韋景寧

(鐵道第一工程局四公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

近年來，在我國土木工程建設(shè)中，越來越多地涉及到軟巖工程問題。當(dāng)前，關(guān)于軟巖隧道的變形研究主要有現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等。如:張青龍等［1］研究了富水軟巖隧道的變形特征及其變形機(jī)制;張祉道［2］結(jié)合家竹箐隧道探討了隧道施工中支護(hù)大變形的整治;盧愛紅等［3］通過理論分析和數(shù)值模擬研究了軟巖隧道變形的時(shí)空效應(yīng);王中文等［4］通過考慮圍巖蠕變特性探討了隧道二襯合理支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法;孫元春等［5］研究了軟巖不同變形階段的時(shí)間效應(yīng);莊麗等［6］則對(duì)土質(zhì)隧道的變形及穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究等。由于軟巖隧道開挖過程中受施工擾動(dòng)引起的應(yīng)力釋放大，其變形速率快且又收斂慢、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，如支護(hù)不當(dāng)或不及時(shí)，則極易在開挖過程中產(chǎn)生坍塌等不同范圍的失穩(wěn)事故。由此，有必要還需對(duì)軟巖隧道變形時(shí)間效應(yīng)進(jìn)一步展開研究。

本文結(jié)合湖北省谷(城)竹(溪)高速公路邵家臺(tái)軟巖隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析隧道圍巖變形特征，探討隧道軟巖變形的時(shí)間效應(yīng)和穩(wěn)定特性，以期為軟巖隧道的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)提供參考，并為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程情況

谷(城)竹(溪)高速公路邵家臺(tái)隧道位于湖北省十堰市房縣青峰鎮(zhèn)紅塔鄉(xiāng)黨家灣村境內(nèi)。雙連拱隧道結(jié)構(gòu)形式，建筑界限凈寬23.5 m，凈高5.0 m，雙向四車道，設(shè)計(jì)車速80 km/h，起訖里程樁號(hào):K87+785 ～K88+150，全長(zhǎng) 365 m，最大埋深 54.9 m，省道S305兩次上跨該隧道。隧道設(shè)計(jì)進(jìn)口端為65 m的Ⅴ級(jí)圍巖，出口端為110 m的Ⅴ級(jí)圍巖，其他部分均為Ⅳ級(jí)圍巖，長(zhǎng)190 m，新奧法原理組織施工。

1.2 工程地質(zhì)狀況

在大地構(gòu)造上，邵家臺(tái)隧道位于南秦嶺構(gòu)造帶內(nèi)，處于武當(dāng)山復(fù)背斜南翼。出露及揭露地層顯示:該隧道地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)粘土及志留系梅子埡組()千枚巖、炭質(zhì)片巖，絹云母含量極高，屬變質(zhì)軟巖，結(jié)合巖土層形成時(shí)代、巖性、巖土層特征及風(fēng)化程度，具體描述如下:

Ⅰ粉質(zhì)粘土層:

褐黃色，硬塑，夾雜有少量礫石，分布于隧址區(qū)基巖表面，厚度約 1.3 m;

灰白色，變晶結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為黑云母、長(zhǎng)石、石英等，巖芯呈碎塊狀，最大厚度29.1 m;

灰黑色，變晶結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為黑云母、長(zhǎng)石、石英等，裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱和碎塊狀，采取率為60%，RQD為25%，鉆探揭示最大厚度11.4 m(未揭穿)。

1.3 隧址區(qū)水文狀況

隧址區(qū)地表水系不發(fā)育，主要為大氣降水形成的地表面流及山體溝谷內(nèi)季節(jié)性徑流。地下水主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，松散巖類孔隙水賦存于第四系松散堆積物中，易滲透流失;基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中，大氣降水補(bǔ)給，受巖石完整性及裂隙開啟程度制約，沿基巖風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙等向地勢(shì)低凹處呈脈狀、線狀排泄。水質(zhì)試驗(yàn)表明，地表水、地下水對(duì)混凝土無腐蝕性。

