軟巖大變形隧道支護結構響應規(guī)律研究

王治才，孫巍鋒，楊萬里，王 凱，羅 鑫

(1.甘肅長達路業(yè)有限責任公司，甘肅 蘭州 730030；2.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054；3.甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730000；4.長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064)

0 引言

公路交通的飛快發(fā)展產(chǎn)生了數(shù)量眾多的山區(qū)公路隧道，其中某些公路隧道因穿越地質(zhì)條件復雜區(qū)域而使得隧道病害頻發(fā)，給隧道的順利施工造成了諸多困難[1-5]。軟巖大變形災害是隧道施工的世界性難題，軟弱圍巖在地應力與水等因素作用下會產(chǎn)生具有累計時間效應的不可約束塑性變形[6]，大變形控制在保障軟巖隧道安全施工過程中起著重要作用。為此，一些學者開展了軟巖大變形隧道的相關研究。

研究主要集中在隧道軟巖大變形機制與處治措施方面。張羽軍等[5]研究了成都—貴陽高速鐵路高坡隧道中出現(xiàn)的煤系地層軟巖大變形病害，認為軟質(zhì)巖強度低、地下水、圍巖膨脹性、地應力、群洞效應等綜合因素導致了大變形災害的發(fā)生，并建議加強初期支護強度。高美奔等[6]對國內(nèi)外12座軟巖大變形隧道進行了分析，認為恒阻大變形錨桿[7]、小直徑錨索與鋼纖維噴射混凝土等特殊支護措施在處治軟巖大變形隧道方面具有廣闊應用前景。Kimura等[8]與Ayaydin等[9]先后在日本與奧地利的軟巖大變形隧道中采用可伸縮支架與長錨桿控制大變形。胡鵬等[10]驗證了長錨桿措施在白馬隧道軟弱圍巖變形控制中的有效性和實用性。李國良等[11]介紹了烏鞘嶺軟巖大變形隧道采用雙層初支與雙層襯砌的支護方案。雷升祥等[12]開展了理論和數(shù)值模擬分析研究，認為環(huán)向讓壓支護有剛-柔-剛的優(yōu)良受力特性，可與高地應力軟巖的流變相適應。何滿潮等[13]基于能量釋放的讓壓支護理念，發(fā)明了自適應鋼拱架支點用于軟巖大變形隧道，能夠顯著降低圍巖壓力。此外，一些學者基于現(xiàn)場監(jiān)測分析了軟巖大變形隧道的變形特征和穩(wěn)定性。伍毅敏等[14]探索采用激光監(jiān)測技術開展隧道大變形災害遠程監(jiān)測。王英帆等[15]對高地應力軟巖大變形隧道的圍巖變形、鋼拱架應力、圍巖壓力進行了現(xiàn)場監(jiān)測，揭示了上臺階開挖過程是圍巖變形快速增長階段與初期鋼拱架主要受壓力階段等規(guī)律，建議施工時可采用“先讓后抗”的方法。郭健等[16]監(jiān)測了公路炭質(zhì)板巖軟巖大變形隧道的圍巖變形、初支與二襯內(nèi)力，揭示了上臺階開挖是圍巖變形的主要階段，圍巖變形呈“左小右大”的不對稱模式，斷面的鋼拱架應力分布呈“上大下小”模式。李磊等[17]開展了擠壓性破碎軟巖大變形隧道現(xiàn)場監(jiān)測研究，揭示了施工期間圍巖變形量大、速率快且持續(xù)時間長，圍巖的擠壓流動現(xiàn)象明顯，初支鋼架多為屈服承載或破壞。總體來看，針對軟巖大變形隧道的處治措施研究較多，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對軟巖大變形隧道支護結構的響應規(guī)律研究還相對較少。

不同地區(qū)軟巖大變形隧道往往具有不同的特點，開展不同類型軟巖大變形隧道支護結構響應規(guī)律的現(xiàn)場實測研究，有利于了解真實的圍巖變形、支護結構受力與圍壓壓力的規(guī)律和模式，以便確保合理的設計與施工。為此，以甘肅某偏壓層狀軟巖大變形隧道為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對典型斷面的初支變形、初支拱架受力、圍巖-初支間接觸壓力、初支-二襯間接觸壓力和二襯混凝土受力情況進行分析，以揭示隧道支護結構響應規(guī)律及其協(xié)調(diào)變形機理。

