隧道大变形力学机制及监控量测重要性研究

薛文勋，曹粉贵

(1.贵州通力达公路工程监理咨询有限公司， 贵阳　550022； 2.中铁五局集团有限公司， 贵阳　550003)

隧道大变形力学机制及监控量测重要性研究

薛文勋1，曹粉贵2

(1.贵州通力达公路工程监理咨询有限公司， 贵阳550022； 2.中铁五局集团有限公司， 贵阳550003)

摘要：以贵州省仁赤高速公路和平隧道为依托，对出现大变形病害区段的综合地质条件、现场描述、监测及数值结果进行分析，对比支护、施工体系变更前后的结构力学响应，探讨造成支护大变形的主要原因，并论证施工监控量测的重要性。

关键词：公路隧道；大变形；地质勘察；监控量测

近年来，我国公路隧道建设规模不断加大，截至2013年底，公路隧道总里程突破960万延m，数量达11 359座。然而受我国多山地貌的影响，隧道穿越大型断层破碎带、岩溶发育区域、高地应力段、松散堆积体等不良地质体的现象也逐渐增多，其对工程设计及施工造成诸多不便[2-4]。如因前期勘测深度不足造成对围岩认识不清，致使支护设计体系、施工工法与实际地层不符，则实际开挖施工时会对围岩造成较大扰动，支护体系难以承受背后围岩压力，继而向内空方向产生较大变形，甚至引起支护开裂、严重侵限、坍塌等问题，对施工安全和结构后期运营造成较大隐患[5-9]。

越来越多的工程案例表明，基于新奥法理念修建隧道时，合理的监控量测方案与支护施工设计技术具有同等重要的作用。本文以贵州省仁赤高速公路和平隧道为依托，对其地勘资料、设计文件及施工监测数据进行分析，并结合数值模拟手段来探讨隧道不同支护方案结构的受力变形特性和施工过程中支护结构大变形的主要成因，论证监控量测对施工安全的重要性。

1工程概况

贵州省仁赤高速公路和平隧道呈北西走向，稍呈弧形线展布。该隧道采用分离式形式，左洞起讫桩号ZK69+898～ZK70+510，总长613 m；右洞起讫桩号YK69+864～YK70+510，总长646 m，属中长隧道。隧道净空 10.25 m×5.0 m，左线进出口洞门型式均为端墙式；右线进口洞门型式为端墙式，出口洞门型式为削竹式。

隧址区属中切断块中低山地貌区，山体地层岩性组成为志留系下统龙马溪组(S1l)灰岩、泥岩及石牛栏组(S1sh)泥质灰岩。地面标高一般在1 054.46～1 129.110 m，相对高差约75.0 m。隧址区进洞口一带地形为斜坡，坡度相对较陡，自然坡度角34°，轴线与岩层走向呈小角度斜交，为逆向坡。出口为缓坡地形，自然坡度角21°～26°，轴线与岩层走向斜交，为顺向坡。北西西走向的隧道轴线与近北东走向的山脊呈小角度斜交。进出口段植被不发育，洞身山顶处植被局部较发育。隧址区无地表水体及泉、井分布。

2现场地质描述与变形监测分析

原设计文件中，和平隧道进口端多为Ⅲ级围岩，围岩承载能力强，成洞条件良好。而实际开挖后，各掘进面出露的围岩主要为碎石粘土、第4系残坡积土及强风化灰岩、泥岩互层组成，土体、岩体松散破碎，围岩自稳性差，侧壁不稳定，成洞条件差。监测掌子面开挖后图像如图1所示。

图1　监测掌子面开挖后图像

2012年7月初在ZK70+045监测断面埋设了监测点。该断面出露的围岩自稳性差，受施工扰动后，其出现了持续不稳定沉降，开挖2周内，断面各测点沉降超过5.0 mm/d，个别测点单日最大沉降达到19.0 mm。截止到8月27日，该断面拱顶累计沉降已达120 mm以上，如图 2所示。ZK70+045～ZK70+060里程段初期支护出现多条环向裂缝，裂缝起于左侧拱脚经拱顶贯通至右侧拱脚，裂缝长约3～8 m，宽约2～10 mm。

