地质因素对隧道围岩松动圈的影响分析——以重庆某隧道为例

田明昱， 王艳磊， 腾俊洋， 舒国钧

(1. 葛洲坝集团第五工程有限公司， 湖北 宜昌　443002； 2. 重庆大学资源及环境科学学院， 重庆　400030)



地质因素对隧道围岩松动圈的影响分析
——以重庆某隧道为例

田明昱1， 王艳磊2， 腾俊洋2， 舒国钧2

(1. 葛洲坝集团第五工程有限公司， 湖北 宜昌443002； 2. 重庆大学资源及环境科学学院， 重庆400030)

摘要：为了分析地质因素对隧道围岩松动圈的影响，以重庆某深埋特长隧道为工程背景，根据该隧道埋深和围岩级别多变等特点，运用数值模拟、正交试验和现场实测相结合的方法，研究该隧道围岩松动圈产生、发展和分布的规律。结果表明： 该隧道围岩的内摩擦角和黏聚力与松动圈大小呈负相关关系，侧压系数和埋深与松动圈大小呈正相关关系，且内摩擦角和埋深是影响该隧道围岩松动圈大小的主要因素。依据研究结果，可以确定该隧道不同地质条件下的围岩松动圈分布情况，及时优化支护参数，以指导隧道安全高效地施工。

关键词：隧道； 地质因素； 围岩松动圈； 数值模拟； 正交试验； 现场实测

0引言

近年来我国公路隧道建设突飞猛进，施工技术水平不断提高，但是在隧道建设过程中，时常会因隧道围岩稳定性方面的问题而导致施工困难甚至造成运营事故[1]。因此，研究隧道围岩的稳定性，厘清影响围岩稳定性的因素及其影响机制，确保隧道围岩的稳定，是隧道工程施工的头等大事。

松动圈是评价隧道围岩稳定性的一项重要指标，影响隧道围岩松动圈的因素主要有2方面： 一是内在因素，即地质因素的影响；二是人为因素，即施工带来的影响[2-3]。大量学者对这2方面进行了研究。如文献[4]就岩体结构、地质构造、地下水及初始地应力状态等地质因素对隧道围岩稳定性的影响进行了分析研究；文献[5]分析研究了爆破循环和采动对围岩松动圈的影响；文献[6]针对设计参数和施工参数等因素对围岩松动圈的影响进行了数值模拟及现场试验研究；文献[7]就不同地质条件下的隧道施工变形控制进行了分析，并总结了围岩大变形的控制措施。本文在前人研究成果的基础上，以重庆某隧道特殊地质条件为背景，运用数值模拟、正交试验及现场试验的方法，研究最大松动圈厚度及松动圈系数与围岩内摩擦角、围岩黏聚力、隧道埋深和侧压系数之间的关系，对影响隧道围岩松动圈的地质因素进行更加深入细致的分析。

1工程概况

重庆某隧道设计为双向4车道，左线长3 225 m，右线长3 197 m。隧道通过段制高点高程约为972 m，隧址区最低点位于隧道出口的綦江河岸，高程为174 m，相对高差为798 m。隧道进口段埋深为20 m，出口段埋深为80 m，洞身段左线最大埋深为765 m，右线最大埋深为759 m，属深埋隧道，且埋深变化大。隧址区地貌属于构造剥蚀丘陵地貌单元，线路跨越中峰寺向斜，地形坡度较陡，隧道与构造线方向近似垂直，无较大的地质构造，洞身段地下水贫乏，局部洞身段有基岩裂隙水，呈点滴状渗出；穿越地层为侏罗系上统蓬莱镇组和中统遂宁组，主要岩性为泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、细砂岩和石灰岩。洞口段均为Ⅴ级围岩，洞身段围岩以Ⅳ级为主，局部为Ⅴ级或Ⅲ级围岩，围岩等级变化较频繁。在不同埋深和围岩条件下，该隧道围岩松动圈范围差异很大，在现场施工过程中若不及时变更支护方案、优化支护参数，极易造成拱顶下沉量加剧、周边收敛量增大、初期支护和仰拱开裂等现象，从而严重影响施工进度和施工安全。

