進(jìn)一步定量判斷特大斷面砂質(zhì)板巖隧道圍巖變形規(guī)律，為類似特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)空效應(yīng)研究提供系統(tǒng)性借鑒。

1 工程概況

道吾山特長隧道位于瀏陽市集里鎮(zhèn)—蕉溪鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道呈曲線形展布，為分離式隧道，左線隧道起訖樁號(hào) ZK1+390～ZK6+072，總長4 662 m，隧道最大埋深約595 m，位于 ZK3+580處。右線隧道起訖樁號(hào) K1+390～K6+056，總長4 666 m，隧道最大埋深約604 m，位于 K3+600處。隧道設(shè)計(jì)凈寬14.79 m，設(shè)計(jì)凈高10.05 m，凈空面積為120.26 m2，開挖斷面最大面積為163.55 m2，屬于特大斷面隧道。隧址圍巖巖體為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖、中風(fēng)化砂質(zhì)板巖、微風(fēng)化砂質(zhì)板巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，中風(fēng)化砂質(zhì)板巖為隧道洞身段圍巖的主要組成部分，砂質(zhì)板巖地層占隧道總長的90%，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露巖體情況顯示，砂質(zhì)板巖巖質(zhì)較軟，巖體較完整，自穩(wěn)能力一般，施工過程中開挖后可能有剝落，隧道開挖過程中圍巖變形時(shí)空效應(yīng)明顯。

隧址區(qū)主要屬中低山地貌，山體形態(tài)不規(guī)則，其山脈走向大致呈北東向，山坡植被茂密，溝谷發(fā)育，地形切割強(qiáng)烈，起伏變化較大，地面高程變化在 130～787.6 m，地勢(shì)最高點(diǎn)位于道吾山的五老峰附近，海拔高程為787.6 m，屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，溫和濕潤，季節(jié)變化明顯。隧道瀏陽端位于沖溝部位山坡坡腳，洞軸線與等高線基本正交，山坡自然坡度20°～30°，地面高程變化在 158～165 m；蕉溪端位于沖溝部位山坡坡腳，洞軸線與等高線基本正交，山坡自然坡度為25°～35°，地面高程變化在 148～155 m。隧道洞口全貌如圖1所示。

圖1 隧道洞口Fig.1 Tunnel entrance

2 特大斷面隧道Ⅴ級(jí)圍巖變形隨時(shí)間變化規(guī)律分析

山體結(jié)構(gòu)在未受到外力擾動(dòng)時(shí)，巖層內(nèi)部每個(gè)質(zhì)點(diǎn)在天然應(yīng)力作用下達(dá)到平衡，山體圍巖處于自穩(wěn)狀態(tài)，圍巖變形隨著時(shí)間的變化可以忽略。當(dāng)隧道穿越山體結(jié)構(gòu)時(shí)，掌子面開挖造成原有巖土體缺失，巖層爆破等外力對(duì)山體結(jié)構(gòu)造成擾動(dòng)，圍巖內(nèi)部應(yīng)力平衡被打破，洞壁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，洞壁應(yīng)力超過圍巖屈服極限，致使圍巖整體強(qiáng)度降低，隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生膨脹變形、破壞。此時(shí)，圍巖處于塑性狀態(tài)，形成塑性松動(dòng)圈，出現(xiàn)隧道圍巖變形時(shí)間效應(yīng)?；诘牢嵘教亻L隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，選取斷面YK1+501(Ⅴ級(jí)圍巖)進(jìn)行圍巖變形隨時(shí)間變化規(guī)律分析。

YK1+501斷面隧道頂板圍巖厚0～80 m，上覆殘破基層為硬塑粉質(zhì)黏土；下伏基巖為砂質(zhì)板巖，中風(fēng)化層巖石較堅(jiān)硬，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，開挖工法為交叉中隔墻(cross diaphragm,CRD)法。YK1+501斷面拱頂沉降及收斂變化時(shí)程曲線、拱頂沉降及收斂速率時(shí)程曲線如圖2、圖3所示。

圖2 拱頂沉降及收斂變化時(shí)程曲線Fig.2 Time-history curve of vault settlement and convergence

圖3 拱頂沉降及收斂速率時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of vault settlement and convergence rate