图2　和平隧道ZK70+045初期支护拱顶沉降变化曲线

施工过程中，严格执行了既定的监控量测方案，及时分析了结构受力变形趋势、支护结构表观特征，并进行了动态反馈预警。支护结构变形如图 3所示。

图3　和平隧道ZK70+045初期支护裂缝

出现大变形征兆后，经反复讨论、分析，确定了治理方案：由于围岩等级预判失真，导致支护设计体系与实际地层不符，这是造成大变形的主要原因，因此对围岩级别进行重新修订，对已出现大变形的区段采取注浆、换拱措施；后续区段动态调整围岩等级，按照V级围岩参数进行支护，并采用超前小导管注浆加固，形成承载拱，以有效提高Ⅴ级围岩的自稳能力。

后续区段采取V级围岩支护参数后，拱顶沉降被控制在50 mm范围内，同时支护结构表面未再观察到开裂现象，表明V级围岩段支护方案合理。

3基于节理特征的围岩失稳模拟

3.1数值计算模型

本文采用数值模拟等方式，进一步分析和平隧道大变形发生原因，并验证控制措施的合理性。

3.1.1隧址区地质条件

以ZK70+045段断面为对象，对其节理特征的围岩失稳进行研究。ZK70+045段断面处于洞口段，埋深约为37 m，断面高12.3 m，宽10.24 m。围岩破碎，主要为强-中风化灰岩与泥岩，同时在掌子面左侧出现少量粘土，可塑性强，自稳性差。围岩发育单组优势贯通节理，走向近似平行于隧道轴线，优势节理倾角为∠8°，如图 4所示。和平隧道ZK70+045断面节理水平层理间距0.2～0.4 m，层间无填充物，但结合较差。

图4　和平隧道ZK70+045断面节理CAD重构

3.1.2岩体与节理面力学参数

根据现场地勘资料与室内试验，提出如下关键力学参数：围岩杨氏模量1.6 GPa，泊松比0.33，粘聚力0.5 MPa，密度2 000 kg/m3。同时依据岩体杨氏模量与泊松比，计算得到岩体体积模量为1.57 GPa，剪切模量为0.6 GPa；节理面法向刚度2.99 GPa/m，切向刚度0.98 GPa/m，粘聚力0.1 MPa，内摩擦角30°。计算时，岩体与节理均选取摩尔-库伦弹塑性模型。

3.1.3支护体系与力学参数

按照设计文件要求，隧道开挖后，不同围岩级别采取不同的锚喷支护体系。

采取Ⅲ级围岩支护方案时，初期支护为C20混凝土，厚10 cm；锚杆采用Φ22 mm药卷锚杆，梅花型布置，环向范围120°，轴向长2.5 m，间距为120 cm×120 cm。

采取Ⅴ级围岩支护方案时，初期支护为C20混凝土，厚25 cm；锚杆采用Φ25 mm中空注浆锚杆，梅花型布置，环向范围204°，轴向长3.5 m，间距为60 cm×120 cm；设立18工字钢拱架，纵向间距为60 cm。

混凝土力学参数根据JTG D70—2004《公路隧道设计规范》确定，锚杆力学参数按照设计文件与相关室内测试试验确定，具体数值见表 1。

表1　锚杆力学参数

通过提高周边土体参数模拟处置方案中的超前小导管对围岩进行超前预加固。

3.1.4计算模型

利用UDEC计算软件，建立二维计算模型，左右边界跨度取6倍隧道宽度，施加x向固定约束；下边界取2倍洞宽，施加y向固定约束；上边界自由延伸至地表。另外，按图 4设置优势节理。模型建立后，模拟全断面开挖，并进行初期支护，观察沉降。超前小导管对围岩进行超前预加固二维计算模型如图5所示。

