监控量测技术在强风化膏溶角砾岩隧道施工中的应用

孙明磊，李文江，刘志春

(石家庄铁道学院 土木工程分院，石家庄 050043)

石太线太行山隧道全长27 848 m，设计为单线双洞、线间距35 m。太行山隧道累计穿越了4 410 m长的膏溶角砾岩地层，在我国乃至世界属首次。

膏溶角砾岩是含膏盐岩系中的易溶硫酸盐岩(CaSO4)溶蚀后残余的碳酸盐岩组分及杂质原位堆积而成的角砾岩，也是工程勘察中新发现的特殊性岩土类型。其物质组成主要有泥灰岩、硬石膏及石灰岩岩矿物构成，胶结程度极差，暴露易酥裂，遇水易崩解，饱和单轴抗压强度极低(0.11～0.41 MPa)，并呈弱 ～中等膨胀性，并且这类岩石遇水则强度很快降低，极易崩解软化[1]。

膏溶角砾岩根据风化程度的不同，可划分为全风化膏溶角砾岩、强风化膏溶角砾岩和未风化膏溶角砾岩3种类型。其中，强风化的膏溶角砾岩，其风化较强烈，岩石结构、构造已基本被破坏，主要由黏土和残余角砾组成，含水量较大时，呈泥混石结构[2]。膏溶角砾岩强风化后为类似具有碎石状结构的破碎的极软岩体，从力学强度划分其属于极软岩系列，为软岩硬土;其工程力学性质差，开挖过程中拱部易掉块和坍塌，对隧道施工非常不利。目前，针对这种特殊的岩体，缺乏在该种地层中修建隧道的成功经验，比如合理的断面型式、支护衬砌等，也缺乏处理这种不良地质问题的施工经验[1]。

为确保施工安全，进一步指导后续施工，在隧道施工过程中进行了系统的监控量测，根据实测数据，深入分析强风化膏溶角砾岩区段隧道支护结构应力、压力的发展规律及分布特征，掌握围岩的动态和支护结构的工作状态，及时反馈信息以便优化支护参数、调整施工方法。同时希望能为今后类似工程的设计、施工和研究提供有益借鉴和参考。

1 试验段概况及施工情况

试验段选择在太行山隧道5#斜井工区 Z4标，该标段中 DK84+965～DK85+785，累计1 640 m(单洞)，位于奥陶系中统上马家沟组一段膏溶角砾岩及断层破碎带，岩体极破碎，呈散体状结构，属极软岩，为强风化膏溶角砾岩，围岩分级为Ⅴ级。隧道开挖后稳定时间很短，容易发生坍塌和大变形，遇水则强度很快降低，极易崩解软化，区段地下水较发育，具有弱至中等膨胀性，易坍塌冒落，是太行山隧道项目施工的重点与难点[2]。

该区段隧道设计标准断面为马蹄形，净空面积71.19 m2，跨度8.60 m，高度10.03 m。隧道洞身设计为Ⅴ级膏溶角砾岩复合式衬砌，初期支护采用C25喷混凝土，厚30 cm，由喷混凝土加微纤维、锚杆、I16工字钢钢架组成。锚杆拱墙布置，环、纵间距为1.00 m和0.75 m，梅花状布置。拱墙采用HCB25N组合式中空注浆锚杆，长6.0 m。I16工字钢钢架拱、墙、仰拱架设，每0.75m设1榀。钢筋网拱、墙、仰拱布置，沿断面纵向采用φ6 mm钢筋，环向采用φ8 mm钢筋，网格间距15 cm×15 cm。二次衬砌采用厚55 cm的C30钢筋混凝土。实际施工中初期支护厚25 cm，锚杆长度5 m。台阶法开挖，开挖进尺3 m，设计台阶长度10 m左右(实际施工中45 m左右)，下台阶左右两侧交错落底[1]。

