深埋碳质板岩隧道采用不同开挖方法时围岩及初期支护变形特征

，，，，

(1.中铁隧道局集团有限公司 勘察设计研究院，广东 广州 511400； 2中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

近年来，我国不断加大基础设施投资建设力度，使得我国铁路、公路、地铁隧道工程的建设规模不断扩大，隧道工程的施工技术和机械化均得到了迅猛提高。目前，我国的铁路、公路隧道逐渐向中西部、深埋和长大方向发展。对于深埋碳质板岩隧道来说，一方面围岩较破碎、松散，承载能力较低，另一方面深埋隧道施工过程中应力较大，隧道开挖后围岩变形明显且受力不断变化[1-3]，如木寨岭隧道累计最大沉降达171cm[4]。宜巴高速峡口隧道在25d内洞顶下沉达23cm[5]。因此，研究隧道开挖及初期支护变形特征尤为重要。

不少学者对板岩隧道变形机理和支护变形特征进行研究。王建军[6]提出碳质板岩隧道开挖后应力重分布，变形分为应力扩容型和结构变形型2类。王云龙等[7]提出在板梁弯曲变形机制下层状岩体失稳破坏。刘阳等[8]提出了木寨岭隧道碳质板岩段变形是塑性流变、节理面滑移、压杆失稳和板梁弯曲多因素作用的结果。李志平等[9]提出了板岩段支护体系的综合评价指标，对不同支护刚度和不同开挖断面形式下的板岩段隧道支护体系进行了评价。张咪等[10]提出围岩强度越小，隧道埋深越大，其开挖后的变形量越大。本文采取数值模拟和现场监测相结合的方法，对高黎贡山隧道1#斜井碳质板岩段隧道的开挖、变形进行研究，通过分析拱顶沉降、水平收敛、围岩压力和钢拱架应力的变化探讨隧道开挖变形规律，为工程施工提供指导。

1 工程概况

高黎贡山隧道1#斜井施工起讫里程为XJ1ZK0+000—XJ1ZK3+646。里程XJ1ZK2+855附近为碳质板岩段，埋深600 m。隧道采用多功能作业台架全断面开挖，高度7.5 m，跨度8.6 m，断面54.3 m2。隧道采用直径22 mm，长度3.5 m的砂浆锚杆，全环I20工字钢，25 cm厚的C25混凝土初期支护。

2 数值模拟

2.1 模型的建立

图1 二维平面应变弹塑性计算模型

钢拱架的作用采用等效方法予以考虑[11-12]，隧道围岩及支护材料参数见表1。

表1 隧道围岩及支护材料参数

2.2 工况的设置

工况1：隧道先含仰拱全断面开挖，然后打锚杆，立钢拱架，喷混凝土。

工况2：隧道先不含仰拱全断面开挖，然后上部打锚杆，立钢拱架，喷混凝土；之后开挖仰拱，下部立钢拱架，喷混凝土。

2.3 模拟结果与分析

图2为工况1和工况2围岩变形和应力分布云图。可知：工况1的围岩拱顶沉降、水平收敛、最大有效塑性应变和最大剪应力分布规律和工况2基本一致，最大有效塑性应变出现在左侧仰拱靠近拱脚处，最大剪应力出现在拱脚。

图2 工况1和工况2变形和应力分布云图

从拱顶沉降最大值来看，工况1为45.1 mm，工况2为44.8 mm，二者差值仅为0.3 mm，相差0.67%。从水平收敛最大值来看，工况1为53.0 mm，工况2为56.7 mm，二者差值为3.7 mm，相差6.98%。从塑性应变最大值来看，工况1为1.79%，工况2为7.99%，工况2比工况1大346%。从最大剪应力最大值来看，工况1为19.53 MPa，工况2为22.25 MPa，二者差值为2.72 MPa，相差13.93%。综合考虑4项指标，含仰拱全断面开挖在控制围岩变形和剪切破坏方面更有优势。

3 现场监测

3.1 监测点的布置

现场采用含仰拱全断面开挖法施工。为了解深埋碳质板岩隧道初期支护变形特征，在里程XJ1ZK2+855处布置监测断面，进行围岩压力、钢拱架应力、拱顶沉降和水平收敛监测。根据隧道开挖揭示，监测断面XJ1ZK2+855处围岩岩性为碳质板岩，岩体较破碎，节理、裂隙发育，方解石充填，地下水不发育，局部渗水。在拱顶、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚5个特征点布置了JTM-V2000C型振弦式土压力盒和CL-XZ-B钢筋应变计。钢筋应变计在全环钢拱架拼装完成之后焊接，焊接在钢拱架的上下翼缘。土压力盒在围岩爆破出砟立拱后埋设，压力盒与围岩紧密接触。

