紅層軟巖隧道圍巖穩定性及支護時機研究

劉　明，張家銘，周治平，向章波

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

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紅層軟巖隧道圍巖穩定性及支護時機研究

劉明，張家銘，周治平，向章波

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

摘要：新奧法作為一種目前國內外地下工程建筑及隧道施工時普遍應用的方法，其原理與優勢得到了廣泛認可。為分析紅層軟巖隧道施工中的圍巖穩定性和支護合理性，根據成貴高鐵南廠溝隧道工程實際情況，利用實時監測的隧道圍巖拱頂下沉和周邊收斂數據，基于新奧法理念研究了隧道圍巖的穩定狀況、變形規律以及二襯支護時機。結果表明：南廠溝隧道紅層軟弱圍巖變形可分為變形急速增加階段、變形相對穩定階段和變形緩慢增加階段三個階段；針對圍巖拱頂下沉和周邊收斂的合理的擬合曲線，通過擬合計算可以得到圍巖變形趨于穩定的時間，并據此提出合理地判定二襯施作時間的方法，可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：紅層軟巖隧道；新奧法；監控量測;圍巖穩定性；二襯支護時機

新奧法(New Austrian Tunneling Method,NATM)的原理是充分發揮圍巖自穩能力使圍巖成為承載結構的一部分[1]。監控量測作為新奧法的三大支柱之一，通過隧道施工過程中對圍巖和支護系統穩定狀況的實時監控，對監控數據進行分析和綜合判斷，并進行反饋，對優化支護設計及施工發揮重要的作用。

目前，國內外學者在隧道圍巖穩定性及支護時機方面做了大量的研究工作。在國外,Kaiser等[2]和Sulem等[3]對隧道圍巖穩定性及支護時機做了較早的研究。在國內，楊建平等[4]研究了小靜距隧道在不同荷載釋放比例下不同支護時機對圍巖穩定性的影響；王中文等[5]利用擬合公式分析了考慮圍巖蠕變特性的隧道二襯在不同級別圍巖、不同初襯厚度和開挖跨度時的合理支護時機；張學文等[6]利用有限元方法對引水隧洞施工過程中圍巖與襯砌之間的作用進行了數值模擬。

隨著川南地區高速鐵路的興修，出現大量穿越紅層軟巖的隧道。紅層是外觀以紅色為主色調的碎屑巖沉積地層[7]，其成巖膠結程度差且富含黏土礦物導致其表現出強度低、塑性變形大、水理性強、易風化等特殊性質[8-10]。目前學者們針對此種工程地質條件下有關隧道圍巖穩定性方面的研究較少，因此開展紅層軟巖隧道開挖后圍巖穩定性評價及支護方案研究具有重要的意義。為此，本文根據成貴高鐵南廠溝隧道工程實際情況，利用實時監測數據，基于新奧法理念研究了紅層軟巖隧道圍巖的穩定狀況，分析其變形規律，并提出合理的判定二襯支護施工時間的方法，以為類似工程提供參考。

1工程概況

1.1工程背景

1.2基于新奧法的監控量測方案

監控量測的目的是在隧道施工過程中，對圍巖和支護系統的穩定狀態進行監測，為初期支護和二次襯砌的參數調整提供依據，且監測量測的數據經整理和分析獲取的信息及時反饋到設計和施工中，進一步優化設計和施工方案，以達到安全、經濟、快速的目的，同時也是施工安全和質量的保障。

1.2.1隧道圍巖凈空水平收斂量測

凈空水平收斂量測采用全站儀進行，隧道開挖后按要求迅速安裝反射片并編號，初始讀數應在開挖后12 h內讀取，最遲不得大于24 h，而且在下一循環開挖前獲得初始讀數。測點應牢固可靠、易于識別，并注意保護，嚴防爆破損壞。

作為觀測隧道圍巖凈空位移量測技術的全站儀遙測技術，其基本原理是利用全站儀自由設站遠距離測定量測點位不同時段相對的三維坐標，求出其基線值，再計算收斂位移。其計算公式如下：

(1)

Δsi=si-si-1

(2)

Si=∑si

(3)