针对强风化膏溶角砾岩特性，施工中采取了先堵水、短进尺、强支护、早封闭、锁脚锚杆、保护基底等措施，防止发生坍塌、大变形，保证围岩及支护衬砌安全稳定[1-2]。

2 监控量测实施情况

在5#斜井工区强风化膏溶角砾岩区段左线分别选择DK85+122、DK85+137两个测试断面，进行了围岩压力、锚杆轴力、初支混凝土应力、初支钢架应力、二次衬砌接触压力、二次衬砌钢筋应力及二次衬砌混凝土应力。量测仪器全部选用钢弦式传感器，SS-Ⅱ袖珍数字钢弦频率接收仪接收数据。测点布置如图1所示[3]。各量测项目的量测方法如下:

图1 5#斜井工区断面测点布置

1)锚杆轴力:每断面设置6根量测锚杆，锚杆长5 m，5个测点，测点间距1 m。爆破后，台车或风枪成孔，机械锚固安装，量测频率1次/d，直至轴力基本稳定。

2)初支围岩压力和二次衬砌接触压力:采用振弦式双膜压力盒，量测频率1次/d，直至压力基本稳定。

3)钢筋应力:采用钢筋计或外贴振弦式应变计，量测频率1次/d，直至应力基本稳定。

4)混凝土应力:采用埋入式混凝土应变计，量测频率1次/d，直至应力基本稳定。

3 量测结果及分析

3.1 锚杆轴力

通过对锚杆轴力变化过程的监测，可以了解锚杆的工作状态，判断锚杆对围岩的支护效果。

各断面实测锚杆轴力结果如表1所示。图2为DK85+122断面实测锚杆轴力分布图。图3为DK85+122断面右拱脚不同深度处锚杆轴力随时间变化曲线(锚杆轴力受拉为正，受压为负)。

测试结果显示，所测锚杆轴力墙腰处小，拱腰及拱脚处较大。锚杆轴力均未超过锚杆的设计强度。锚杆轴力呈现出“中间大、两头小”的分布形式，最大值在锚杆中段。轴力最大值达到104.25 kN，接近锚杆的设计强度，锚杆长度略显不足，应采用设计长度6m。锚杆在埋设后待砂浆达到一定强度后即可承载，10 d左右锚杆轴力即达到最终轴力的50%，且轴力随下台阶开挖显著增大(增大值为最终轴力值的40%左右)，之后锚杆轴力变化较平缓。二次衬砌施作对轴力也有一定影响，由于二次衬砌承担了一部分荷载，导致二次衬砌后锚杆轴力略有降低并很快达到新的平衡。由于本区段采用长台阶法施工，支护闭合时间较长(开挖后100 d左右)，仰拱施作时围岩及初期支护的变形已经基本稳定，所以二次衬砌施作对锚杆轴力的影响并不很明显。另外，从图3中还可以看出，在上台阶开挖后28 d锚杆轴力还有一次明显的上升，这主要是由于本区段施工采用长台阶法，下台阶的开挖是间断的，在第28 d测试断面附近下台阶开挖支护了8 m左右，空间效应明显。

表1 锚杆轴力量测结果汇总

图2 DK85+122断面锚杆轴力

图3 DK85+122断面右拱脚锚杆轴力—时间曲线

3.2 支护压力

支护压力包括初支围岩压力和二次衬砌接触压力。通过支护压力量测，了解初期支护与二次衬砌的受力及工作状态，检验初支与二次衬砌设计的合理性，判断支护结构的可靠性及安全程度，也为判断隧道稳定性提供可靠的信息。支护压力实测结果见表2。

表2 支护压力量测结果 MPa

图4为DK85+122断面围岩压力量测结果，图5为DK85+122断面右拱腰初支围岩压力—时间曲线。由图4、图5中可以看出，右侧拱腰围岩压力最大，其余较小。且此处围岩压力在埋设后10 d左右达到一次峰值，受断面附近下台阶开挖施工扰动，围岩压力迅速减小，随之缓慢上升，受本断面下台阶施工影响围岩压力先减小然后缓慢上升，达到基本稳定前还受仰拱开挖及右线施工扰动，围岩压力有小幅波动。二次衬砌施作后压力有短暂的下降，之后趋于稳定。左右两侧数据上的差异可能与隧道双洞单线设计有关。

