邵家臺軟巖隧道變形的時間效應研究

韋景寧

(鐵道第一工程局四公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

近年來，在我國土木工程建設中，越來越多地涉及到軟巖工程問題。當前，關于軟巖隧道的變形研究主要有現場變形監測、室內試驗以及數值模擬等。如:張青龍等［1］研究了富水軟巖隧道的變形特征及其變形機制;張祉道［2］結合家竹箐隧道探討了隧道施工中支護大變形的整治;盧愛紅等［3］通過理論分析和數值模擬研究了軟巖隧道變形的時空效應;王中文等［4］通過考慮圍巖蠕變特性探討了隧道二襯合理支護時機確定方法;孫元春等［5］研究了軟巖不同變形階段的時間效應;莊麗等［6］則對土質隧道的變形及穩定性進行試驗研究等。由于軟巖隧道開挖過程中受施工擾動引起的應力釋放大，其變形速率快且又收斂慢、變形持續時間長，如支護不當或不及時，則極易在開挖過程中產生坍塌等不同范圍的失穩事故。由此，有必要還需對軟巖隧道變形時間效應進一步展開研究。

本文結合湖北省谷(城)竹(溪)高速公路邵家臺軟巖隧道變形監測數據，分析隧道圍巖變形特征，探討隧道軟巖變形的時間效應和穩定特性，以期為軟巖隧道的設計、施工、監測提供參考，并為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程情況

谷(城)竹(溪)高速公路邵家臺隧道位于湖北省十堰市房縣青峰鎮紅塔鄉黨家灣村境內。雙連拱隧道結構形式，建筑界限凈寬23.5 m，凈高5.0 m，雙向四車道，設計車速80 km/h，起訖里程樁號:K87+785 ～K88+150，全長 365 m，最大埋深 54.9 m，省道S305兩次上跨該隧道。隧道設計進口端為65 m的Ⅴ級圍巖，出口端為110 m的Ⅴ級圍巖，其他部分均為Ⅳ級圍巖，長190 m，新奧法原理組織施工。

1.2 工程地質狀況

在大地構造上，邵家臺隧道位于南秦嶺構造帶內，處于武當山復背斜南翼。出露及揭露地層顯示:該隧道地層主要為第四系全新統殘坡積粉質粘土及志留系梅子埡組()千枚巖、炭質片巖，絹云母含量極高，屬變質軟巖，結合巖土層形成時代、巖性、巖土層特征及風化程度，具體描述如下:

Ⅰ粉質粘土層:

褐黃色，硬塑，夾雜有少量礫石，分布于隧址區基巖表面，厚度約 1.3 m;

灰白色，變晶結構，主要礦物成分為黑云母、長石、石英等，巖芯呈碎塊狀，最大厚度29.1 m;

灰黑色，變晶結構，主要礦物成分為黑云母、長石、石英等，裂隙發育，巖芯呈短柱和碎塊狀，采取率為60%，RQD為25%，鉆探揭示最大厚度11.4 m(未揭穿)。

1.3 隧址區水文狀況

隧址區地表水系不發育，主要為大氣降水形成的地表面流及山體溝谷內季節性徑流。地下水主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，松散巖類孔隙水賦存于第四系松散堆積物中，易滲透流失;基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中，大氣降水補給，受巖石完整性及裂隙開啟程度制約，沿基巖風化裂隙、構造裂隙等向地勢低凹處呈脈狀、線狀排泄。水質試驗表明，地表水、地下水對混凝土無腐蝕性。

2 邵家臺隧道圍巖位移變形監測方案

為及時掌握施工中隧道圍巖穩定程度與支護變形動態信息，對隧道實施監控量測是十分必要的。通過對監控量測數據分析和判斷，對圍巖—支護體系的穩定狀態進行預測，掌握邵家臺隧道施工過程中圍巖變形動態信息及穩定程度，確定合理施工措施，確保隧道結構的穩定與安全。

邵家臺隧道圍巖變形情況采用收斂變形監測。由于掌子面開挖完成后，立即進行初次支護，故監測環直接焊接在拱架上，收斂計測量精度為0.01 mm。監測斷面點布設間距:Ⅳ級圍巖不大于25 m，Ⅴ級圍巖應小于20 m，當隧道圍巖發生變化時適當加密，同時，各監測點盡可能靠近工作面0.5 m～2 m處埋設，初讀數在開挖后12 h～24 h進行，且在下一循環開挖前，完成初期變形值的讀數。

3 邵家臺隧道圍巖變形時間效應

隧道圍巖的變形是在一系列復雜應力條件下的綜合反映。研究隧道圍巖位移變形規律，探討其變形的時間效應特征，評價圍巖穩定性，有助于軟巖隧洞安全施工作業。

3.1 邵家臺隧道圍巖變形特點

結合邵家臺隧道圍巖變形現場監測，選取典型監測斷面K87+815，K87+820，K87+826監測數據進行研究，其位移隨時間變化情況如圖1所示。

圖1 代表性監測斷面累計位移—時間曲線圖

從圖1可以看出，邵家臺隧道圍巖收斂變形具有以下特點:

1)邵家臺隧道各斷面圍巖位移收斂變形—時間變化曲線過程形狀相似，變形均有明顯“階梯”形，階梯發生時間在隧道開挖后3 d～4 d左右出現;

2)隧道圍巖變形歷時時間較長，初期發展較快，持續時間9 d～15 d，位移較大，約達累計收斂的85%～90%，伴隨時間延長，隧道圍巖累計位移逐漸趨向穩定。

3.2 邵家臺隧道圍巖變形時間效應

隧道開挖后，其圍巖應力隨著其空間約束釋放和時間的推移而逐步釋放。在軟巖隧道施工中，伴隨掌子面開挖及掌子面開挖停止，圍巖變形主要表現在相當長時間內繼續增長。

對邵家臺隧道圍巖典型監測斷面K87+815，K87+820，K87+826現場監測數據進行回歸分析研究，探討隧道圍巖收斂變形隨時間變化的關系。回歸擬合結果如表1所示。

表1 監測斷面收斂變形回歸分析結果

從表1可以看出，各回歸方程的相關系數都在0.97以上，相關性好，回歸方程能反映邵家臺軟巖隧道圍巖的變形趨勢，結果可靠性強。

結合圖1，表1分析，邵家臺軟巖隧道掌子面在前期連續開挖過程中，隧洞變形主要表現為彈性變形，并在瞬間釋放完畢，變形急劇增長;在某一時間點后圍巖變形速度減緩，隨著時間的延續，圍巖位移演變在繼續增加。當t→∞時，由回歸擬合方程知，斷面K87+815最終變形位移為303.03 mm;斷面K87+820最終變形位移為322.58 mm;斷面K87+826最終變形位移為161.29 mm，均大于現場監測值。由此看見，隨著掌子面在連續開挖，即使處于空間約束條件下，軟巖圍巖變形時間效應還是很明顯的。

時間效應的影響，使隧道變形表現于緩慢增長，其變形速率小，但持續時間長，變形量大。因此，對于初期支護后的斷面，應從施工手段上減小時間效應的影響，避免初期支護結構破壞。

3.3 邵家臺隧道圍巖變形穩定性研究

隧道圍巖變形穩定性通常認為是隧道圍巖變形基本穩定，一次支護結構不會因產生過大變形而破壞，同時二次襯砌承擔較小的形變載荷。

結合邵家臺隧道圍巖變形時間效應確定位移收斂變形的極限值，評價其圍巖穩定性，判斷圍巖變形穩定時間，確定軟巖隧道二次襯砌施作時，可使得現場施工過程得以優化。

利用表1回歸方程，以圍巖變形速率判定隧道圍巖穩定性。設定A為變形穩定判定值，當時，即可以認為隧道圍巖變形處于穩定階段，即可進行二次襯砌。

結合現場實際，考慮到隧洞長期施工，為確保隧洞的安全，施工中取邵家臺隧道變形穩定判定值A=2.50 mm/d，則各斷面圍巖變形穩定時間分別為:K87+815斷面，穩定時間14 d，du/dt=2.18＜A，變形量占變形總量的80%;K87+820斷面，穩定時間9 d，du/dt=1.41＜A，變形量占變形總量的83%;K87+826斷面，穩定時間13 d，du/dt=2.15＜A，變形量占變形總量的81%。由此可見，隧道斷面K87+815，K87+820，K87+826在掌子面開挖14 d，9 d，13 d后進行二次襯砌施作應當是合理的。現場施工實際也表明，計算與實際吻合良好。

4 結語

基于邵家臺隧道地質施工狀況，確立了邵家臺隧道圍巖變形監測方案，并且研究了隧道圍巖的變形特征，探討了時間效應下隧道圍巖變形過程以及其隧道圍巖的穩定性。研究結果表明邵家臺軟巖隧道變形演變具有明顯的時間效應。由此，在邵家臺軟巖隧道施工過程中，要盡量減少對隧道圍巖的擾動，同時，要采取預先必要措施，提高隧道圍巖強度，控制時間效應的影響，確保隧道施工安全。

［1］張青龍，李 寧，曲 星，等.富水軟巖隧洞變形特征及變形機制分析［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(11):2196-2202.

［2］張祉道.家竹箐隧道施工中支護大變形的整治［J］.世界隧道，1997(1):7-16.

［3］盧愛紅，茅獻彪，彭維紅.軟巖巷道的彈—黏塑性分析［J］.采礦與安全工程學報，2008，25(3):313-317.

［4］王中文，方建勤，夏才初，等.考慮圍巖蠕變特性的隧道二襯合理支護時機確定方法［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(S1):3241-3246.

［5］孫元春，尚彥軍.巖石隧道圍巖變形時空效應分析［J］.工程地質學報，2008，16(2):211-215.

［6］莊 麗，周順華.淺埋層狀大跨度土質隧道變形及穩定性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(S2):3360-3366.