2松动圈判定指标

隧道的爆破开挖会破坏原岩的应力平衡状态，使围岩应力重新分布，从而产生应力集中现象。当集中应力超过围岩强度时，隧道围岩将会发生破坏，这一破坏向围岩内部发展到一定深度后会取得新的应力平衡，这一过程产生的松动破坏范围称为隧道围岩松动圈[8]。通常将最大松动圈厚度与松动圈系数共同作为隧道围岩松动圈的判定指标。

2.1最大松动圈厚度

现阶段使用的围岩松动圈分类标准是根据开挖断面的最大松动圈厚度来进行判断的，因此将隧道开挖断面周边的最大松动圈厚度Rs(Rs=r2-r1，见图1)作为松动圈大小的判定指标。

2.2松动圈系数

最大松动圈厚度判定指标虽然简单直观，但不能反映出断面周边松动圈的整体分布情况，因此还需引入松动圈系数[9]。

图1　最大松动圈厚度示意图

Fig. 1Schematic diagram of maximum thickness of loose zone of surrounding rock

松动圈系数Fs是开挖断面松动区面积Ss与开挖断面面积Sd的比值[10]。假设开挖断面是半径为r1的圆，围岩为各向同性的均质岩体，其松动圈半径为r2，则松动圈系数

(1)

由式(1)得

(2)

根据式(1)和式(2)，当松动圈系数Fs取0～2时，对应的最大松动圈厚度Rs与开挖断面半径r1的比值如图2所示。

图2　松动圈系数Fs 与Rs/r1 的关系曲线

由图2可知，松动圈系数Fs与Rs/r1呈线性相关关系，说明松动圈系数Fs能较好地反映出开挖断面周围松动圈的整体分布情况。

3地质因素对松动圈的影响

影响隧道围岩松动圈的地质因素主要包括地应力、岩体强度、地质构造及地下水等。根据重庆某隧道的实际地质条件，即埋深变化大、围岩等级变化较频繁、无较大的地质构造和地下水贫乏的特点，重点分析地应力和岩体强度对隧道围岩松动圈的影响。

3.1计算软件及围岩物理力学参数

采用有限差分计算软件FLAC3D，对不同地质条件下重庆某隧道三心圆断面进行数值模拟。计算模型建立在拉格朗日算法和混合-离散分区技术的基础上，采用弹塑性材料，运用摩尔-库仑屈服准则判断岩体的破坏[10]。

根据该隧道相关地质资料和现场实际情况，分别对不同等级和不同类别围岩进行钻孔取样。岩样加工完毕后，采用MTS815.03电液伺服岩石力学试验机、岛津AGI-250 kN型岩石力学伺服试验机和PCI-2型声发射系统来测定岩样的基本力学参数、原岩应力及侧压系数。岩样的物理力学参数试验结果见表1。

表1　各类围岩物理力学特性参数表

由试验结果可知： 在该隧道各级和各类围岩中，黏聚力最小为0.9 MPa，最大为1.8 MPa；内摩擦角最小为24.7°，最大为48.3°。原岩应力测试结果表明，隧道中部洞身段地应力高达25～31 MPa，且以水平构造应力为主，最大水平主应力方向为N31°～38°E，与隧道轴线方向 (N35°E)呈小角度相交；不同埋深情况下围岩的侧压系数最小为0.4，最大为1.6。

3.2岩体强度影响

岩体强度包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。岩体的抗压强度远大于抗剪强度和抗拉强度，所以在此只考虑岩体抗压强度对围岩松动圈的影响。根据摩尔-库仑准则，岩体的抗压强度σc可以用内摩擦角φ和黏聚力c来计算，见式(3)[11-12]；因而转为隧道围岩内摩擦角φ和黏聚力c对松动圈影响的分析。

σc=2c/(1-sinφ)。

(3)

该隧道洞身段以Ⅳ级泥质砂岩为主，平均埋深约400 m，结合隧道设计尺寸和开挖施工工艺，最终确定模拟隧道埋深为400 m，三心圆断面。模型边界取大于3倍隧道跨度，由于开挖断面跨度为12 m，因此模型大小确定为100 m×60 m×100 m。模型共275 320个单元，284 790个节点。有限元分析模型见图3。

