红层软岩隧道围岩稳定性及支护时机研究

刘　明，张家铭，周治平，向章波

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)



红层软岩隧道围岩稳定性及支护时机研究

刘明，张家铭，周治平，向章波

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

摘要：新奥法作为一种目前国内外地下工程建筑及隧道施工时普遍应用的方法，其原理与优势得到了广泛认可。为分析红层软岩隧道施工中的围岩稳定性和支护合理性，根据成贵高铁南厂沟隧道工程实际情况，利用实时监测的隧道围岩拱顶下沉和周边收敛数据，基于新奥法理念研究了隧道围岩的稳定状况、变形规律以及二衬支护时机。结果表明：南厂沟隧道红层软弱围岩变形可分为变形急速增加阶段、变形相对稳定阶段和变形缓慢增加阶段三个阶段；针对围岩拱顶下沉和周边收敛的合理的拟合曲线，通过拟合计算可以得到围岩变形趋于稳定的时间，并据此提出合理地判定二衬施作时间的方法，可为类似工程提供借鉴。

关键词：红层软岩隧道；新奥法；监控量测;围岩稳定性；二衬支护时机

新奥法(New Austrian Tunneling Method,NATM)的原理是充分发挥围岩自稳能力使围岩成为承载结构的一部分[1]。监控量测作为新奥法的三大支柱之一，通过隧道施工过程中对围岩和支护系统稳定状况的实时监控，对监控数据进行分析和综合判断，并进行反馈，对优化支护设计及施工发挥重要的作用。

目前，国内外学者在隧道围岩稳定性及支护时机方面做了大量的研究工作。在国外,Kaiser等[2]和Sulem等[3]对隧道围岩稳定性及支护时机做了较早的研究。在国内，杨建平等[4]研究了小静距隧道在不同荷载释放比例下不同支护时机对围岩稳定性的影响；王中文等[5]利用拟合公式分析了考虑围岩蠕变特性的隧道二衬在不同级别围岩、不同初衬厚度和开挖跨度时的合理支护时机；张学文等[6]利用有限元方法对引水隧洞施工过程中围岩与衬砌之间的作用进行了数值模拟。

随着川南地区高速铁路的兴修，出现大量穿越红层软岩的隧道。红层是外观以红色为主色调的碎屑岩沉积地层[7]，其成岩胶结程度差且富含黏土矿物导致其表现出强度低、塑性变形大、水理性强、易风化等特殊性质[8-10]。目前学者们针对此种工程地质条件下有关隧道围岩稳定性方面的研究较少，因此开展红层软岩隧道开挖后围岩稳定性评价及支护方案研究具有重要的意义。为此，本文根据成贵高铁南厂沟隧道工程实际情况，利用实时监测数据，基于新奥法理念研究了红层软岩隧道围岩的稳定状况，分析其变形规律，并提出合理的判定二衬支护施工时间的方法，以为类似工程提供参考。

1工程概况

1.1工程背景

1.2基于新奥法的监控量测方案

监控量测的目的是在隧道施工过程中，对围岩和支护系统的稳定状态进行监测，为初期支护和二次衬砌的参数调整提供依据，且监测量测的数据经整理和分析获取的信息及时反馈到设计和施工中，进一步优化设计和施工方案，以达到安全、经济、快速的目的，同时也是施工安全和质量的保障。

1.2.1隧道围岩净空水平收敛量测

净空水平收敛量测采用全站仪进行，隧道开挖后按要求迅速安装反射片并编号，初始读数应在开挖后12 h内读取，最迟不得大于24 h，而且在下一循环开挖前获得初始读数。测点应牢固可靠、易于识别，并注意保护，严防爆破损坏。

作为观测隧道围岩净空位移量测技术的全站仪遥测技术，其基本原理是利用全站仪自由设站远距离测定量测点位不同时段相对的三维坐标，求出其基线值，再计算收敛位移。其计算公式如下：

(1)

Δsi=si-si-1

(2)

Si=∑si

(3)

式中：si为第i天的基线值；Δsi为第i天与第i-1天基线值之差，即收敛差值；Si为第i天与第1天基线值之差，即总收敛值。

全站仪围岩净空位移量测示意图见图1。

图1　全站仪围岩净空位移量测示意图Fig.1　Schematic diagram of surrounding rock displacement　　　measurement with the total-station

1.2.2隧道围岩拱顶下沉量测

拱顶下沉主要用于确认隧道围岩的稳定性。在每个量测断面的拱部设置测点，量测时采用一把长度适宜的钢卷尺，尺端连一个自制挂钩挂在测点上，将尺子铅垂放下，稳定后采用精密水准仪和铟钢水准尺测量拱顶沉降量，喷射混凝土后应迅速在测点处设固定桩，在各工区洞外各设一水准基点供洞内拱顶下沉量测用。