式中：si為第i天的基線值；Δsi為第i天與第i-1天基線值之差，即收斂差值；Si為第i天與第1天基線值之差，即總收斂值。

全站儀圍巖凈空位移量測示意圖見圖1。

圖1　全站儀圍巖凈空位移量測示意圖Fig.1　Schematic diagram of surrounding rock displacement　　　measurement with the total-station

1.2.2隧道圍巖拱頂下沉量測

拱頂下沉主要用于確認隧道圍巖的穩定性。在每個量測斷面的拱部設置測點，量測時采用一把長度適宜的鋼卷尺，尺端連一個自制掛鉤掛在測點上，將尺子鉛垂放下，穩定后采用精密水準儀和銦鋼水準尺測量拱頂沉降量，噴射混凝土后應迅速在測點處設固定樁，在各工區洞外各設一水準基點供洞內拱頂下沉量測用。

南廠溝隧道洞內斷面監控量測布置方案見圖2。

圖2　南廠溝隧道洞內斷面監控量測布置方案Fig.2　Distribution diagram of observation points for　　　surrounding rock displacement measurement　　　in the Nanchanggou tunnel

1.3南廠溝隧道圍巖工作狀態判定

在隧道施工監測過程中，針對南廠溝隧道的工程地質條件以及支護和施工方法，建立判斷標準來直接根據量測結果判斷圍巖的穩定性和支護系統的工作狀態，并作為調整支護參數和采取相應的施工技術措施的依據。根據《鐵路隧道監控量測技術規程》(TB 10121—2007)和《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知》[鐵建設(2010)120號]，以及《關于印發〈鐵路隧道監控量測標準化管理實施意見〉的通知》[工管辦函(2014)92號]的相關要求，確定其判定條件如下：

(1) 隧道圍巖凈空變化、拱頂下沉和地表下沉(淺埋地段)等必測項目應設置在同一斷面，其量測斷面間距按表1判定。

表1　量測斷面間距設置

(2) 隧道圍巖凈空水平收斂量測和拱頂下沉量測采用相同的監控量測頻率，量測頻率應根據量測斷面距開挖工作面的距離和位移速度分別按表2和表3確定。實際量測頻率應從由開挖工作面的距離決定的監控量測頻率(表2)和由位移速度決定的監控量測頻率(表3)之中選擇較高的一個量測頻率。

表2　按量測斷面距開挖面的距離確定的

注：B為隧道開挖寬度。

表3　按位移速度確定的監控量測頻率

(3) 采用隧道圍巖變形總量和變形速度對隧道安全進行等級管理，隧道圍巖變形總量安全管理等級見表4。

表4　隧道圍巖變形總量安全管理等級表

當測點位移速度大于5 mm/d時，由監理工程師組織施工單位在施工現場進行原因分析，并采取處理措施；當測點位移速度連續2 d大于10 mm/d時，由監理單位組織施工單位進行原因分析和制定處理措施并上報建設單位段落指揮部批準；當測點位移速度大于15 mm/d時，由公司段落指揮部組織設計、監理、施工等單位進行原因分析，并制定處理措施。

根據圍巖位移量測值或預計最終位移值與位移臨界值進行對比，來確定隧道圍巖變形管理等級，位移臨界值的確定需根據具體工程來確定。南廠溝隧道圍巖變形管理等級見表5。

表5　南廠溝隧道圍巖變形管理等級

注：U為實測位移值(mm)；U0為最大允許位移值(mm)。

2監控量測數據分析

本文選用南廠溝隧道進口D2K101+840和D2K101+845兩個斷面監控量測數據進行分析，由于這兩個斷面距洞口分別為15 m和20 m，出于安全步距的考慮并未及時施作二襯，因此該斷面圍巖變形并不受二襯支護的影響，可以充分分析其變形隨時間的變化規律，且具有一定的科學性。南廠溝隧道進口D2K101+840和D2K101+845斷面圍巖拱頂下沉量隨時間的變化曲線見圖3和圖4，圍巖周邊收斂值隨時間的變化曲線見圖5和圖6。

圖3　南廠溝隧道進口D2K101+840斷面圍巖　　　拱頂下沉量隨時間的變化曲線Fig.3　Displacement of vault crown settlement of the　　　surrounding rock varying with time at 　　　D2K101+840 cross section of the Nanchanggou　　　tunnel entrance