分析圖2可知，隧道開挖，馬上施做初期支護(hù)后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂過程分為3個(gè)階段。第1個(gè)階段為圍巖開挖后1～7 d，第7天拱頂沉降累計(jì)值達(dá)7.21 mm，占監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)累計(jì)總沉降的66.21%，水平收斂位移累計(jì)值達(dá)6.20 mm，占監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)累計(jì)水平收斂位移的72.26%。該階段圍巖變形隨著時(shí)間變化急速增長，拱頂沉降及水平收斂位移均變化較大，圍巖變形時(shí)間效應(yīng)明顯，稱為急劇變形階段。第2階段為圍巖開挖后8～25 d，第25天拱頂沉降累計(jì)值達(dá)10.33 mm，占監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)累計(jì)總沉降的95%；水平收斂位移累計(jì)值達(dá)8.19 mm，占監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)累計(jì)水平收斂位移的95.45%；該階段圍巖變形隨著時(shí)間變化緩慢增長，拱頂沉降及水平收斂位移均變化較小，逐漸趨于穩(wěn)定，圍巖變形時(shí)間效應(yīng)減弱，稱為緩慢變形階段。第3階段為圍巖開挖后25 d以后，該階段圍巖變形隨著時(shí)間變化基本不再增長，拱頂沉降及水平收斂位移趨于穩(wěn)定，圍巖變形時(shí)間效應(yīng)基本消失，稱為穩(wěn)定階段。

分析圖3可知，隧道開挖，馬上施做初期支護(hù)后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率整體呈現(xiàn)先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定，逐漸趨于零的規(guī)律。隧道開挖1 d后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率均達(dá)到最大值，分別為2.03、1.75 mm/d；隧道開挖2～25 d，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率逐漸減小，趨于穩(wěn)定；隧道開挖25 d以后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率接近于零，基本不再變化。

結(jié)合圖2、圖3分析可知，隧道開挖，施做初期支護(hù)25 d后，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂均趨于穩(wěn)定，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率接近于零，表明該段隧道圍巖穩(wěn)定性較好，初期支護(hù)施做后，圍巖與初支應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時(shí)初支已全部發(fā)揮作用，是施做二次襯砌最佳時(shí)機(jī)。

3 特大斷面隧道Ⅴ級(jí)圍巖變形隨空間變化規(guī)律分析

隧道斷面開挖，立即施做初期支護(hù)后，圍巖結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力狀態(tài)破壞，在圍巖變形時(shí)間效應(yīng)作用下，圍巖內(nèi)部應(yīng)力重分布，形成新的二次應(yīng)力場(chǎng)，隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂逐漸趨于穩(wěn)定。此時(shí)，隨著隧道掌子面逐步掘進(jìn)過程中，周邊隧道結(jié)構(gòu)體系與掌子面空間距離發(fā)生變化，造成圍巖內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)一步變化，形成三次應(yīng)力場(chǎng)，出現(xiàn)圍巖變形空間效應(yīng)?；诘牢嵘教亻L隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，選取斷面ZK1+520(Ⅴ級(jí)圍巖)進(jìn)行圍巖變形隨空間距離變化規(guī)律分析。

ZK1+520隧道斷面圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，開挖工法為CRD法，每循環(huán)進(jìn)尺為3 m。ZK1+520斷面拱頂沉降及水平收斂變化空間曲線、拱頂沉降及水平收斂速率空間曲線如圖4、圖5所示。

分析圖4可知，隨著隧道掌子面逐步掘進(jìn)過程中，周邊隧道結(jié)構(gòu)體系與掌子面空間距離不斷增大，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂整體呈“對(duì)數(shù)函數(shù)”型增長。當(dāng)ZK1+520監(jiān)測(cè)斷面與掌子面距離約3倍洞徑(45 m)內(nèi)時(shí)，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂增長迅速，分別達(dá)到10.69、9.49 mm，分別是總體拱頂沉降累計(jì)值及洞室圍巖水平收斂累計(jì)值的89%、88.7%；當(dāng)ZK1+520監(jiān)測(cè)斷面與掌子面距離超過3倍洞徑(45 m)內(nèi)時(shí)，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂增長逐漸平緩，趨于穩(wěn)定。

分析圖5可知，隨著隧道掌子面逐步掘進(jìn)過程中，周邊隧道結(jié)構(gòu)體系與掌子面空間距離不斷增大，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率在第一次循環(huán)進(jìn)尺(3 m)開挖完成后分別達(dá)到最大值1.9、1.63 mm/d，之后隨著空間距離的增大逐漸減小，在ZK1+520監(jiān)測(cè)斷面與掌子面距離約3倍洞徑(45 m)時(shí)，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，之后雖有小范圍波動(dòng)，但仍迅速減小，逐漸趨近于零。

