软岩大变形偏压公路隧道变形与荷载作用特征
来弘鹏1，杨万精2，谢永利1
(1. 长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，陕西 西安，710064；
2. 西安市城乡建设委员会，陕西 西安，710003)
摘要：为解软岩大变形偏压公路隧道变形与荷载作用特征，以宜巴高速公路卧佛山隧道实体工程为依托，选取2个典型断面开展现场测试工作，对初期支护变形与受荷特征进行研究。研究结果表明：围岩非对称大变形隧道围岩前期变形速度快，稳定持续时间长，水平收敛值大；围岩压力前期增加速率快，变化持续时间长，水平围岩压力大、最大值出现在围岩较差一侧拱肩处；钢拱架在围岩较好一侧拱肩处出现压应力集中，在围岩较差一侧拱肩处出现拉应力集中，钢拱架扭曲变形严重；喷射混凝土在围岩较差一侧承受较大的拉应力，且超过混凝土的抗拉强度，大面积开裂剥落，围岩较好一侧压应力较大，但其值未超过C20喷射混凝土抗压强度；围岩非对称大变形隧道设计时应加大围岩较差一侧超前支护强度，加大预留变形量，加强初期支护，施工时宜采用预留核心土的三台阶开挖方法。
关键词：隧道工程；软岩；大变形；偏压
中图分类号：TU453；TU94 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)06-1924-08
Analysis on deformation and load action features of large-deformation bias highway tunnel in soft rock
LAI Hongpeng1, YANG Wanjing2, XIE Yongli1
(1. Key Laboratory for Bridge and Tunnel of Shanxi Province, Chang’an University, Xi’an 710064, China;
2. Xi’an Municipal Construction Committee, Xi’an 710003, China)
Abstract: In order to find out the distortion and load features of bias highway bedded with soft-rock and severe distortion, citing the project of Yi-Ba Highway Lying Buddha Tunnel in the study, field tests on two typical cross sections were carried out and the features of load and of supports distortion at early phase were analyzed. The results show that the surrounding rock of bias highway tunnel is at high speed of deformation during prior-period, which has stability of long duration and large value of horizontal convergence. The stress of surrounding rock at early stage adds at high speed, and also with changes of long duration. Heavy pressure lies in horizontal surrounding rock and the maximum value lies in the spandrel of comparative bad-condition side of surrounding rock. The concentrated comparative stress lies in the steel arch of good-condition side and concentrated compressive and tensile stress in the other side. The steel arch is severely distorted. Comparatively heavier tensile stress of shotcrete lies in the bad-condition side with serious cracks and large areas of spalling occurred, while the other side carries comparatively heavier compressive stress without meeting the compressive strength of C20 shotcrete. Ahead-of-supporting strength in bad-condition side should be increased, deformation allowances should be increased , primary supports should be increased, and three step excavation method and reserving core soil should be adopted.