圖4　南廠溝隧道進口D2K101+845斷面圍巖　　　拱頂下沉量隨時間的變化曲線Fig.4　Displacement of vault crown settlement of the　　　surrounding rock varying with time at 　　　D2K101+845 cross section of the Nanchanggou　　　tunnel entrance

圖5　南廠溝隧道進口D2K101+845斷面測線1圍巖　　　周邊收斂值隨時間的變化曲線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

圖6　南廠溝隧道進口D2K101+845斷面測線2圍巖　　　周邊收斂值隨時間的變化曲線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

由圖3和圖4可見，南廠溝隧道進口D2K101+840和D2K101+845斷面圍巖拱頂下沉累計值在隧道開挖后急速增長，在變形量達到一定值后趨于穩定。

由圖5和圖6可見，南廠溝隧道進口D2K101+840斷面和南廠溝隧道進口D2K101+845斷面圍巖周邊收斂累計值先發生較大的波動隨后緩慢增加再趨于穩定。

岳喜軍[11]對泥質砂巖做了一系列力學性質試驗后認為，影響砂巖及泥質砂巖強度的關鍵是巖體中裂隙的變化，因此將泥質砂巖應力-應變曲線分為四個階段，即裂隙閉合階段、彈性變形階段、裂隙擴張階段和加速變形破壞階段，并指出當裂隙在應力作用下全部閉合后，巖體強度最大，其應力-應變關系曲線呈短暫的線性關系，而后裂隙擴張會導致巖體強度降低。據此，可以根據圖3和圖4隧道圍巖拱頂下沉監控量測數據對應地將隧道圍巖變形分為三個階段(以D2K101+840斷面圍巖拱頂下沉量隨時間的變化曲線為例)：變形急速增加階段(07-01～07-18)、變形相對穩定階段(07-18～08-11)和變形緩慢增加階段(08-11～)。一般認為，二襯施作在圍巖變形趨于穩定后即可進行，因此根據監測數據判斷何時是二襯施作最佳時期是非常重要的。

3隧道圍巖變形數據擬合

根據《鐵路隧道工程施工技術指南》(TZ 204—2008)規定，二次襯砌施作一般在隧道圍巖和初期支護變形趨于穩定后進行，變形趨于穩定應符合：隧道周邊變形速率明顯下降并趨于緩和；或水平收斂(拱腳附近7 d平均值)小于0.2 mm/d、拱頂下沉速度小于0.15 mm/d；或施作二次襯砌前的累計位移已達極限位移的80%以上[12]。

由于紅層軟巖的特殊性，即使在變形趨于穩定后依然難以達到規范要求的收斂及下沉速度，因此根據規范無法確定紅層軟巖隧道合理施作二襯的時間。另外，由于現場監控量測所得到的數據有一定的離散性，它包含著偶然誤差的影響，根據實測數據繪制的隨時間而變化的散點圖會出現上下波動，所以不經過處理難以利用[13]。對此，本文利用Origin9對實測數據散點圖進行擬合，可以在很大程度上消除這種誤差，并根據擬合曲線的變形速率及其變化率進行研究，據此來判斷隧道圍巖的穩定性，預測圍巖進一步的變形，為指導施工提供科學的依據。常用的擬合曲線有多種，本文選取U=A(1-eBt)指數函數來擬合南廠溝隧道圍巖拱頂下沉趨勢，選取U=-A+Bln(1+t)對數函數來擬合南廠溝隧道圍巖周邊收斂趨勢。南廠溝隧道進口DZK101+840和DZK101+845斷面圍巖拱頂下沉擬合曲線見圖7和圖8，其周邊收斂擬合曲線見圖9和圖10。

采用指數函數擬合圍巖拱頂下沉變化曲線可以較好地預估拱頂最終下沉量和趨于穩定的時間，例如南廠溝隧道D2K101+840斷面圍巖拱頂下沉擬合曲線為U=31.063×(1-e-0.099 2t)，當拱頂下沉變化率小于0.15 mm/d時，認為圍巖變形基本穩定。因此，取U′<0.15 mm，得到t>30.46 d，取t=31 d，即認為圍巖拱頂下沉達到穩定。