图3　有限元分析模型

模型上边界为自由面，下边界固定，四周边界限制水平方向的位移。同时在上边界施加均布载荷，大小为上覆岩层自重(取10 MPa)，侧压系数取1.0，开挖进尺为3 m，开挖后取距掌子面1.5 m处剖面进行塑性区分析。

在不影响计算结果的前提下，把模型围岩全部简化为泥质砂岩，其物理力学参数由实验测得，模型的物理力学参数及设计参数见表2。

表2　模型的参数

选择黏聚力和内摩擦角2因素进行正交分析，各因素取值见表3。按照正交试验法采用2因素4水平的实验，共需要进行16次实验。

表3　黏聚力和内摩擦角取值表

将模拟所得数据结果进行汇总，结果见表4。

根据表4绘制松动圈与内摩擦角、黏聚力的关系曲线，见图4和图5。

由图4和图5可知： 在黏聚力不变的情况下，内摩擦角与最大松动圈厚度及松动圈系数呈线性减小关系，即内摩擦角越大，最大松动圈厚度越小，松动圈在开挖断面周边分布的范围也越小；在内摩擦角不变的情况下，黏聚力与最大松动圈厚度及松动圈系数同样呈线性减小关系，黏聚力越大，最大松动圈厚度越小，松动圈在开挖断面周边分布的范围也越小。

表4黏聚力和内摩擦角对松动圈的影响分析结果

Table 4Simulation results of influence of cohesion and internal friction angle on loose zone of surrounding rock

黏聚力/MPa内摩擦角/(°)最大松动圈厚度/m松动圈系数最大松动圈位置0.9259.22.33两侧拱肩0.9336.41.39拱顶拱肩0.9414.60.88两侧拱肩0.9502.90.49仰拱中部1.2258.32.04两侧拱肩1.2335.61.23拱顶拱肩1.2413.90.72仰拱中部1.2502.60.41仰拱中部1.5257.61.65拱顶拱肩1.5334.80.93两侧拱肩1.5413.20.61两侧拱肩1.5502.40.41仰拱中部1.8256.81.32拱顶拱肩1.8334.20.85两侧拱肩1.8412.60.37仰拱中部1.8502.00.20仰拱中部

图4　松动圈与内摩擦角的关系曲线

Fig. 4Curves showing relationship between loose zone of surrounding rock and internal friction angle

图5　松动圈与黏聚力的关系曲线

Fig. 5Curves showing relationship between loose zone of surrounding rock and cohesion

最大松动圈通常出现在仰拱中部、拱顶或两侧拱肩位置，最大松动圈厚度与松动圈系数呈正相关关系。在最大松动圈厚度接近或相同的情况下，松动圈系数越大，松动圈在开挖断面周边的分布越广，随着松动圈系数的增大，松动圈逐渐在全断面周边出现，并最终呈近似环状分布。

内摩擦角与黏聚力2因素的极差分析结果见表5和表6。

表5黏聚力和内摩擦角对最大松动圈厚度的极差分析

Table 5Range analysis of influence of cohesion and internal friction angle on maximum thickness of loose zone of surrounding rock

名称内摩擦角/(°)黏聚力/MPa均值18.005.78均值25.355.20均值33.504.45均值42.403.85极差5.601.93

表6黏聚力和内摩擦角对松动圈系数的极差分析

Table 6Range analysis of influence of cohesion and internal friction angle on coefficient of loose zone of surrounding rock

名称内摩擦角/(°)黏聚力/MPa均值11.831.27均值21.091.10均值30.650.88均值40.370.67极差1.460.60

由表5和表6极差分析结果可知，内摩擦角对于最大松动圈厚度和松动圈系数的影响程度均大于黏聚力。

3.3地应力影响

地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，主要包括2方面： 一是上部岩层的自重应力；二是构造应力[13-15]。在研究地应力分布特性时，通常采用侧压系数来描述。地应力沿埋深的变化规律也表明，一般情况下垂直应力等于上覆岩体自重，即可作为1个主应力，另2个水平主应力也可作为主应力，尤其是对于深部岩体，用水平应力与岩体自重之比来表述岩体的应力状态具有一定的合理性和可行性；因此，在数值模拟分析时，采用埋深和侧压系数分别模拟自重应力和构造应力的作用。