3.3 支护应力

图4 DK85+122断面围岩压力量测结果(单位:MPa)

图5 DK85+122断面右拱腰围岩压力—时间曲线

表3 支护应力量测结果 MPa

3.3.1 初支混凝土应力

图6为DK85+122断面混凝土应力横断面分布。结果显示，初期支护混凝土应力拱顶位置明显偏大，拱部明显大于边墙，左侧混凝土大部分受拉，但受拉值均较小，右侧全部受压，右侧大于左侧。二次衬砌混凝土应力整体偏小，混凝土应力均未超过1 MPa，右侧大于左侧，拱顶附近外侧混凝土应力大于内侧(虚线为外侧混凝土应力)。

图7为DK85+122断面拱顶初支混凝土应力—时间曲线。由图中可以看出，喷射混凝土应力在施喷初期应力增长很快，仅3 d就能达到最终应力的40%左右，10 d能达到最终应力的60%左右。喷混凝土应力受下台阶开挖影响出现明显的降低，然后开始缓慢增长，仰拱施作后基本趋于稳定。二次衬砌施作后，由于二次衬砌承担了一部分荷载，混凝土应力出现了明显下降然后趋于稳定。

图6 DK85+122断面混凝土应力横断面分布(单位:MPa)

图7 DK85+122断面拱顶初支混凝土应力—时间曲线

3.3.2 初支钢架应力

图8为DK85+122断面初支钢架应力量测结果(虚线为钢架外翼缘应力)。由图8可以看出，钢架应力大部分为压应力，拱部大于边墙，拱顶附近内侧大于外侧，最大值为132.45 MPa，未达到设计强度。

图8 DK85+122断面初期支护钢架应力量测结果(单位:MPa)

图9 DK85+122断面拱顶初期支护钢架应力—时间曲线

图9为DK85+122断面拱顶初支钢架应力—时间曲线。图中显示，钢架埋设后即可承载，并且钢架应力增长很快，10 d内即达到最终应力值的60%以上，上台阶钢架应力受下台阶、仰拱开挖与支护影响较明显，应力略有下降，然后缓慢上升，受二衬施作影响，二衬起作用后初支的钢架应力缓慢下降逐渐稳定，这与二衬承担了一部分围岩压力有关。另外，从钢架应力发展趋势来看，二衬施作前钢架应力一直在缓慢增长，稳定时间相当长。

3.3.3 二次衬砌钢筋应力

图10为DK85+122断面二次衬砌钢筋应力量测结果。图11为DK85+122断面左墙腰二次衬砌钢筋应力—时间曲线。从图10、图11中可以看出，该断面各测点二次衬砌钢筋应力在埋设初期变化比较大，且大部分在出现不同程度上升后略有减小，然后再逐渐增大趋于稳定，估计与混凝土的施工工艺及模板的支顶作用有关，拆模后，约束解除，钢筋应力开始急剧降低，逐渐减小，之后开始回升并逐渐增大。钢筋应力后期变化不大，且边墙部位的钢筋应力明显大于拱部，左侧钢筋应力大于右侧。(虚线为外侧钢筋应力)。二次衬砌钢筋应力数值远小于初支钢架应力。

3.4 跟踪测试结果

为全面了解强风化膏溶角砾岩的工程特性，掌握该种特殊地质条件下隧道结构的力学响应，为衬砌结构长期稳定性和安全性评价提供依据，课题组在二次衬砌施工三个月后对各断面的相应项目进行了跟踪测试。

因此，未来的企业发展要赢得市场，就要转变传统企业发展的固有思路，立足于企业品牌形象的“画像”，打造自身特色品牌价值。

图10 DK85+122断面二次衬砌钢筋应力量测结果(单位:MPa)