1 工程概況

甘肅省某分離式雙向四車道公路沿線的長大埋深軟巖大變形隧道，全長3.7 km，最大埋深1 030 m。隧道斷面凈寬與凈高分別為10.25 m和12 m，隧道左右洞凈距35 m。隧道圍巖以節(jié)理發(fā)育和強度低的千枚巖為主，圍巖巖塊單軸抗壓強度平均值約為10 MPa，圍巖等級為Ⅳ級。隧道大致走向為NE31°，圍巖巖層產(chǎn)狀近似為110°∠60°。隧道建設區(qū)內(nèi)的最小與最大水平主應力范圍分別為7.4～9.6 MPa和10.3～11.5 MPa。最大水平主應力方向范圍為SE45°～SE59°。在隧道施工與支護過程中，隧道掌子面、圍巖、支護結構與仰拱分別易產(chǎn)生坍塌、大變形、開裂和隆起病害。隧道開挖采用三臺階方法，支護加固基于新奧法，圍巖加固措施及參數(shù)見表1。

表1 圍巖加固措施及參數(shù)

2 監(jiān)測方案

為預防隧道變形破壞的發(fā)生，揭示隧道支護結構響應規(guī)律，選擇隧道典型斷面開展初支拱頂下沉、初支水平收斂變形、圍巖與初支間接觸壓力、初支拱架受力、初支與二襯間接觸壓力和二襯混凝土受力監(jiān)測，具體監(jiān)測方案如圖1所示。拱頂下沉監(jiān)測點與水平收斂監(jiān)測點(變形監(jiān)測點)設在首層初支上，監(jiān)測點m1與m3用于監(jiān)測水平收斂，監(jiān)測點m2用于監(jiān)測拱頂下沉。拱頂下沉監(jiān)測設備采用自動安平水準儀(AT-G2型，測量精度0.1 mm)與銦鋼尺，水平收斂監(jiān)測儀器采用數(shù)字顯示式收斂計(JSS30A型，測量精度0.1 mm)。接觸壓力、拱架受力和混凝土受力監(jiān)測分別采用振弦式土壓力盒、表面應變計和埋設式應變計，其現(xiàn)場布設情況見圖2。土壓力盒設置在圍巖和首層初支之間用以監(jiān)測二者間的接觸壓力，設置在次層初支與二襯之間用以監(jiān)測二者間的接觸壓力。表面應變計軸向與隧道走向保持垂直，焊接在首層初支H175型鋼拱架上的2個卡扣將其固定，用以監(jiān)測鋼拱架受力情況。埋入式應變計軸向與隧道走向垂直，用扎絲固定在二襯鋼筋網(wǎng)的主筋上，用于監(jiān)測二襯混凝土的受力情況。各斷面具體監(jiān)測方案見表2。

表2 隧道典型斷面監(jiān)測方案

圖1 典型隧道斷面監(jiān)測方案

3 監(jiān)測結果分析

3.1 首層初支拱頂下沉與水平收斂

監(jiān)測斷面的首層初支拱頂下沉量及其速率歷時曲線見圖2，水平收斂及其速率歷時曲線見圖3。從拱頂下沉與水平收斂曲線的整體變化趨勢來看，初支變形可呈現(xiàn)明顯的3階段變形特點：下導支護前的快速增長階段、下導支護后的正常增長階段、仰拱閉合后的緩慢增長階段。