圖4 拱頂沉降及收斂變化空間曲線Fig.4 Spatial curve of vault settlement and convergence change

圖5 拱頂沉降及收斂速率變化空間曲線Fig.5 Spatial curve of vault settlement and convergence rate

結(jié)合圖4、圖5分析可知，隧道結(jié)構(gòu)體系與掌子面空間距離約3倍洞徑時(shí)，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂均趨于穩(wěn)定，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率接近于零，表明該段隧道結(jié)構(gòu)體系初期支護(hù)施做后，圍巖與初支應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時(shí)初支已全部發(fā)揮作用，是施做二次襯砌最佳時(shí)機(jī)。同時(shí)證明Ⅴ級(jí)圍巖二襯距離掌子面距離不應(yīng)大于50 m。

4 特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖變形時(shí)空效應(yīng)回歸分析

基于道吾山特長隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，采用SPSS分析軟件，針對(duì)特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖變形時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行回歸分析[13]。結(jié)合前文分析可知，特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及收斂變化時(shí)程曲線、拱頂沉降及收斂變化空間曲線均呈“對(duì)數(shù)函數(shù)”型變化，因此選取對(duì)數(shù)函數(shù)y=aln(1+x)作為擬合回歸曲線方程。

4.1 Ⅴ級(jí)圍巖變形時(shí)間效應(yīng)回歸分析

道吾山特長隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂隨時(shí)間變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

基于道吾山特長隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂隨時(shí)間變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合選取的擬合回歸曲線方程y=aln(1+x)，利用SPSS進(jìn)行回歸分析。經(jīng)擬合計(jì)算得出系數(shù)a。因此，特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降時(shí)程曲線方程為y=2.611ln(1+x)，特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖收斂變化時(shí)程曲線方程為y=3.262ln(1+x)，且模型擬合度R2=0.913，十分趨近于1，說明時(shí)程曲線方程擬合度很好。

4.2 Ⅴ級(jí)圍巖變形時(shí)間效應(yīng)回歸分析

道吾山特長隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂隨空間變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

基于道吾山特長隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂隨空間變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合選取的擬合回歸曲線方程y=aln(1+x)，利用SPSS進(jìn)行回歸分析。經(jīng)擬合計(jì)算得出系數(shù)a。因此，特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降空間曲線方程為y=2.404ln(1+x)，特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖收斂變化空間曲線方程為y=2.68ln(1+x)，且模型擬合度R2=0.948十分趨近于1，說明空間曲線方程擬合度很好。

表2 拱頂沉降及水平收斂隨空間變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring data of vault settlement and horizontal convergence varying with space

5 結(jié)論及工程建議

結(jié)合道吾山特長隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖變形時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行研究，經(jīng)回歸分析得出特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及收斂變化時(shí)程、空間曲線方程。主要結(jié)論及工程建議如下：

(1)隧道開挖，馬上施做初期支護(hù)后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂過程分為3個(gè)階段。第1個(gè)階段為圍巖開挖后1～7 d，圍巖變形時(shí)間效應(yīng)明顯，稱為急劇變形階段；第2階段為圍巖開挖后8～25 d，該階段圍巖變形隨著時(shí)間變化緩慢增長，逐漸趨于穩(wěn)定，圍巖變形時(shí)間效應(yīng)減弱，稱為緩慢變形階段；第3階段為圍巖開挖后25 d以后，該階段圍巖變形隨著時(shí)間變化基本不再增長，圍巖變形時(shí)間效應(yīng)基本消失，稱為穩(wěn)定階段。

(2)隧道開挖，施做初期支護(hù)25 d后，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂均趨于穩(wěn)定，圍巖與初支應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時(shí)是施做二次襯砌最佳時(shí)機(jī)。

(3)隧道結(jié)構(gòu)體系與掌子面空間距離約3倍洞徑時(shí)，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂均趨于穩(wěn)定，是施做二次襯砌最佳時(shí)機(jī)，且Ⅴ級(jí)圍巖二襯距離掌子面距離不應(yīng)大于50 m。

(4)特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及收斂變化時(shí)程曲線方程分別為y=2.611ln(1+x)，y=3.262ln(1+x)。

(5)特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及收斂變化空間曲線方程分別為y=2.404ln(1+x)，y=2.68ln(1+x)。

(6)建議進(jìn)一步完善其他類似隧道工程實(shí)踐驗(yàn)證特大斷面砂質(zhì)板巖隧道Ⅴ級(jí)圍巖拱頂沉降及收斂變化時(shí)程、空間曲線方程。