3.2 结果分析

1)围岩压力

图3 围岩压力分布(单位:MPa)

围岩压力分布见图3，压为正。可知：围岩压力并不是均匀分布在支护结构上，由于各种因素的影响支护结构不同部位围岩压力相差较大，表现出明显的不对称性，甚至出现了围岩压力集中。最大围岩压力出现在拱顶处，其值为3.422 MPa，说明在构造应力作用下竖直方向的力占据主导地位。最小围岩压力为0.133 MPa，出现在右拱脚处。除去拱顶围岩压力，监测断面上右拱腰、左拱脚围岩压力较大，其值分别为2.606，1.503 MPa，出现右上左下的偏压现象。

围岩压力随监测时间变化曲线见图4。

图4 围岩压力随监测时间变化曲线

从图4可知，随着监测的进行围岩压力分为急剧增长、增速变缓和趋于稳定3个阶段。急剧增长阶段最大围岩压力占整体最大围岩压力的70%～85%。拱顶围岩压力在监测前6 d增长速度非常快，达到拱顶围岩压力最大值的82.23%，在第12 d达到最大值。从第15 d开始，拱顶围岩压力逐渐减小。拱顶围岩压力一直比右拱腰和左拱脚大，在第14 d左右右拱腰和左拱脚围岩压力达到最大值。监测断面内竖向力占据主导地位，存在右上左下的偏压现象。

2)钢拱架应力

在二次衬砌施作前，由钢拱架和初支混凝土共同承担围岩压力。钢拱架应力分布见图5，压为正。

图5 钢拱架应力分布(单位:MPa)

由图5可知：钢拱架应力也不是均匀分布在拱架上，钢拱架应力分布和围岩压力分布规律基本一致，表现出明显的不对称性。钢拱架监测点均受压。拱顶钢拱架应力最大，其值为183.353 MPa。右拱腰、左拱脚钢拱架应力较大，其值分别为170.390，163.294 MPa，出现右上左下的偏压现象。

钢拱架应力随监测时间变化曲线见图6。

图6 钢拱架应力随监测时间变化曲线

从图6可知：随着监测的进行，钢拱架应力分为急剧增长、增速变缓和趋于稳定3个阶段。急剧增长阶段最大拱架应力占整体最大拱架应力的60%～85%。拱顶测点在测试过程中发生破坏，最终值为第16 d的183.305 MPa，前7 d钢拱架应力急剧增长，达到拱顶最大拱架应力的83.01%。

3)围岩变形

对拱顶沉降和水平收敛进行监测。围岩累计变形随监测时间变化曲线见图7。

图7 围岩累计变形随监测时间变化曲线

从图7可知：拱顶沉降最大值为50.8 mm，水平收敛最大值为64.8 mm，与数值模拟计算的工况1拱顶沉降最大值45.1 mm和水平收敛最大值53.0 mm相比，分别增大了12.63%和22.26%。考虑有以下2个原因：①岩体破碎，有少量渗水，使得岩体更加松软。②各锁脚锚管和系统锚杆打设不及时。

拱顶沉降和水平收敛整体上先急剧增大，然后增速变缓，变形至最大值，之后稍有回弹，变形趋于稳定。拱顶沉降在第23 d达到最大值，水平收敛在第22 d 达到最大值。拱顶沉降小于水平收敛，表明围岩在水平方向上承受更大的荷载，与现场测试中应力较大值出现在右拱腰和左拱脚的情况相对应。

4 结论

1)深埋碳质板岩隧道含仰拱全断面开挖比不含仰拱全断面开挖在控制围岩变形和剪切破坏方面有一定优势。

2)围岩压力和钢拱架应力分布规律基本一致，表现出明显的不对称性，围岩压力和钢拱架应力的较大值均出现在右拱腰和左拱脚，出现右上左下偏压现象。

3)围岩压力和钢拱架应力时程曲线均先急剧增长、而后增速变缓，最后趋于稳定。围岩压力和钢拱架应力急剧增长阶段的最大值分别占到整体最大值的70%～85%和60%～85%。