高地應力軟巖隧道現場試驗分析

郭正偉，高新利

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250022)

1 工程背景

隨著我國鐵路建設技術水平的不斷提高，越來越多的特長隧道方案被采用，處于深埋區長大隧道，往往地應力水平都較高，地質條件復雜;再加上地質構造強烈，巖體往往軟弱破碎，這些因素往往給工程施工帶來很大困難和風險。因此開展高地應力下軟巖隧道的穩定性研究顯得格外具有現實意義。

這里所說的高地應力是一個相對的概念，它是相對于圍巖強度(Rb)而言的，當圍巖內部的最大地應力(σmax)與圍巖強度的比值(Rb/σmax)達到某一水平時，才能稱為高地應力或極高應力［1］，即

表1為世界各國圍巖強度應力比的分級標準。［2］

表1 各國圍巖強度應力比的分級標準

關于軟巖的定義國內外一直存在爭議，從不同角度有不同定義。國際巖石力學學會(ISRM)規定軟巖的單軸抗壓強度在0.5～25 MPa，極軟巖的單軸抗壓強度≤1.25 MPa，極硬黏性土的單軸抗壓強度 ＞ 0.3 MPa。［3］

本文研究的某隧道位于強烈的地質構造帶，區域斷裂構造發育，正洞通過的區域性斷裂有4條，次級斷裂共16條，區域地下水發育、分布集中，地層軟弱破碎，埋深達800 m以上。圍巖強度應力比小于1.0，屬于極高地應力。大埋深富水斷層區施工中高地應力和突、涌水問題突出，隧道施工難度極大。

2 現場試驗分析

通常對地下工程采用的研究方法多種多樣，當前主要有理論分析、現場實測、模型試驗、有限元數值模擬等。由于地下工程現場條件復雜，影響因素眾多，理論分析存在極大困難;模型試驗和有限元數值模擬由于對實際情況的簡化，使其可信度降低。針對地下工程的特點，最為可信、可作為實踐參考的還是來自現場量測的數據。通過對該高地應力隧道的現場實測，揭示巖體變形特征，掌握圍巖壓力釋放規律，為類似工程的設計與施工提供指導。

2.1 量測斷面及測點布置

為了掌握該高地應力隧道監測區段內圍巖壓力的釋放規律，以確定隧道支護結構的形式以及選擇合理的施工方法，在監測區段內選取多個量測斷面，開展現場試驗。支護結構形式及參數如表2所示。

表2 試驗段支護參數

在選定斷面分別進行了以下量測項目:拱頂下沉、水平收斂、錨桿軸力、支護結構壓力、松動圈量測等。試驗斷面及量測項目見圖1。

圖1 斷面形式及測點布置

2.2 現場測試結果分析

2.2.1 變形量測

變形量測包括初支拱頂下沉及水平收斂。拱頂下沉采用精密水準儀量測，用收斂計量測洞周水平收斂變形［4，5］。試驗中在隧道頂部布置拱頂下沉測點，在軌頂高程以上2.0 m位置和拱腳位置布置2條水平側線，稱為水平側線1和水平側線2，見圖1。量測結果曲線見圖2。

圖2 變形量測時間曲線

由圖2可見，水平收斂變形值明顯大于拱頂下沉，水平收斂變形最大值為拱頂下沉值的7～8倍，這與常規地應力條件下的變形規律顯著不同;且高地應力軟巖下隧道開挖變形發展快、持續時間長，15 d后監測變形仍在緩慢發展。說明在高地應力下軟巖極具流變性，隧道開挖后圍巖壓力釋放持續時間長。

2.2.2 松動圈測試

松動圈測試是為了解圍巖塑性區分布狀況，試驗采用地震折射層析法。通過對松動圈測試數據的分析，可將隧道開挖后松動圈范圍從內向外劃分為3個帶:松散脫落帶、松動帶、過渡帶。［1］

試驗結果顯示，松動圈大多集中在隧道底部與邊墻部位，該處松動圈分布范圍大，深度深，拱頂部位松動圈相對較小，這些特點與變形規律基本是一致的。具體松動圈分布如下:松散脫落帶，厚度為0.3～0.4 m;松動帶，厚度為0.65～3.05 m;過渡帶，厚度為0.55～2.95 m。松動圈厚度為1.45～4.92 m。

2.2.3 錨桿軸力量測

錨桿軸力采用電磁感應式鋼筋計進行量測［6～7］，在量測斷面內選拱腰、墻腰、墻角3個位置6根錨桿進行試驗，以了解錨桿軸力的分布規律，如圖1所示。錨桿軸力分布如圖3所示，測試結果顯示:所測錨桿大部分受拉，最大軸力為107.58 kN，最小軸力72.29 kN。