Key words: tunnel engineering; soft rock; large-deformation; bias
近年来，随着我国铁路、公路建设的不断发展， 隧道工程已经向长大、深埋方向发展，建设穿越高地应力且地质环境恶劣的软弱围岩区的长大隧道工程已不可避免[1-2]。在高地应力软弱围岩隧道施工过程中经常会出现隧道断面向临空面挤压变形、钢拱架拉细扭曲严重、混凝土开裂剥落明显、二次衬砌混凝土开裂等施工灾害[3-8]。例如，中国宝中线的木寨岭、老爷岭、老头沟隧道以及穿越煤系地层的内昆线家竹箐隧道等，就出现了类似的大变形情况，给隧道施工及支护带来了极大的困难。已经建成的二郎山隧道、华蓥山隧道，在高地应力条件下的软岩及断层破碎带等地段，也出现了较为严重的大变形现象。国外的隧道施工过程中产生类似工程现象也是屡见不鲜，如日本的惠那山公路隧道、Tauern和Arlberg等隧道也都遇到了较典型的大变形情况。各国针对软岩大变形隧道工程虽然进行了许多理论和试验研究，并在施工过程中采取了许多对应措施。例如，国外学者已将早期的古典压力理论逐步发展为现在的新奥法；于学馥等[9]提出轴变论，李永友等[10]提出联合支护理论，张春等[11]提出锚喷-弧板支护理论，董方庭等[12]提出松动圈理论等，这些理论成果为软岩大变形隧道工程建设提供了非常有价值的理论指导，取得了良好的技术经济效益。但由于各地工程地质等条件差异性较大，一些现有理论成果在工程运用中尚有一定的局限性。为此，本文作者以宜巴高速公路卧佛山软岩大变形偏压隧道实体工程为依托，选取2个典型断面开展现场测试工作。对初期支护变形与受荷特征进行研究，旨在完善软岩大变形隧道工程理论，合理优化隧道施工方法和支护参数，确保隧道穿越高地应力软岩破碎带时安全、优质、高效地施工。
1 工程概况
卧佛山隧道为分离式四车道高速公路特长隧道，隧道起讫桩号左线ZK96+798~ZK101+250，长4 452 m；右线YK96+812~YK101+269，长4 457 m。隧道左右线间距进口约27 m，出口约16.5 m。隧道所处区域地貌属构造剥蚀溶蚀层状低中山峰岭地貌单元，地形起伏大，山顶最大高程1 415 m，隧道最大埋深约1 045 m。本文选取隧道左线ZK98+092(下文记为S1)、ZK98+117(下文记为S2)为测试断面，这两断面埋深约为850 m，围岩等级经变更后确定为V级B类围岩，洞身围岩主要以碳质泥岩以及泥质灰岩为主，裂隙极为发育，有滴水，围岩状况整体性极差开挖后围岩遇空气和水强度急剧下降，具体见图1。该断面的地质状况特点主要表现为：(1) 膨胀性，在掌子面开挖后，水分子进入岩石内部使得岩石体积膨胀,再加上岩体受到外部的压力沿破碎的裂隙贯通后的膨胀。(2) 掉块，由于该断面隧道的埋深大，在高地应力作用下岩体发育不规则的地方局部产生应力集中致使部分岩体破碎脱离母岩而掉落。(3) 流变性，隧道开挖施加完初期支护后围岩的蠕变作用效果明显而且持续时间很长。(4) 易扰动性，在隧道开挖过程中，爆破作用致使隧道稳定性下降，经常出现爆破后掌子面伴有掉块现象。隧道围岩参数见表1，S1断面施工方法为预留核心土的环形台阶开挖法。S2断面施工方法为预留核心土三台阶开挖方法。2个断面的超前支护和初期支护参数如表2和表3所示。
图1 地质剖面图
Fig. 1 Geological profile
表1 隧道围岩物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock
表2 超前支护参数
Table 2 Ahead supporting parameters
表3 S1和S2初期支护参数
Table 3 Primary supporting system parameters of Trial sections S1 and S2
2 隧道围岩与支护变形特征分析
2.1 净空收敛、拱顶下沉特征
净空收敛量测用JSS30型数显收敛计，读数精度为0.01 mm；拱顶下沉用LACA-NAZ水准仪、塔尺，精度为1 mm。净空收敛、拱顶下沉量随着时间的变化曲线见图2和图3。由图2可以看出：随着2个监测断面岩体的开挖，原有的应力平衡被破坏；岩体在寻找新的平衡过程中原始地应力前期释放作用明显；S1断原始地应力前期释放作用明显；S1断面收敛速度在前15 d一直比较快，其最大值达到10 mm/d，随后趋于缓和并逐渐稳定；S2断面收敛速度在前10 d急剧增长，其最大值达到8 mm/d；当累计收敛值达到150 mm后，增长有所缓和并逐渐趋于稳定。2个断面在下断面开挖时(即掌子面开挖35 d后)收敛值均明显增大，收敛速度达到25 mm/d。S1断面最终累计变形量为446 mm，S2断面最终累计变形量为404 mm，其最终稳定时间约为50 d。