南厂沟隧道洞内断面监控量测布置方案见图2。

图2　南厂沟隧道洞内断面监控量测布置方案Fig.2　Distribution diagram of observation points for　　　surrounding rock displacement measurement　　　in the Nanchanggou tunnel

1.3南厂沟隧道围岩工作状态判定

在隧道施工监测过程中，针对南厂沟隧道的工程地质条件以及支护和施工方法，建立判断标准来直接根据量测结果判断围岩的稳定性和支护系统的工作状态，并作为调整支护参数和采取相应的施工技术措施的依据。根据《铁路隧道监控量测技术规程》(TB 10121—2007)和《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》[铁建设(2010)120号]，以及《关于印发〈铁路隧道监控量测标准化管理实施意见〉的通知》[工管办函(2014)92号]的相关要求，确定其判定条件如下：

(1) 隧道围岩净空变化、拱顶下沉和地表下沉(浅埋地段)等必测项目应设置在同一断面，其量测断面间距按表1判定。

表1　量测断面间距设置

(2) 隧道围岩净空水平收敛量测和拱顶下沉量测采用相同的监控量测频率，量测频率应根据量测断面距开挖工作面的距离和位移速度分别按表2和表3确定。实际量测频率应从由开挖工作面的距离决定的监控量测频率(表2)和由位移速度决定的监控量测频率(表3)之中选择较高的一个量测频率。

表2　按量测断面距开挖面的距离确定的

注：B为隧道开挖宽度。

表3　按位移速度确定的监控量测频率

(3) 采用隧道围岩变形总量和变形速度对隧道安全进行等级管理，隧道围岩变形总量安全管理等级见表4。

表4　隧道围岩变形总量安全管理等级表

当测点位移速度大于5 mm/d时，由监理工程师组织施工单位在施工现场进行原因分析，并采取处理措施；当测点位移速度连续2 d大于10 mm/d时，由监理单位组织施工单位进行原因分析和制定处理措施并上报建设单位段落指挥部批准；当测点位移速度大于15 mm/d时，由公司段落指挥部组织设计、监理、施工等单位进行原因分析，并制定处理措施。

根据围岩位移量测值或预计最终位移值与位移临界值进行对比，来确定隧道围岩变形管理等级，位移临界值的确定需根据具体工程来确定。南厂沟隧道围岩变形管理等级见表5。

表5　南厂沟隧道围岩变形管理等级

注：U为实测位移值(mm)；U0为最大允许位移值(mm)。

2监控量测数据分析

本文选用南厂沟隧道进口D2K101+840和D2K101+845两个断面监控量测数据进行分析，由于这两个断面距洞口分别为15 m和20 m，出于安全步距的考虑并未及时施作二衬，因此该断面围岩变形并不受二衬支护的影响，可以充分分析其变形随时间的变化规律，且具有一定的科学性。南厂沟隧道进口D2K101+840和D2K101+845断面围岩拱顶下沉量随时间的变化曲线见图3和图4，围岩周边收敛值随时间的变化曲线见图5和图6。

图3　南厂沟隧道进口D2K101+840断面围岩　　　拱顶下沉量随时间的变化曲线Fig.3　Displacement of vault crown settlement of the　　　surrounding rock varying with time at 　　　D2K101+840 cross section of the Nanchanggou　　　tunnel entrance

图4　南厂沟隧道进口D2K101+845断面围岩　　　拱顶下沉量随时间的变化曲线Fig.4　Displacement of vault crown settlement of the　　　surrounding rock varying with time at 　　　D2K101+845 cross section of the Nanchanggou　　　tunnel entrance

图5　南厂沟隧道进口D2K101+845断面测线1围岩　　　周边收敛值随时间的变化曲线Fig.5　Peripheral displacement convergence of survey　　　line 1 of the surrounding rock varying with 　　　time at D2K101+845 cross section of the　　　Nanchanggou tunnel entrance

图6　南厂沟隧道进口D2K101+845断面测线2围岩　　　周边收敛值随时间的变化曲线Fig.6　Peripheral displacement convergence of survey　　　line 2 of the surrounding rock varying with time　　　at D2K101+845 cross section of the　　　Nanchanggou tunnel entrance