圖2 首層初支拱頂下沉量及其速率歷時曲線

圖3 首層初支水平收斂及其速率歷時曲線

隧道上導洞開挖會造成圍壓的應力重分布，而上導洞支護結構的拱腳支撐在軟弱巖體上，且上導洞支護強度還在不斷增加，導致了拱頂下沉與水平收斂在下導支護前的快速增長。下導洞支護后，圍巖應力重分布調(diào)整有所變?nèi)酰又聦Ф粗ёo結構會支撐在預制混凝土塊上，導致拱頂下沉與水平收斂在下導洞支護后的正常增長。仰拱封閉后，隧道初支拱架形成整體圓狀受力結構，圍巖應力重分布調(diào)整更弱，導致了拱頂下沉與水平收斂在仰拱閉合后的緩慢增長。斷面YK86+230的拱頂下沉在仰拱閉合后表現(xiàn)出快速增長趨勢，這主要受斷面附近更差的圍巖質(zhì)量影響。圍巖質(zhì)量越差，初支結構受力越大，導致在局部受力較大的拱架連接處出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象，從而使得拱頂下沉在仰拱閉合后表現(xiàn)出快速增長特征。

從拱頂下沉與水平收斂曲線的最終量值來看，ZK86+050，ZK86+090，YK86+120，YK86+230斷面的拱頂下沉量在60 d左右后分別達到108，122，142，166 mm，平均拱頂下沉量約為135 mm。拱頂下沉速率在60 d左右后分別達到1.7，1.9，2.2，3.0 mm/d，平均拱頂下沉速率為2.2 mm/d。水平收斂量在60 d左右后分別達到243，220，225，171 mm，平均水平收斂量約為215 mm，平均相對水平收斂量約為2%。水平收斂速率在60 d左右后分別達到3.7，3.4，3.5，2.5 mm/d，平均水平收斂速率為3 mm/d。僅從拱頂下沉速率和水平收斂速率最終量值來看，不能滿足規(guī)范[18]上圍巖變形速率小于0.2 mm/d時才基本穩(wěn)定的一般規(guī)定?？梢?，對于軟巖大變形隧道，蠕變持續(xù)時間較長，若通過變形速率判斷圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)需2個月以上或更長時間，易耽誤施工工期，且可能造成圍巖及支護結構的變形破壞。

所監(jiān)測的軟巖大變形隧道基于新奧法施工，采用了“讓壓為主且先讓后抗”的支護理念，對于初支的柔性支護而言，需要與軟弱圍巖一起協(xié)調(diào)變形以便達到新的穩(wěn)定平衡。因監(jiān)測隧道巖性軟且自穩(wěn)性差，具有明顯的蠕變特點，長期蠕變?nèi)菀讓е聡鷰r松動圈的充分擴展，使得初期支護的軟弱圍巖較難發(fā)揮作為支護承載體組成部分的作用。因此，對于類似大軟巖大變形隧道，初期支護應采用強剛性主動支護方案，張羽軍等[5]的研究也印證了此點。

3.2 首層初支拱架受力

各監(jiān)測斷面首層初支拱架受力分布見圖4。由圖4可知，監(jiān)測斷面首層初支拱架受力并不均勻，有的部位受拉，有的部位受壓，總體規(guī)律呈現(xiàn)兩側受拉-頂部受壓和頂部受拉-兩側受壓2種類型。拱架受力特征表明,隧道初支作為柔性薄層與圍巖產(chǎn)生了協(xié)調(diào)變形，且圍巖的地質(zhì)特征決定了初支拱架的受力狀態(tài)。

圖4 監(jiān)測斷面首層初支拱架受力分布(拉為正，壓為負)

因隧址區(qū)巖層傾向與隧道走向近似平行且?guī)r層傾角約60°，隧道圍巖開挖后形成臨空空間，在初支后會存在滑移變形(沿著巖層走向的圍巖變形)和潰屈變形(垂直于巖層走向的圍巖變形)2種情況，如圖5所示。當以沿著巖層走向的圍巖變形為主時，沿巖層走向的巖體質(zhì)量較差且變形較大，圍巖變形會主要擠壓初支拱架頂部，導致拱頂拱架以受壓為主(圖5(a))。當以垂直巖層走向的圍巖變形為主時，垂直于巖層走向的巖層較薄、較差且變形較大，圍巖變形會主要擠壓初支拱架兩側，導致兩側拱架以受壓為主(圖5(b))。監(jiān)測斷面ZK86+050與ZK86+070拱架受力分布形式為兩側受拉-頂部受壓型，最大拱架拉力與最小拱架壓力分別為258.2 MPa 與-248.9 MPa，反映了隧道斷面以沿著巖層走向的圍巖變形為主；監(jiān)測斷面ZK86+090與YK86+120拱架受力分布形式為頂部受拉-兩側受壓型，最大拱架拉力與最小拱架壓力分別為289.3 MPa 與-380.0 MPa，反映了隧道斷面以垂直于巖層走向的圍巖變形為主。

