水对灰质泥岩隧道围岩稳定性影响研究*

刘巨海

(中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西西安710043)

0 引言

软岩在水的物理化学作用下，其结构发生损伤破坏，极易发生软化甚至崩解，强度降低，甚至由原来的宏观上连续、完整的岩块变成松散的粒状材料。另外，当软岩遇水后变形受到约束时，岩石内部会产生膨胀应力;当膨胀受到的约束不足时，就会产生膨胀变形。这都将对工程结构的稳定性产生极大危害。

国内外学者都对此作了大量的研究。孟召平，彭苏萍等［1］发现水对岩石力学性质产生重要影响，在干燥或较少含水量情况下，岩石在峰值强度后表现为脆性和剪切破坏，应力－应变曲线具有明显的应变软化特性;随着含水量的增加，岩石单轴抗压强度和弹性模量值均急剧降低，主要表现为塑性破坏，且应变软化特性不明显。王军等［2］针对南京红山窑水利枢纽工程中的红砂岩圆柱体试样，采用RMT－150B多功能刚性岩石伺服试验机，通过常规直接剪切试验的方法对不同含水量状态下的红砂岩圆柱体试样进行室内试验研究。通过对试验结果的线性回归分析得到膨胀岩的凝聚力c和内摩擦角ψ与含水量之间良好的对数关系。刘素梅，徐礼华，李彦强等［3］对丹江口水库岩石的物理力学性能试验研究，发现岩石吸水后强度弱化程度与孔隙率和岩石矿物成分密切相关，并且建立了岩石单轴抗压强度与弹性模量，孔隙率与弹性模量之间关系式。周翠英等［4］对岩石饱水状态试验测试了力学性质，重点探讨了软岩软化的力学规律性。测定其不同饱水时间点的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度及其随饱水时间的变化规律。冒海军等［5］从微观的角度分析了不同饱水条件下试样发生变化的机理。何满潮等［6］对深井泥岩吸水特性试验研究，发现泥岩在整个吸水过程中，吸水速率随时间变化。以上学者从不同的方面分析了水对岩石的弹性模量、抗压强度、摩擦角及凝聚力的影响，但是实际施工过程中仍然存在许多的问题，有待进一步研究。

笔者以京新高速公路集宁至呼和浩特段金盆湾隧道左线K157+890—K157+935，右线K155+087—K155+105段开挖断面跨度为17.093 m，高度为12.16 m为研究对象，通过对现场监测的数据进行处理，分析围压压力随时间的变化、钢支撑应力随时间变化，以及拱顶沉降随时间的变化情况，并通过数值模拟分析了分析水的作用下隧道围岩周边位移的变化，从而为指导现场隧道施工带来了一定意义。

1 工程概况

该隧道区属剥蚀丘陵山地地貌，地形起伏较大。隧道范围内中线高程1 724.8～1 884.6 m，最大高差约159.8 m.山体自然坡度 10°～25°，植被不发育。进、出口均处于山前斜坡地带，山坡处于基本稳定状态。项目区属于典型的大陆性气候，风天较多，降水主要集中于6，7，8等3个月。昼夜温差大，属季节性冰冻地区，最大冻深1.8 m.

隧址区上覆为第四系更新统坡积成因的粉土、角砾、碎石、卵石、漂石等，下伏基岩为早第三系砾岩、砂岩、砂砾岩及砂质泥岩等。

2 现场监测及数据分析

监控量测的主要目的是运用不同监控量测手段对隧道进行监测，对监测的结果及时进行处理分析［7－9］，并将结果及时分反馈给施工单位来保证施工的安全进行，通过位移、应力等监控量测结果对隧道的物理力学参数进行反分析，来对围岩的支护强度进行合理性验证，并将不合理的结果反馈给设计单位，来调整设计的不合理处最终将有关的监控量测结果进行总结，来为以后相关隧道施工提供一定的帮助。

2.1 拱顶下沉监测

由于对于断面高度比较高的隧道，采用水准仪测量拱顶下沉比较困难，所以非接触测量更为方便，其测量方法采用无尺监测系统，由全站仪与反射膜片、后视镜来监测隧道的拱顶下沉。测点埋设如图1所示，用全站仪进行拱顶下沉量测时，需要在隧道拱顶轴线处埋设3个反射膜片，图2给出了现场监测示意图。