采用图3模型，在上边界施加均布载荷，大小为上覆岩层自重(视埋深而定)。模型围岩全部简化为泥质砂岩，其物理力学参数见表7。

表7　模型的物理力学参数

选择埋深与侧压系数2因素进行正交分析，各因素取值见表8。按照正交试验法采用2因素4水平的实验，共需要进行16次实验。

表8　埋深和侧压系数取值表

将模拟所得数据结果进行汇总，结果见表9。

表9　数值模拟结果

根据表9绘制松动圈与埋深、侧压系数的关系曲线，见图6和图7。

图6　松动圈与侧压系数的关系曲线

Fig. 6Curves showing relationship between loose zone of surrounding rock and side pressure coefficient

图7　松动圈与埋深的关系曲线

Fig. 7Curves showing relationship between loose zone of surrounding rock and buried depth

由表9、图6和图7可知： 侧压系数和埋深与松动圈大小呈线性增加关系，即侧压系数或埋深越大，最大松动圈厚度和范围也越大；在埋深较小(200 m)的时候，随着侧压系数的增大，最大松动圈厚度增加的幅度较小，但松动圈分布范围逐渐增大；同一埋深下，侧压系数增大，松动圈系数也增大，即松动圈的分布范围扩大，通常由局部向全断面扩展；侧压系数小于1时，最大松动圈厚度随埋深的增大而逐渐增大，但隧道埋深的变化对最大松动圈厚度影响较小，且松动圈主要集中在两侧拱肩位置；当侧压系数大于1时，埋深对最大松动圈厚度的影响增大，且随着埋深的增加，松动圈开始向断面顶部和底部扩展。

埋深与侧压系数2因素的极差分析结果见表10和表11。

由表10和表11极差分析结果可知，埋深对于最大松动圈厚度和松动圈系数的影响程度均大于侧压系数。

4结果验证及施工方案优化

在该隧道施工过程中，除了要按规范要求和现场实际情况布置监控量测断面外，还要在各等级围岩段布置选测断面。每个选测断面中布置6组机械式多点位移计，每组机械式多点位移计含5个测点，孔深5 m，用来监测隧道围岩的位移情况。根据每组机械式多点位移计的位移读数，就可以确定隧道围岩松动圈的分布情况。隧道K9+128断面围岩松动圈的实测结果见图8。

表10侧压系数和埋深对最大松动圈厚度的极差分析

Table 10Range analysis of side pressure coefficient and buried depth on maximum thickness of loose zone of surrounding rock

名称侧压系数埋深/m均值12.931.50均值22.383.50均值34.054.30均值44.754.80极差2.373.30

表11侧压系数和埋深对松动圈系数的极差分析

Table 11Range analysis of side pressure coefficient and buried depth on coefficient of loose zone of surrounding rock

名称侧压系数埋深/m均值10.310.06均值20.350.46均值30.600.64均值40.660.77极差0.350.71

图8　K9+128断面围岩松动圈实测结果示意图

将现场各选测断面实测得到的围岩松动圈与相同地质条件下数值模拟得到的围岩松动圈进行对比分析，结果见表12。

由表12可知，选测断面实测得到的围岩松动圈与相同地质条件下数值模拟得到的围岩松动圈在最大松动圈厚度、出现位置及松动圈分布情况上基本相同，从而验证了数值模拟结果的合理性和可靠性。

表12　各选测断面实测和数值模拟所得围岩松动圈的对比分析

注： 平均松动圈厚度为6组测点位置松动圈厚度的平均值。

在该隧道以后的施工过程中，通过对围岩的现场观察分析，对照物理力学试验结果，可得出其内摩擦角、黏聚力、埋深和侧压系数，再结合相应的数值模拟结果和关系曲线图，就可得到相应地质条件下的围岩松动圈大小及分布情况，从而指导现场施工，优化支护参数。