2 邵家臺(tái)隧道圍巖位移變形監(jiān)測(cè)方案

為及時(shí)掌握施工中隧道圍巖穩(wěn)定程度與支護(hù)變形動(dòng)態(tài)信息，對(duì)隧道實(shí)施監(jiān)控量測(cè)是十分必要的。通過對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析和判斷，對(duì)圍巖—支護(hù)體系的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，掌握邵家臺(tái)隧道施工過程中圍巖變形動(dòng)態(tài)信息及穩(wěn)定程度，確定合理施工措施，確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

邵家臺(tái)隧道圍巖變形情況采用收斂變形監(jiān)測(cè)。由于掌子面開挖完成后，立即進(jìn)行初次支護(hù)，故監(jiān)測(cè)環(huán)直接焊接在拱架上，收斂計(jì)測(cè)量精度為0.01 mm。監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)布設(shè)間距:Ⅳ級(jí)圍巖不大于25 m，Ⅴ級(jí)圍巖應(yīng)小于20 m，當(dāng)隧道圍巖發(fā)生變化時(shí)適當(dāng)加密，同時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)盡可能靠近工作面0.5 m～2 m處埋設(shè)，初讀數(shù)在開挖后12 h～24 h進(jìn)行，且在下一循環(huán)開挖前，完成初期變形值的讀數(shù)。

3 邵家臺(tái)隧道圍巖變形時(shí)間效應(yīng)

隧道圍巖的變形是在一系列復(fù)雜應(yīng)力條件下的綜合反映。研究隧道圍巖位移變形規(guī)律，探討其變形的時(shí)間效應(yīng)特征，評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性，有助于軟巖隧洞安全施工作業(yè)。

3.1 邵家臺(tái)隧道圍巖變形特點(diǎn)

結(jié)合邵家臺(tái)隧道圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，選取典型監(jiān)測(cè)斷面K87+815，K87+820，K87+826監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，其位移隨時(shí)間變化情況如圖1所示。

圖1 代表性監(jiān)測(cè)斷面累計(jì)位移—時(shí)間曲線圖

從圖1可以看出，邵家臺(tái)隧道圍巖收斂變形具有以下特點(diǎn):

1)邵家臺(tái)隧道各斷面圍巖位移收斂變形—時(shí)間變化曲線過程形狀相似，變形均有明顯“階梯”形，階梯發(fā)生時(shí)間在隧道開挖后3 d～4 d左右出現(xiàn);

2)隧道圍巖變形歷時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，初期發(fā)展較快，持續(xù)時(shí)間9 d～15 d，位移較大，約達(dá)累計(jì)收斂的85%～90%，伴隨時(shí)間延長(zhǎng)，隧道圍巖累計(jì)位移逐漸趨向穩(wěn)定。

3.2 邵家臺(tái)隧道圍巖變形時(shí)間效應(yīng)

隧道開挖后，其圍巖應(yīng)力隨著其空間約束釋放和時(shí)間的推移而逐步釋放。在軟巖隧道施工中，伴隨掌子面開挖及掌子面開挖停止，圍巖變形主要表現(xiàn)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)增長(zhǎng)。

對(duì)邵家臺(tái)隧道圍巖典型監(jiān)測(cè)斷面K87+815，K87+820，K87+826現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析研究，探討隧道圍巖收斂變形隨時(shí)間變化的關(guān)系。回歸擬合結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)斷面收斂變形回歸分析結(jié)果

從表1可以看出，各回歸方程的相關(guān)系數(shù)都在0.97以上，相關(guān)性好，回歸方程能反映邵家臺(tái)軟巖隧道圍巖的變形趨勢(shì)，結(jié)果可靠性強(qiáng)。

結(jié)合圖1，表1分析，邵家臺(tái)軟巖隧道掌子面在前期連續(xù)開挖過程中，隧洞變形主要表現(xiàn)為彈性變形，并在瞬間釋放完畢，變形急劇增長(zhǎng);在某一時(shí)間點(diǎn)后圍巖變形速度減緩，隨著時(shí)間的延續(xù)，圍巖位移演變?cè)诶^續(xù)增加。當(dāng)t→∞時(shí)，由回歸擬合方程知，斷面K87+815最終變形位移為303.03 mm;斷面K87+820最終變形位移為322.58 mm;斷面K87+826最終變形位移為161.29 mm，均大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值。由此看見，隨著掌子面在連續(xù)開挖，即使處于空間約束條件下，軟巖圍巖變形時(shí)間效應(yīng)還是很明顯的。