图3～7分别给出了左线K157+890－935段断面、右线K155+087－105段断面拱顶沉降随时间变化趋势。其中左线K157+890－935段断面处施工时处于6，7，8月份，暴雨较多，隧道围岩多出有水渗透出来，可以看出含水率的增加导致围岩岩石性质变差，围岩所承受的内力变小，在整个支护体系不变的情况下，整体承受能力降低，从而导致拱顶沉降相对于非雨季时明显增大。右线K155+087－105段断面施工时没有大量水出现。

图1 拱顶沉降现场监测布置图Fig.1 Vault settlement monitoring arrangement

图2 拱顶沉降现场操作示意图Fig.2 Operation of vault settlement monitoring on site

通过图3～5，6～7综合对比结果可以看到，左线K157+890－935段断面均要比右线K155+087－105段断面的拱顶沉降结果要大，原因是左线断面施工时围岩有大量的水出现，而右线断面并没有大量水出现，因此水的出现对的拱顶沉降带来的较大的影响，对隧道围岩的稳定性产生了一定的危害。

图3 左线K157+890断面拱顶沉降结果Fig.3 Vault settlement results on section of left line K157+890

2.2 围岩与初期支护间压力监测

在围岩与初期支护间埋设振弦式土压力计［10］，来测取围岩与初期支护间压力。弦测法原理:在传感器中有一根张紧的钢弦，当传感器受外力作用时，弦的内应力发生变化，随着弦的内应力改变，自振频率也相应地发生变化，弦的张力越大，自振频率越高，反之，自振频率越低。

图4 左线K157+915断面拱顶沉降结果Fig.4 Vault settlement results on section of left line K157+915

图5 左线K157+935断面拱顶沉降结果Fig.5 Vault settlement results on section of left line K157+935

图6 右线K155+087断面拱顶沉降结果Fig.6 Vault settlement results on section of right line K155+087

图7 右线K155+105断面拱顶沉降结果Fig.7 Vault settlement results on section of right line K155+105

压力盒的布置如图8所示，图9给出了现场压力盒测点埋设图。

图10～12分别给出了左线K157+905断面、右线K155+087，K157+899断面围岩压力随时间变化趋势。

通过图10左线K157+905断面围岩压力监测结可以看到，左侧边墙位置开始围岩压力较小，在接近30 d左右时，围岩压力突然增大，在30 d左右时为2012年6月15日左右，因为金盆湾隧道所处地区的雨水集中于6，7，8月份，而且暴雨居多，降水量大，根据对隧道洞内观察发现初期支护及仰拱开挖过程中在该时间段，围岩的含水量明显增加，因此可以初步判断含水量的增大，导致了围岩压力的增大，进而导致围岩变形的增大，对围岩稳定性产生一定影响。

图8 压力盒布置图Fig.8 Arrangement of pressure cells

图9 围岩压力盒现场埋设图Fig.9 Method of pressure cell buried on site

通过对比图10与11，12埋深都在40 m左右断面的围岩压力监测结果可以看到，图10的最终围岩压力值相比图11，12断面的围岩压力值要大，从而也进一步说明含水量的增加，导致岩石强度的降低，然而岩体所承受荷载基本不变，因此岩石的变形增大，支护结构［11－12］为了阻止围岩的变形，因此导致围岩与支护结构间的压力增大。

图10 左线K157+905断面围岩压力观测Fig.1 0 Surrounding rock pressure on section of left line K157+905

2.3 钢拱架应力监测

在钢拱架安装振弦式表面应变计，量测钢架受力后所发生的应变值，然后通过计算获得钢架的应力值。该方法的原理同围岩与初期支护间埋设的压力盒原理。应变计的布置流程如图13所示。

图11 右线K155+087断面围岩压力观测图Fig.1 1 Surrounding rock pressure on section of right line K155+087

图12 右线K157+899断面围岩压力观测图图12 Surrounding rock pressure on section of right line K157+899

图13 应变计现场埋设图Fig.1 3 Arrangement of strain gauges on site

图14～16分别给出了左线K157+905断面、右线K155+087，K157+899断面钢支撑应力随时间变化趋势。

从图14可以看出，在20到40 d之间，隧道每个位置的钢支撑应力都逐渐变大，因为在此期间金盆弯隧道处于雨季，降雨量偏大，雨水较充沛，这就导致围岩的含水量明显增加，支护结构所承受的应力变大。

通过对比图14与15，16埋深都在40 m左右断面的钢支撑应力监测结果可以看到，图14的最终钢支撑应力值相比图15，16断面的钢支撑应力值要大，从而也进一步说明含水量的增加，导致岩石强度的降低，然而岩体所承受荷载基本不变，因此围岩的变形增大［13］，钢支撑的应变增大，从而导致钢支撑应力的增大。由于钢支撑对于维护隧道围岩稳定性有着重要的影响，因此对于钢支撑的力学特性研究有着重要的意义。