隧道支护优化方案主要包括变更钢拱架材料、改变局部锚杆长度和锚固长度、调整初期支护混凝土厚度和强度等。下面将对上文提到的K9+128断面进行支护参数优化。由现场实测和数值模拟结果可知，K9+128断面围岩最大松动圈厚度为2.5 m，出现在两侧拱肩位置，平均松动圈厚度为2.0 m。因此，在支护优化方案中，根据所得松动圈的分布情况，将两侧拱肩及拱顶位置的锚杆长度由原来的2.5 m增至3.5 m，锚固长度由50 cm增至100 cm，初期支护混凝土厚度由18 cm增至23 cm；其余位置的支护参数均不变。K9+128断面的支护优化见图9。

图9　K9+128断面支护优化示意图

该隧道在施工过程中根据围岩条件及时优化支护方案后，由现场观测和监控量测数据结果可知，其初期支护混凝土喷层没有出现开裂现象，周边收敛量和拱顶下沉量明显减小。这一结果说明，优化支护方案可以确保围岩的稳定性，控制围岩松动圈的大小，保障隧道施工的安全。

5结论与建议

1)重庆某隧道围岩内摩擦角和黏聚力与最大松动圈厚度及松动圈系数呈线性减小关系，且内摩擦角对最大松动圈厚度和松动圈系数的影响程度均大于黏聚力；侧压系数和埋深与松动圈大小呈线性增加关系，但埋深对于最大松动圈厚度和松动圈系数的影响程度均大于侧压系数。围岩内摩擦角和隧道埋深是影响该隧道围岩松动圈的主要因素。

2)该隧道围岩松动圈多呈环状分布，最大松动圈通常出现在拱顶、两侧拱肩或仰拱中部位置，在现场施工过程中应加强拱顶及两侧拱肩位置的支护，同时在隧道开挖后及早施作仰拱。在可能的情况下，应尽量缩短各工序作业时间，及时使初期支护封闭成环，可有效控制围岩变形。

3)根据该隧道围岩内摩擦角、黏聚力、埋深和侧压系数与围岩松动圈大小的关系，可以确定该隧道不同地质条件下的围岩松动圈分布情况，从而优化支护方案，指导现场施工，有效控制围岩的稳定性，保障隧道安全高效施工。

由于客观条件的限制，本文仅对重庆某隧道进行了研究，今后在有条件的情况下，还应对其他地质条件下的隧道开展试验研究，尤其是地质条件更为复杂的隧道，以获取更多的试验数据，更深入揭示地质因素对隧道围岩松动圈的影响，使研究成果更加丰富，对隧道施工更加具有指导意义。

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Analysis of Influence of Geological Factors on Loose Zone of Surrounding Rock: A Case Study of A Tunnel in Chongqing

TIAN Mingyu1, WANG Yanlei2, TENG Junyang2, SHU Guojun2

(1.TheFifthEngineeringCo.,Ltd.,CGGC,Yichang443002,Hubei,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

Abstract:The influence of geological factors on loose zone of surrounding rock is analyzed by taking an extra-long deep tunnel in Chongqing for example. The formation, development and distribution of loose zone of surrounding rock of tunnel are studied by means of numerical simulation method, orthogonal test and field test. The results show that: 1) The internal friction angle and cohesion of the tunnel surrounding rock have a negative correlation with loose zone of surrounding rock. 2) The side pressure coefficient and buried depth have a positive correlation with loose zone of surrounding rock. 3) The internal friction angle and buried depth are the main factors of loose zone of surrounding rock. The distribution of loose zone of surrounding rock of tunnel under different geological conditions can be aware of; and then the tunnel support parameters can be optimized timely so as to guide the tunnel constrution with safety and efficiency according to the study results.

Keywords:tunnel; geological factors; surrounding rock loose zone; numerical simulation; orthogonal test; field test

中图分类号：U 451

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)04-0390-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.004

第一作者简介：田明昱(1974—)，男，四川遂宁人，1997年毕业于重庆大学，采矿工程专业，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程与交通土建等方面的研究工作。E-mail: 860024333@qq.com。

收稿日期：2015-09-08; 修回日期: 2015-11-09