圖5 圍巖變形的2種主要情況

3.3 圍巖-初支和初支-二襯間的接觸壓力

監(jiān)測斷面圍巖-初支和初支-二襯間的接觸壓力分布見圖6。由圖6可知，斷面圍巖-初支間接觸壓力和初支-二襯間接觸壓力的偏向方向出現(xiàn)了近似90°的偏轉。ZK86+090斷面圍巖-初支間的接觸壓力呈沿著巖層走向偏壓型，而初支-二襯間的接觸壓力呈垂直巖層走向偏壓型；YK86+120斷面圍巖-初支間的接觸壓力呈垂直巖層走向偏壓型，而初支-二襯間的接觸壓力呈沿著巖層走向偏壓型。這種現(xiàn)象表明，因二襯結構具有較大的強度和剛度，可對初支結構的受力狀態(tài)進行顯著的調(diào)節(jié)。

圖6 監(jiān)測斷面的接觸壓力分布

將監(jiān)測斷面圍壓-初支和初支-二襯間的接觸壓力整理到表3中，可用于分析初支與二襯的荷載分擔情況。表3中初支荷載分擔百分比等于圍壓-初支接觸壓力除以其與初支-二襯接觸壓力之和。監(jiān)測斷面ZK86+090與YK86+120的平均初支荷載分擔百分比分別為57.7%和74.5%。斷面ZK86+090拱頂與右拱腰處的初支荷載分擔百分比較大，分別為66%和97%；斷面YK86+120左拱腰、右拱腰和右拱腳處的初支荷載分擔百分比較大，分別為100%，97%，100%。

表3 初支與二襯的荷載分擔情況

結合圍巖變形與初支拱架受力分析結果可知，當圍巖以滑移變形為主時，拱頂與右拱腰處容易承受較大的圍壓壓力，導致這些位置處的初支荷載分擔百分比較大；當圍巖以潰屈變形為主時，左拱腰、右拱腰和右拱腳處容易承受較大的圍壓壓力，導致這些位置處的初支荷載分擔百分比較大。此外，因圍巖-初支間接觸壓力沿著巖層走向的偏壓，導致在近似垂直于巖層走向的拱架內(nèi)部受壓；或因圍巖-初支間接觸壓力垂直于巖層走向的偏壓，導致在近似沿著巖層走向的拱架內(nèi)部受壓，使得初支-二襯間接觸壓力的偏壓方向出現(xiàn)了近似90°偏轉。

3.4 二襯混凝土受力

監(jiān)測斷面二襯混凝土受力分布見圖7。由圖7可知，二襯混凝土受力也不均勻，有的地方受壓，有的地方受拉；ZK86+090斷面二襯混凝土的最小拉應力和最大壓應力分別為-6.5 MPa和0.9 MPa，YK86+120斷面二襯混凝土的最小拉應力和最大壓應力分別為-1.0 MPa和1.3 MPa。

圖7 監(jiān)測斷面二襯混凝土受力分布(拉為正，壓為負)

二襯混凝土受力的不均勻性與圍壓壓力偏壓型密切相關，在承受來自初支的接觸壓力后，導致二襯結構進行應力調(diào)整分配，導致不同部位承受拉壓力的差異性。從表1可看出，二襯結構的主筋抗拉強度設計值可達到300 MPa，而混凝土的抗壓強度可達到16.7 MPa?？梢?，隧道二襯除作為安全儲備外還具有調(diào)整圍壓壓力偏壓方向的作用。

