邵家臺軟巖隧道變形的時間效應(yīng)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(shè)中，越來越多地涉及到軟巖工程問題。當前，關(guān)于軟巖隧道的變形研究主要有現(xiàn)場變形監(jiān)測、室內(nèi)試驗以及數(shù)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(jié)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(shù)值模擬研究了軟巖隧道變形的時空效應(yīng);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(yīng);莊麗等［6］則對土質(zhì)隧道的變形及穩(wěn)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(yīng)力釋放大，其變形速率快且又收斂慢、變形持續(xù)時間長，如支護不當或不及時，則極易在開挖過程中產(chǎn)生坍塌等不同范圍的失穩(wěn)事故。由此，有必要還需對軟巖隧道變形時間效應(yīng)進一步展開研究。

本文結(jié)合湖北省谷(城)竹(溪)高速公路邵家臺軟巖隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析隧道圍巖變形特征，探討隧道軟巖變形的時間效應(yīng)和穩(wěn)定特性，以期為軟巖隧道的設(shè)計、施工、監(jiān)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(zhèn)紅塔鄉(xiāng)黨家灣村境內(nèi)。雙連拱隧道結(jié)構(gòu)形式，建筑界限凈寬23.5 m，凈高5.0 m，雙向四車道，設(shè)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(shè)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(zhì)狀況

在大地構(gòu)造上，邵家臺隧道位于南秦嶺構(gòu)造帶內(nèi)，處于武當山復(fù)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(tǒng)殘坡積粉質(zhì)粘土及志留系梅子埡組()千枚巖、炭質(zhì)片巖，絹云母含量極高，屬變質(zhì)軟巖，結(jié)合巖土層形成時代、巖性、巖土層特征及風(fēng)化程度，具體描述如下:

Ⅰ粉質(zhì)粘土層:

褐黃色，硬塑，夾雜有少量礫石，分布于隧址區(qū)基巖表面，厚度約 1.3 m;

灰白色，變晶結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，主要礦物成分為黑云母、長石、石英等，裂隙發(fā)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(qū)水文狀況

隧址區(qū)地表水系不發(fā)育，主要為大氣降水形成的地表面流及山體溝谷內(nèi)季節(jié)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(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙等向地勢低凹處呈脈狀、線狀排泄。水質(zhì)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(jiān)測方案

為及時掌握施工中隧道圍巖穩(wěn)定程度與支護變形動態(tài)信息，對隧道實施監(jiān)控量測是十分必要的。通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析和判斷，對圍巖—支護體系的穩(wěn)定狀態(tài)進行預(yù)測，掌握邵家臺隧道施工過程中圍巖變形動態(tài)信息及穩(wěn)定程度，確定合理施工措施，確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

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

3 邵家臺隧道圍巖變形時間效應(yīng)

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

3.1 邵家臺隧道圍巖變形特點

結(jié)合邵家臺隧道圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測，選取典型監(jiān)測斷面K87+815，K87+820，K87+826監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)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(fā)生時間在隧道開挖后3 d～4 d左右出現(xiàn);

2)隧道圍巖變形歷時時間較長，初期發(fā)展較快，持續(xù)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(wěn)定。

3.2 邵家臺隧道圍巖變形時間效應(yīng)

隧道開挖后，其圍巖應(yīng)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(xiàn)在相當長時間內(nèi)繼續(xù)增長。

對邵家臺隧道圍巖典型監(jiān)測斷面K87+815，K87+820，K87+826現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)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(guān)系?；貧w擬合結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測斷面收斂變形回歸分析結(jié)果

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

結(jié)合圖1，表1分析，邵家臺軟巖隧道掌子面在前期連續(xù)開挖過程中，隧洞變形主要表現(xiàn)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(xù)，圍巖位移演變在繼續(xù)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(xiàn)場監(jiān)測值。由此看見，隨著掌子面在連續(xù)開挖，即使處于空間約束條件下，軟巖圍巖變形時間效應(yīng)還是很明顯的。

時間效應(yīng)的影響，使隧道變形表現(xiàn)于緩慢增長，其變形速率小，但持續(xù)時間長，變形量大。因此，對于初期支護后的斷面，應(yīng)從施工手段上減小時間效應(yīng)的影響，避免初期支護結(jié)構(gòu)破壞。

3.3 邵家臺隧道圍巖變形穩(wěn)定性研究

隧道圍巖變形穩(wěn)定性通常認為是隧道圍巖變形基本穩(wěn)定，一次支護結(jié)構(gòu)不會因產(chǎn)生過大變形而破壞，同時二次襯砌承擔(dān)較小的形變載荷。

結(jié)合邵家臺隧道圍巖變形時間效應(yīng)確定位移收斂變形的極限值，評價其圍巖穩(wěn)定性，判斷圍巖變形穩(wěn)定時間，確定軟巖隧道二次襯砌施作時，可使得現(xiàn)場施工過程得以優(yōu)化。

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

結(jié)合現(xiàn)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(wěn)定判定值A(chǔ)=2.50 mm/d，則各斷面圍巖變形穩(wěn)定時間分別為:K87+815斷面，穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(yīng)當是合理的。現(xiàn)場施工實際也表明，計算與實際吻合良好。

4 結(jié)語

基于邵家臺隧道地質(zhì)施工狀況，確立了邵家臺隧道圍巖變形監(jiān)測方案，并且研究了隧道圍巖的變形特征，探討了時間效應(yīng)下隧道圍巖變形過程以及其隧道圍巖的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明邵家臺軟巖隧道變形演變具有明顯的時間效應(yīng)。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(yù)先必要措施，提高隧道圍巖強度，控制時間效應(yīng)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(xué)與工程學(xué)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(xué)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(xué)與工程學(xué)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(yīng)分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2008，16(2):211-215.

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