本文共考虑2种计算工况，以研究相同围岩条件和不同支护参数下，围岩初期支护的变形和受力状况。工况1考虑现场采用的原支护参数，即Ⅲ级支护参数。工况2考虑采用大变形处置措施后的支护参数，即Ⅴ级围岩支护参数，同时考虑超前小导管注浆对围岩的加固作用。

图5　超前小导管对围岩进行超前预加固二维计算模型示意

3.2数值计算结果

将2种计算工况结果进行对比，分析加强支护后隧道的稳定性。初期支护后围岩竖直方向位移云图如图6所示。

图6　初期支护后围岩竖直方向位移云图

由图6(a)可以看出，A区域围岩竖直方向沉降为8～12 cm，在拱顶B区域甚至出现了超过12 cm的沉降值。由图6(b)可以看出，采用Ⅴ级支护和超前注浆加固方式加强围岩和衬砌后，沉降得到有效控制，拱顶大范围围岩C区域的沉降都不超过2 cm。

和平隧道ZK70+045段断面拱顶沉降如图7所示。由图7可以看出，2种工况下，拱顶沉降最大值分别为14.98和1.97 cm。与现场监测数据相比较，采用Ⅲ级支护时，和平隧道ZK70+045段断面拱顶沉降最大达12.7 cm，而后续断面采用了Ⅴ级支护及注浆加固，ZK70+045段断面最大沉降只有2.0 cm，与数值模拟结果近似，而数值模拟可以较好地体现现场的实际情况。同时还验证了现场采取的措施能够较好地处理隧道大变形风险。

综合掌子面现场与数值模拟情况，揭示ZK70+045段断面围岩主要为强风化灰岩、泥岩及部分粘土，节理发育，围岩自稳能力欠缺，同时遇水易软化，表现出较大的塑性。因此，按照Ⅴ级围岩确定支护参数，增大系统锚杆的长度及范围，并施作钢拱架，最后增加喷射混凝土的厚度，以形成较大刚度的初期支护，并与围岩协同变形。另外，需对围岩采用注浆加固，以改变其物理力学性质，提高围岩的强度和自稳能力，有效降低大变形的风险。

图7　拱顶沉降曲线

初期支护后围岩竖直方向应力云图如图8所示。从图8可以看出，当发生隧道大变形时，地层压力得到释放，拱顶处的围岩应力较小，显示为和表层土体的围岩应力近似；采用Ⅴ级支护后，隧道沉降值较小，隧道顶部围岩受到的扰动也较小，拱顶围岩应力变化较小。

图8　初期支护后围岩竖直方向应力云图

4结论

1) 本文根据和平隧道ZK70+045段断面变形监测结果和不同工况数值分析，验证了前期勘察深度不足或当前勘察技术限制引起围岩等级预判失真是造成ZK70+045段断面大变形的主要原因。

2) 在节理发育的破碎岩体中，合理实施监控量测并对围岩变形进行动态反馈，对工程安全性具有重要意义。

参 考 文 献

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Research on Mechanical Mechanism of Large Deformation of Tunnels and Importance of Monitoring Measurement

XUE Wenxun1,CAO Fengui2

Abstract:Dependent on Heping Tunnel on Renhuai-Chishui Expressway in Guizhou Province, this paper analyzes comprehensive geological conditions, site description, monitoring and numerical results of the sections with large deformation disease, compares mechanical response of structures before and after change of supports and construction system, probes into main reasons of large deformation of supports and demonstrates importance of monitoring measurement for construction.

Keywords:highway tunnel; large deformation; geological survey; monitoring measurement

文章编号：1009-6477(2016)02-0108-04

中图分类号：U459.2

文献标识码：B

作者简介：薛文勋(1970-)，男，贵州省黎平县人，本科，研究员。

收稿日期：2015-10-28

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.024