4 支護結構協(xié)同受力分析

隧道施工打破了圍巖巖體的原有應力平衡，巖體為尋求新的平衡而向臨空面發(fā)生持續(xù)變形，隧道各支護結構的目的是與圍巖有機結合起來，形成完整的隧道支護體系，各支護結構相互補充、促進，在隧道施工及運營過程中發(fā)揮協(xié)同作用共同承受圍巖壓力并協(xié)助圍巖承載，其本質(zhì)是各支護結構之間存在增益效應，在協(xié)同作用下，各支護結構性能得到最大程度的發(fā)揮。

結合各支護結構的受力特征及隧道收斂變形情況，可知初期支護在完整支護體系中起到核心作用，隧道開挖后，圍巖應力迅速調(diào)整，拱頂沉降與側向收斂速率急劇增大，隨著初支與圍巖形成初始支護體系，隧道變形速率開始減小，逐漸達成新的應力平衡狀態(tài)，此時初期支護作為承載圍巖的主體結構，控制圍巖收斂。二次襯砌除作為安全儲備外還具有調(diào)整圍壓壓力偏壓方向的作用，二次襯砌結構施加后，初期支護荷載部分通過交界面?zhèn)鬟f至二次襯砌，各支護結構進行重新應力分配，使得初支-二襯間接觸壓力相對圍巖-初支間接觸壓力分布呈現(xiàn)近似90°偏轉，此時圍巖與支護體系形成新的動態(tài)平衡，隧道變形速率進一步減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，至此隧道完整支護體系形成，完整支護體系將對隧道應力釋放長期發(fā)揮作用。

5 結論

以甘肅某軟巖大變形公路隧道為研究對象，選擇其典型斷面開展了初支拱頂與水平收斂、初支拱架受力、圍巖-初支間接觸壓力、初支-二襯間接觸壓力和二襯混凝土受力監(jiān)測分析，對軟巖大變形隧道支護結構響應規(guī)律進行了研究，得到以下主要結論：

(1)初支變形過程可分為下導支護前的快速增長階段、下導支護后的正常增長階段、仰拱閉合后的緩慢增長階段。但對于局部斷面，圍巖質(zhì)量越差，初支結構受力越大，即使在仰拱閉合后也會導致初支變形的加速增長，此時需加強初支支護參數(shù)。

(2)軟巖大變形隧道初支變形速率在近2個月后還難以達到規(guī)范規(guī)定的圍巖穩(wěn)定標準，易耽誤施工工期且可能導致圍巖及支護結構的變形破壞。對于此類隧道而言，新奧法施工方案難以適用，建議初支采用強剛性主動支護方案。

(3)受圍巖巖體產(chǎn)狀和質(zhì)量的控制，初支拱架受力分布規(guī)律呈現(xiàn)出兩側受拉-頂部受壓和頂部受拉-兩側受壓2種類型。斷面內(nèi)沿著巖層走向的滑移變形導致了兩側受拉-頂部受壓型的拱架受力狀態(tài)，而垂直于巖層走向的潰屈變形導致了頂部受拉-兩側受壓型的拱架受力狀態(tài)。

(4)圍巖-初支間的接觸壓力與初支-二襯間的接觸壓力分布規(guī)律均呈現(xiàn)出沿著巖層走向偏壓型和垂直巖層走向偏壓型2種類型。圍巖-初支間接觸壓力的分布規(guī)律不同導致拱架內(nèi)部受力方式不同，從而進一步影響初支-二襯間的接觸壓力，使其相對圍巖-初支間接觸壓力分布出現(xiàn)了近似90°的偏轉。

(5)二襯混凝土在承受來自初支的接觸壓力后進行應力調(diào)整分配，導致了不同部位承受拉壓力的差異性，但仍具有較高安全儲備。

(6)隧道各支護體系發(fā)揮協(xié)同作用動態(tài)調(diào)整圍巖壓力，單一支護結構的失效可能導致整個支護體系的崩潰，對于軟巖大變形隧道可結合完整支護體系對不同結構分別設計，從而選擇合適的支護方案以達到支護體系最優(yōu)協(xié)同度，使各支護結構性能利用率達到最優(yōu)。