圖3 錨桿軸力分布

由圖3可見，高地應力軟巖隧道初支錨桿軸力較大且分布相對均勻，錨桿的優勢得以充分發揮，在高地應力軟巖隧道施工中錨桿是一種有效的支護手段。

2.2.4 圍巖壓力及二襯接觸應力量測

試驗儀器采用壓力盒［8～9］，試驗中隨施工的進行將壓力盒埋設于初支及二襯背后，以了解他們之間作用力的大小。初支圍巖壓力量測位置:拱頂，拱底，左右拱腰和左右墻角，共6個測點;二襯接觸應力量測位置:左右拱腰和左右墻角，共4個測點，見圖1。測試結果如表3所示。實測最大初期支護圍巖壓力1.274 MPa，最大二次襯砌接觸壓力0.194 MPa。

表3 支護巖壓力量測結果 MPa

由表3可見，拱底和拱頂部位的圍巖壓力較大，特別是拱底應力集中明顯，支護結構極易在這些部位發生破壞，而拱腰和墻腳位置應力逐漸減弱。二襯接觸應力較小，變化不明顯。

2.3 支護施作時機及剛度對量測結果的影響

現場試驗還發現有些因素對量測的變形和應力有較大影響，主要是支護結構的施作時機及其剛度［10］。

(1)支護施作時機的影響

支護結構施作時機主要體現在單重支護和二重支護對量測結果的影響，這里所說的雙重支護是指隧道開挖后及時施作一次支護，允許一次支護發生局部屈服，但可保持坑道暫時穩定，根據監測結果及時對一次支護進行補強，即二次支護，使地壓和支護反力得到平衡，最終使洞室結構趨于穩定。基本理念就是支護結構分次施作，使圍巖壓力逐步釋放，最終達到控制隧道變形的目的［2］。

試驗結果顯示，單重支護對約束圍巖前期變形效果較好，但支護結構應力增長很快，達到1.9 MPa以上，已超過混凝土抗拉強度，不久初支混凝土出現局部開裂，鋼支撐發生扭曲變形，最終對支護結構安全產生不利影響。而二重支護下雖然變形有所增加，但二次支護施作后支護結構應力很小，只有0.3～0.5 MPa，洞周收斂的變形速率逐漸減小，變形趨于穩定。

(2)支護剛度的影響

現場試驗發現，鋼支撐普遍出現局部扭曲變形，即使開挖后增大鋼支撐的支護參數，比如加大工字鋼型號到I22a，減小鋼支撐間距到0.5 m，鋼支撐還是會出現扭曲變形，甚至破壞。由此可見，增大支護結構的剛度并不能有效控制高地應力軟巖大變形。

3 結論

根據對量測結果分析，并結合實際地應力和地層情況，可得到高地應力軟巖隧道的施工有如下規律。

(1)隧道變形以水平收斂變形為主，且變形持續時間長，巖體具有明顯的流變特性。隧道施工應適應這種規律，使圍巖壓力逐步得到釋放。應堅持“先期釋放圍巖壓力”，比如超前導坑、導洞等使圍巖壓力提前釋放;堅持“先讓后抗，邊讓邊抗”的原則，支護結構剛度逐步加強，讓圍巖壓力得到緩慢釋放，逐漸控制圍巖變形。

(2)實踐證明:在高地應力軟巖條件下錨桿是一種有效的支護形式，錨桿的抗拉強度可以得到較好的發揮，值得采用。

(3)支護結構的頂部和底部應力集中明顯，這些部位易先發生破壞，施工中應引起重視。

(4)單靠一次支護，無法使收斂減緩，且支護結構容易發生早期破壞;而采用多重支護，可以達到逐步釋放應力的目的。實踐證明:多重支護對控制軟巖大變形是適合的。

(5)實踐還證明:增大支護剛度并不能控制軟巖大變形，高地應力軟巖條件下支護結構宜柔不宜剛。

希望以上結論對高地應力軟巖隧道施工提供有益參考，同時，在施工中應嚴格做好監控量測工作，特別做好水平收斂變形的監測分析。對每天量測數據進行合理取舍，并進行回歸分析，預測變形的發展趨勢，及時準確地提出用于施工決策的建議。

［1］石家莊鐵道學院.烏鞘嶺隧道高地應力軟巖大變形控制技術研究階段報告［R］.石家莊:石家莊鐵道學院，2006.

［2］郭正偉.關角隧道擠壓大變形控制技術研究［D］.石家莊:石家莊鐵道大學，2010:1-93.

［3］石家莊鐵道學院.關角隧道高地應力富水軟弱圍巖支護技術研究［R］.石家莊:石家莊鐵道學院，2009.

［4］朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［5］中華人民共和國建設部.GB50086—2001 錨桿噴射混凝土支護技術規范［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

［6］關寶樹.隧道力學概論［M］.成都:西南交通大學出版社，1993.

［7］關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［8］中華人民共和國鐵道部.TB10108—2002 鐵路隧道噴錨構筑法技術規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB10204—2002J163—2002 鐵路隧道施工規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［10］劉志春，李文江，等.軟巖大變形隧道二次襯砌施作時機探討［J］.巖石力學與工程學報，2008(3).