图11 DK85+122断面左墙腰二次衬砌钢筋应力—时间曲线

从测试结果可以看出，各测点的数值都已基本趋于稳定，在一定范围内略有波动，但整体数值波动不大，结构表面无裂缝、无渗迹，说明截至测试时间，隧道结构工作状态良好、结构安全。

同时部分断面的测试数据也显示出数值仍在缓慢增长的特点，衬砌围岩压力值基本处于Ⅴ级～Ⅵ级围岩规范值内。说明此种围岩条件下围岩压力增长持续时间较长，长期围岩压力值也较大，衬砌结构刚度应适当加大，从围岩与结构的长期作用出发，衬砌结构设计荷载围岩压力需取全部规范围岩压力值。

4 结论

通过对该客运专线太行山隧道5#斜井工区正洞强风化膏溶角砾岩区段现场监测数据进行分析可以得到以下结论:

1)拱腰锚杆0～1.5 m深度附近受压。其余部分受拉力，最大拉力值约为23.12 kN，位于深度3.5 m附近，拱脚锚杆均受拉力，最大拉力值104 kN，位于深度1.5 m附近，墙腰锚杆所受轴力均很小;围岩压力测试结果除个别点外均较小，最大值为0.144 MPa，围岩压力拱部大于边墙;钢架应力值较大，主要为压力，最大值为166.34 MPa，拱部大于边墙;初支混凝土应力除个别点外均较小，最大值为9.49 MPa，拱部大于边墙，没观察到开裂或压屈现象;初支与二次衬砌间接触压力除个别点外均较小，最大值为0.427 MPa;二次衬砌钢筋应力值较小，最大压力值为30.52 MPa，拉力值均较小，边墙大于拱部;二次衬砌混凝土应力较小，最大压应力为1.16 MPa，拱部大于边墙，没观察到开裂或压屈现象。支护应力、压力数据未达到设计强度，但个别锚杆轴力接近锚杆的设计强度，个别点初支喷混凝土应力、初支围岩压力、初支与二次衬砌间接触压力较大。推荐仍采用原设计的Ⅴ级膏溶角砾岩复合式衬砌参数。

2)一般情况下，初支拱部支护压力、支护应力大于边墙;二次衬砌拱部压力、应力小于边墙。

3)二次衬砌施作前，初支的压力、应力一直处于缓慢增长阶段，直至二次衬砌施作后才逐渐趋于稳定。初期支护的压力、应力稳定时间比二次衬砌长。

4)二次衬砌作为承载结构，而不是安全储备，承受了一定的压力、应力。拱部围岩压力主要由初支承担，而边墙围岩压力主要由二次衬砌承担。施作二次衬砌后，二次衬砌开始逐步承担部分荷载，钢架应力、锚杆轴力、围岩压力及喷混凝土应力总体上均出现下降趋势，并最终趋于稳定。这说明在膏溶角砾岩隧道支护系统中，二次衬砌适当承担一定比例的围岩压力，与初支、围岩共同作用，在改善围岩、初支受力状态及增加初支与围岩的稳定性方面起着十分重要的作用。

5)测试结果中，仰拱施作对围岩和支护结构的受力状态的改善并不是很明显，这主要是由于台阶长度过长、仰拱施工严重滞后，导致支护闭合时间过长。为改善结构的受力，建议在保证施工机械效率的前提下尽量缩短台阶长度、下台阶开挖后应使支护结构尽早闭合。

结合施工情况，强风化膏溶角砾岩区段隧道断面形状、支护参数合理，施工方法基本正确，隧道结构安全，积累了强风化膏溶角砾岩隧道设计与施工的经验。

[1]铁道第三勘察设计院.膏溶角砾岩工程特性及隧道结构与施工安全对策研究[R].天津:铁道第三勘察设计院，2008。

[2]董新平，李建华.膏溶角砾岩条件下铁路单线隧道断面形式分析[J].铁道建筑，2009(9):71-73.

[3]刘志春，孙明磊，贾晓云，等.乌鞘岭隧道 F4～F7断层区段压力、应力实测与分析[J].石家庄铁道学院学报，2006，19(2):13-17.