由图3和图4可见，南厂沟隧道进口D2K101+840和D2K101+845断面围岩拱顶下沉累计值在隧道开挖后急速增长，在变形量达到一定值后趋于稳定。

由图5和图6可见，南厂沟隧道进口D2K101+840断面和南厂沟隧道进口D2K101+845断面围岩周边收敛累计值先发生较大的波动随后缓慢增加再趋于稳定。

岳喜军[11]对泥质砂岩做了一系列力学性质试验后认为，影响砂岩及泥质砂岩强度的关键是岩体中裂隙的变化，因此将泥质砂岩应力-应变曲线分为四个阶段，即裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙扩张阶段和加速变形破坏阶段，并指出当裂隙在应力作用下全部闭合后，岩体强度最大，其应力-应变关系曲线呈短暂的线性关系，而后裂隙扩张会导致岩体强度降低。据此，可以根据图3和图4隧道围岩拱顶下沉监控量测数据对应地将隧道围岩变形分为三个阶段(以D2K101+840断面围岩拱顶下沉量随时间的变化曲线为例)：变形急速增加阶段(07-01～07-18)、变形相对稳定阶段(07-18～08-11)和变形缓慢增加阶段(08-11～)。一般认为，二衬施作在围岩变形趋于稳定后即可进行，因此根据监测数据判断何时是二衬施作最佳时期是非常重要的。

3隧道围岩变形数据拟合

根据《铁路隧道工程施工技术指南》(TZ 204—2008)规定，二次衬砌施作一般在隧道围岩和初期支护变形趋于稳定后进行，变形趋于稳定应符合：隧道周边变形速率明显下降并趋于缓和；或水平收敛(拱脚附近7 d平均值)小于0.2 mm/d、拱顶下沉速度小于0.15 mm/d；或施作二次衬砌前的累计位移已达极限位移的80%以上[12]。

由于红层软岩的特殊性，即使在变形趋于稳定后依然难以达到规范要求的收敛及下沉速度，因此根据规范无法确定红层软岩隧道合理施作二衬的时间。另外，由于现场监控量测所得到的数据有一定的离散性，它包含着偶然误差的影响，根据实测数据绘制的随时间而变化的散点图会出现上下波动，所以不经过处理难以利用[13]。对此，本文利用Origin9对实测数据散点图进行拟合，可以在很大程度上消除这种误差，并根据拟合曲线的变形速率及其变化率进行研究，据此来判断隧道围岩的稳定性，预测围岩进一步的变形，为指导施工提供科学的依据。常用的拟合曲线有多种，本文选取U=A(1-eBt)指数函数来拟合南厂沟隧道围岩拱顶下沉趋势，选取U=-A+Bln(1+t)对数函数来拟合南厂沟隧道围岩周边收敛趋势。南厂沟隧道进口DZK101+840和DZK101+845断面围岩拱顶下沉拟合曲线见图7和图8，其周边收敛拟合曲线见图9和图10。

采用指数函数拟合围岩拱顶下沉变化曲线可以较好地预估拱顶最终下沉量和趋于稳定的时间，例如南厂沟隧道D2K101+840断面围岩拱顶下沉拟合曲线为U=31.063×(1-e-0.099 2t)，当拱顶下沉变化率小于0.15 mm/d时，认为围岩变形基本稳定。因此，取U′<0.15 mm，得到t>30.46 d，取t=31 d，即认为围岩拱顶下沉达到稳定。

采用对数函数拟合围岩周边收敛曲线虽不能预测最终变形值，但可以用来判断围岩周边收敛趋于稳定的时间，例如南厂沟隧道D2K101+845断面测线1围岩周边收敛拟合曲线为U=-2.862+1.655ln(1+t)，当周边收敛变化率小于0.1 mm/d时认为围岩变形基本稳定。取U′<0.1 mm，得到t>16.5 d，取t=17 d，结合D2K101+845断面围岩拱顶下沉分析，即认为开挖第26 d后即可进行二衬施工。各断面关键点变形拟合分析见表5。

图7　南厂沟隧道进口D2K101+840断面围岩拱顶　　　下沉拟合曲线Fig.7　Fitting curve for the accumulative displacement　　　of vault crown settlement of the surrounding rock　　　varying with time at D2K101+840 cross　　　section of the Nanchanggou tunnel entrance

图8　南厂沟隧道进口D2K101+845断面围岩拱顶　　　下沉拟合曲线Fig.8　Fitting curve for the displacement of vault crown　　　settlement of the surrounding rock varying　　　with time at D2K101+845 cross section of the 　　　Nanchanggou tunnel entrance