图14 左线K157+905断面钢支撑应力观测图Fig.1 4 Steel supports stress on section of left line K157+905

图15 右线K155+087断面钢支撑应力观测图Fig.1 5 Steel supports stress on section of right line K155+087

图16 右线K157+899断面钢支撑应力观测图Fig.1 6 Steel supports stress on section of right line K157+899

3 数值模拟

为减少模型的边界效应，选取的模型范围为:下部取至隧道底部以下60 m，左右面边界取至隧道外侧50 m，上部根据隧道实际埋深取40 m.两侧面为水平约束，底面为垂直约束，如图17所示。

3.1 参数选取

围岩材料模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，围岩及初期支护均采用实体单元。围岩初始地应力在考虑自重应力达到平衡情况下进行开挖模拟。

Mohr-Coulomb模型原理

计算采用Mohr-Coulomb等面积圆屈服准则，其表达式为

图17 隧道开挖网格划分图Fig.1 7 Mesh of finite element in the tunnel excavation

式中I1，J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量，其中，

α，k是与岩土材料内摩擦角φ和粘聚力c有关的常数，α，k满足下列表达式

Mohr-Coulomb等面积圆屈服准则是与Mohr-Coulomb破坏准则准确匹配的岩土材料塑性屈服准则，应用Mohr-Coulomb等面积圆屈服准则可取得较为精确的结果。围岩及支护结构的参数见表1.

3.2 模拟结果分析

图18，19分别给出了考虑水作用时隧道开挖后围岩横向位移、竖向位移云图，图20，21分别给出了不考虑水作用时隧道开挖后围岩横向位移、竖向位移云图，表2给出了有无水作用下围岩周边位移对比结果。

通过考虑水作用与不考虑水作用2种情况，在隧道开挖后围岩的周边位移对比结果可以得到:在考虑水作用时的周边位移比不考虑水作用时的周边位移要大，而且考虑水作用时对边墙、拱腰的收敛结果影响尤其明显，从表中可以清楚看到拱腰收敛有水与无水作用结果相差196 mm，边墙位置相差199 mm.

通过拱顶沉降模拟结果趋势也可以看到，在水的作用下均是对围岩的稳定性带来了很大的影响，因此也验证了文中模型的合理性。

表1 围岩及支护结构的参数Tab.1 Parameters of surrounding rock and supporting structure

因此，通过围岩的周边位移对比结果可以看到，水对围岩的周边位移影响很大，水对围岩的稳定性带来了极大的影响。

图18 考虑水作用下的围岩横向位移云图Fig.1 8 Plot of lateral displacement of surrounding rock under water

图19 考虑水作用下的围岩竖向位移云图Fig.1 9 Plot of vertical displacement of surrounding rock under water

图20 不考虑水作用下的围岩横向位移云图Fig.2 0 Plot of lateral displacement of surrounding rock without water

通过数值模拟结果与现场监测数据结果对比分析，可以看到，有水环境下与无水环境下的隧道围岩的拱顶沉降趋势是一致的。在模拟过程中，有水环境下的拱顶沉降明显大于无水环境下隧道围岩拱顶沉降。现场监测断面可以看到，在雨季围岩断面在相同时间内的拱顶沉降明显大于非雨季隧道围岩断面拱顶沉降。因此，说明水对围岩稳定性有着重要的影响，同时也验证了建立模型的合理性，进而为隧道的安全施工起到了一定的指导作用。

图21 不考虑水作用下的围岩竖向位移云图Fig.2 1 Plot of vertical displacement of surrounding rock without water

表2 有无水作用下围岩周边位移对比结果Tab.2 Comparison of peripheral displacement for surrounding rock with water and without water

4 结论

通过对金盆湾隧道围岩压力、钢支撑应力以及拱顶下沉监测结果进行分析得到水的存在导致隧道围岩的拱顶沉降、塑性应变增大，围岩径向应力增大，从而导致支护结构的变形增大，进而钢支撑应力增大，对钢支撑支护结构的稳定性带来一定不利影响。这就要求在实际的隧道施工过程中，考虑水的问题，合理的设计和修改施工方案，确保施工快速、安全的进行。然后，通过数值模拟分析，进一步分析了水对围岩稳定性的影响，并通过与现场监测数据对比分析，验证了模型的合理性，进而为安全施工起到了重要作用。

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