采用對數函數擬合圍巖周邊收斂曲線雖不能預測最終變形值，但可以用來判斷圍巖周邊收斂趨于穩定的時間，例如南廠溝隧道D2K101+845斷面測線1圍巖周邊收斂擬合曲線為U=-2.862+1.655ln(1+t)，當周邊收斂變化率小于0.1 mm/d時認為圍巖變形基本穩定。取U′<0.1 mm，得到t>16.5 d，取t=17 d，結合D2K101+845斷面圍巖拱頂下沉分析，即認為開挖第26 d后即可進行二襯施工。各斷面關鍵點變形擬合分析見表5。

圖7　南廠溝隧道進口D2K101+840斷面圍巖拱頂　　　下沉擬合曲線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

圖8　南廠溝隧道進口D2K101+845斷面圍巖拱頂　　　下沉擬合曲線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

南廠溝隧道典型斷面D2K101+840和D2K101+845均位于Ⅴ級圍巖區，拱頂下沉速度最大值分別為4.3 mm/d和4.6 mm/d，均發生在開挖后5～10 d內，隨后變形速度迅速降低并趨于平穩，說明隧道圍巖變形穩定，印證了新奧法施工的可行性。同時，由于南廠溝隧道典型斷面D2K101+840和D2K101+845圍巖最大下沉量分別為32.7 mm和31.6 mm，最大周邊收斂值分別為6.27 mm和4.81 mm，低于預警值，證明初期支護設計滿足要求。因此，在日后施工過程中若發現隧道圍巖變形量遠小于預警值，基于新奧法理念，可以適當修改初期支護設計，充分發揮圍巖自穩能力，并控制圍巖變形量，以達到施工更為經濟合理的目的；若發現隧道圍巖變形量接近或超過預警值的情況，應分析其原因，并通過修改初期支護設計來保證施工安全。可見，監控量測作為信息化施工的重要依據，應充分發揮其作用，以提升隧道工程品質。

圖9　南廠溝隧道進口D2K101+845斷面測線1圍巖　　　周邊收斂擬合曲線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

圖10　南廠溝隧道進口D2K101+845斷面測線2圍巖　　　周邊收斂擬合曲線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

斷面量測項目擬合曲線圍巖變形最終值/mm判定條件二襯施作時間/dD2K101+840拱頂下沉U=31.063×(1-e-0.0992t)31.063U'<0.15mm31D2K101+845拱頂下沉U=30.3847×(1-e-0.12478t)30.3847U'<0.15mm26D2K101+835拱頂下沉U=31.46034×(1-e-0.0994t)31.46034U'<0.15mm31D2K101+845周邊收斂U=-2.862+1.655ln(1+t)/U'<0.1mm17D2K101+845周邊收斂U=-2.1534+1.7982ln(1+t)/U'<0.1mm18

4結論

(1) 歸納了紅層軟巖隧道工程中監控量測方案及施工控制標準。

(2) 根據監控量測數據及前人對泥質砂巖力學性質研究，提出了南廠溝隧道紅層軟弱圍巖變形變化規律，將圍巖變形分為三個階段，即變形急速增加階段、變形相對穩定階段和變形緩慢增加階段，具有一定的代表性。

(3) 針對紅層軟巖隧道施工中缺少合理的標準判斷圍巖變形是否趨于穩定這一情況，提出了針對圍巖拱頂下沉和周邊收斂的合理的擬合曲線，通過擬合計算可以得到圍巖變形趨于穩定的時間，并提出合理地判定二襯施作時間的方法，可為類似的工程提供借鑒。

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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

文章編號：1671-1556(2016)03-0146-06

收稿日期：2015-09-03修回日期：2016-05-17

基金項目：國家自然科學基金項目(41002104)

作者簡介：劉明(1993—)，男，碩士研究生，主要研究方向為工程地質。E-mail:840727340@qq.com

中圖分類號：X93；U452.1

文獻標識碼：A

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

通訊作者：張家銘(1976—)，男，副教授，主要從事工程地質及地質災害防治等方面的研究。E-mail：zjmnm@163.com