南厂沟隧道典型断面D2K101+840和D2K101+845均位于Ⅴ级围岩区，拱顶下沉速度最大值分别为4.3 mm/d和4.6 mm/d，均发生在开挖后5～10 d内，随后变形速度迅速降低并趋于平稳，说明隧道围岩变形稳定，印证了新奥法施工的可行性。同时，由于南厂沟隧道典型断面D2K101+840和D2K101+845围岩最大下沉量分别为32.7 mm和31.6 mm，最大周边收敛值分别为6.27 mm和4.81 mm，低于预警值，证明初期支护设计满足要求。因此，在日后施工过程中若发现隧道围岩变形量远小于预警值，基于新奥法理念，可以适当修改初期支护设计，充分发挥围岩自稳能力，并控制围岩变形量，以达到施工更为经济合理的目的；若发现隧道围岩变形量接近或超过预警值的情况，应分析其原因，并通过修改初期支护设计来保证施工安全。可见，监控量测作为信息化施工的重要依据，应充分发挥其作用，以提升隧道工程品质。

图9　南厂沟隧道进口D2K101+845断面测线1围岩　　　周边收敛拟合曲线Fig.9　Fitting curve for peripheral displacement conver-　　　gence of survey line 1 of the surrounding rock　　　varying with time at D2K101+845 cross section of　　　the Nanchanggou tunnel entrance

图10　南厂沟隧道进口D2K101+845断面测线2围岩　　　周边收敛拟合曲线Fig.10　Fitting curve for peripheral displacement conver-　　　gence of survey line 2 of the surrounding rock　　　varying with time at D2K101+845 cross section of　　　the Nanchanggou tunnel entrance

断面量测项目拟合曲线围岩变形最终值/mm判定条件二衬施作时间/dD2K101+840拱顶下沉U=31.063×(1-e-0.0992t)31.063U'<0.15mm31D2K101+845拱顶下沉U=30.3847×(1-e-0.12478t)30.3847U'<0.15mm26D2K101+835拱顶下沉U=31.46034×(1-e-0.0994t)31.46034U'<0.15mm31D2K101+845周边收敛U=-2.862+1.655ln(1+t)/U'<0.1mm17D2K101+845周边收敛U=-2.1534+1.7982ln(1+t)/U'<0.1mm18

4结论

(1) 归纳了红层软岩隧道工程中监控量测方案及施工控制标准。

(2) 根据监控量测数据及前人对泥质砂岩力学性质研究，提出了南厂沟隧道红层软弱围岩变形变化规律，将围岩变形分为三个阶段，即变形急速增加阶段、变形相对稳定阶段和变形缓慢增加阶段，具有一定的代表性。

(3) 针对红层软岩隧道施工中缺少合理的标准判断围岩变形是否趋于稳定这一情况，提出了针对围岩拱顶下沉和周边收敛的合理的拟合曲线，通过拟合计算可以得到围岩变形趋于稳定的时间，并提出合理地判定二衬施作时间的方法，可为类似的工程提供借鉴。

参考文献：

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Analysis of the Surrounding Rock Stability and Supporting Time of a Soft Rock Tunnel in the Red Bed Area

LIU Ming,ZHANG Jiaming,ZHOU Zhiping,XIANG Zhangbo

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Abstract:The New Austrian Tunneling Method (NATM) is a method which has been widely used in the underground engineering and tunnel projects both at home and abroad.Meanwhile,its principle and advantages have also been recognized by engineers almost all over the world.To analyze the stability of surrounding rock and rationality of support measures during construction of soft rock tunnels in the red bed area,the Nanchanggou tunnel,a typical tunnel in Chengdu to Guiyang High Speed Railway,has been chosen as the research object.Based on NATM,this paper intends to study the stability of the surrounding rock and the deformation law of the tunnel as well as its shoring time by examining the real-time monitoring data of tunnel vault crown settlement and peripheral displacement convergence.The results show that the process of surrounding rock deformation of red-bed soft rock of the Nanchanggou tunnel can be divided into three stages in a row,namely the significantly increasing stage,the relatively stable stage and the slowly increasing stage.The time when the deformation of surrounding rock tends to be a stable value can be obtained by making a curve fitting analysis for the settlement of vault crown varying with time and peripheral displacement convergence,based on which the paper proposes the method of determining,the reasonable support time for secondary lining to provide reference for similar projects.

Key words:red-bed soft rock tunnel;NATM;monitoring measurement;surrounding rock stability;supporting time for secondary lining

文章编号：1671-1556(2016)03-0146-06

收稿日期：2015-09-03修回日期：2016-05-17

基金项目：国家自然科学基金项目(41002104)

作者简介：刘明(1993—)，男，硕士研究生，主要研究方向为工程地质。E-mail:840727340@qq.com

中图分类号：X93；U452.1

文献标识码：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.025

通讯作者：张家铭(1976—)，男，副教授，主要从事工程地质及地质灾害防治等方面的研究。E-mail：zjmnm@163.com