時(shí)間效應(yīng)的影響，使隧道變形表現(xiàn)于緩慢增長(zhǎng)，其變形速率小，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變形量大。因此，對(duì)于初期支護(hù)后的斷面，應(yīng)從施工手段上減小時(shí)間效應(yīng)的影響，避免初期支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。

3.3 邵家臺(tái)隧道圍巖變形穩(wěn)定性研究

隧道圍巖變形穩(wěn)定性通常認(rèn)為是隧道圍巖變形基本穩(wěn)定，一次支護(hù)結(jié)構(gòu)不會(huì)因產(chǎn)生過大變形而破壞，同時(shí)二次襯砌承擔(dān)較小的形變載荷。

結(jié)合邵家臺(tái)隧道圍巖變形時(shí)間效應(yīng)確定位移收斂變形的極限值，評(píng)價(jià)其圍巖穩(wěn)定性，判斷圍巖變形穩(wěn)定時(shí)間，確定軟巖隧道二次襯砌施作時(shí)，可使得現(xiàn)場(chǎng)施工過程得以優(yōu)化。

利用表1回歸方程，以圍巖變形速率判定隧道圍巖穩(wěn)定性。設(shè)定A為變形穩(wěn)定判定值，當(dāng)時(shí)，即可以認(rèn)為隧道圍巖變形處于穩(wěn)定階段，即可進(jìn)行二次襯砌。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，考慮到隧洞長(zhǎng)期施工，為確保隧洞的安全，施工中取邵家臺(tái)隧道變形穩(wěn)定判定值A(chǔ)=2.50 mm/d，則各斷面圍巖變形穩(wěn)定時(shí)間分別為:K87+815斷面，穩(wěn)定時(shí)間14 d，du/dt=2.18＜A，變形量占變形總量的80%;K87+820斷面，穩(wěn)定時(shí)間9 d，du/dt=1.41＜A，變形量占變形總量的83%;K87+826斷面，穩(wěn)定時(shí)間13 d，du/dt=2.15＜A，變形量占變形總量的81%。由此可見，隧道斷面K87+815，K87+820，K87+826在掌子面開挖14 d，9 d，13 d后進(jìn)行二次襯砌施作應(yīng)當(dāng)是合理的?，F(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際也表明，計(jì)算與實(shí)際吻合良好。

4 結(jié)語

基于邵家臺(tái)隧道地質(zhì)施工狀況，確立了邵家臺(tái)隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)方案，并且研究了隧道圍巖的變形特征，探討了時(shí)間效應(yīng)下隧道圍巖變形過程以及其隧道圍巖的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明邵家臺(tái)軟巖隧道變形演變具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。由此，在邵家臺(tái)軟巖隧道施工過程中，要盡量減少對(duì)隧道圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)，要采取預(yù)先必要措施，提高隧道圍巖強(qiáng)度，控制時(shí)間效應(yīng)的影響，確保隧道施工安全。

［1］張青龍，李 寧，曲 星，等.富水軟巖隧洞變形特征及變形機(jī)制分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(11):2196-2202.

［2］張祉道.家竹箐隧道施工中支護(hù)大變形的整治［J］.世界隧道，1997(1):7-16.

［3］盧愛紅，茅獻(xiàn)彪，彭維紅.軟巖巷道的彈—黏塑性分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(3):313-317.

［4］王中文，方建勤，夏才初，等.考慮圍巖蠕變特性的隧道二襯合理支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(S1):3241-3246.

［5］孫元春，尚彥軍.巖石隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16(2):211-215.

［6］莊 麗，周順華.淺埋層狀大跨度土質(zhì)隧道變形及穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(S2):3360-3366.