图2 断面周边收敛随着时间的变化曲线
Fig. 2 Time-varying convergence of cross sections
图3 断面拱顶下沉量随着时间的变化曲线
Fig. 3 Time-varying falling vault of cross sections
由图3可以看出：S1断面在开挖后拱顶下沉现象比较明显。前15 d下沉速度较快，随后下沉量逐渐减小并趋于稳定。在下断面开挖时(即掌子面开挖35 d后)拱顶下沉量也明显增大，增长最大速度为3 mm/d。拱顶下沉量最终达到78 mm后基本稳定。鉴于S1断面开挖后拱顶下沉明显、数值较大的特点，S2断面开挖时增大了支护的强度，并调整了施工工法，这使得S2断面开挖后拱顶下沉量较S1断面有所减小，下沉速度也相对较小。拱顶下沉量最终达到45 mm后趋于稳定。
综合图2和图3可以得出高地应力软岩大变形偏压隧道变形具有如下特征：(1) 围岩前期变形速度快，随着隧道岩体的开挖，原有的应力平衡被破坏，被扰动的岩体在寻找新的应力平衡过程中，岩体在重力作用下向临空面发生挤压变形。由于自身强度低、黏聚力弱、稳定性极差，这就使得岩体一经扰动就表现出以极快的变形速度寻找新的应力平衡。(2) 围岩稳定持续时间长，在应力平衡被破坏后，围岩经过多次的加荷、卸荷后趋于稳定。自隧道开挖破坏岩体到岩体重新稳定需要2月，在这么长时间内围岩反复变形，蠕变特征明显。(3) 围岩水平收敛量大，从隧道开挖到围岩基本稳定，S1断面水平收敛量达到446 mm。在高强度的初期支护结构抵抗作用下，岩体依然表现出极强的挤压作用。(4) 在加强了初期支护强度的前提下，采用预留核心土三台阶开挖方法较好地控制了围岩的水平收敛于拱顶下沉。
2.2 钢拱架变形特征
隧道在进入软岩地段后，每次进尺距离保持在一榀拱架。掌子面开挖后原始地应力逐步释放出来，钢拱架作为主要抗力构件在前期起到了很好的作用。随着岩体挤压变形的加大，钢拱架已经不能完全抵抗作用力，开始逐步向临空面移动，表现出“躲”的姿态来达到卸荷的目的，这就使得钢拱架整体由围岩较差一侧向围岩较好一侧发生偏移。钢拱架逐步在围岩较好的一侧出现应力集中，过大的压应力使得这一侧发生折叠式的破坏。围岩较差的一侧钢拱架主要以受拉为主，再加上围岩压力值较大，使得这一侧发生拉压式的扭曲，具体情况见图4。
2.3 混凝土变形特征
在高地应力软岩大变形偏压隧道中，由于隧道两侧受力不均匀，支护结构整体向围岩较好的一侧发生倾斜，导致围岩较好的一侧混凝土承受很大的压应力超过弯曲抗压强度而被压坏，在围岩较差的一侧混凝土承受拉应力，加之混凝土的抗拉强度低，而钢筋网片在施工时并未得到足够的重视，没能和混凝土形成一个受力整体来抵抗拉力，在拉应力区混凝土出现龟裂并大块剥落影响结构的安全以及施工安全，总体来讲，S2断面混凝土的变形与破坏程度比S1断面的小，具体情况见图5。
图4 钢拱架扭曲变形照片
Fig. 4 Photo of severely distorted steel arch
图5 混凝土大面积开裂剥落照片
Fig. 5 Photo of seriously racked concrete
3 围岩压力与支护受力特征分析
3.1 测试目的及方案
3.1.1 测试目的
S1和S2断面初期支护应力量测主要目的是想通过现场的监测数据分析高地应力围岩非对称大变形隧道荷载作用机理以及初期支护结构应力特征，为优化初期支护结构参数确保隧道施工安全提供可靠的理论依据。
3.1.2 测试实施方案
在卧佛山隧道进口左洞S1和S2断面埋设测试元件，进行围岩接触压力、钢拱架应力、混凝土应力量测。每个断面共7个测点，分别将压力盒安装在平整的围岩表面，保持平稳牢固，使得压力盒承压面充分与围岩接触；表面应变计焊接在钢拱架腹板中间，保持和钢拱架的承载方向一致；混凝土应变计绑扎在钢筋网片外侧。一个断面埋设从上台阶开挖掌子面开始，后续施工到该断面时埋设相应位置的传感器。上述3种测试元件均采用振弦式元件，并采用相配套的频率接收仪采集数据，量测频率为1 次/d，直到压力、应力基本稳定。测试断面测点布置见图6。
图6 测试断面测点布置图
Fig. 6 Arrangement plan of observation points of tested cross section
3.2 测试结果与分析
3.2.1 围岩接触压力监测结果与分析
(1) 围岩接触压力随着时间的变化规律。初期支护与围岩间的接触压力随着时间的变化曲线见图7。由图7可以看出：围岩接触压力前期增长迅速，在达到一定程度后基本稳定。2个断面围岩接触压力最大值都出现在隧道左侧拱肩处。这是由于隧道在这一区段左右两侧岩体强度不一，左侧围岩强度比右侧的低，左侧的围岩接触压力始终大于右侧的围岩接触压力。
(2) 围岩接触压力分布特征。围岩接触压力分布见图8。由图8可以看出：隧道左侧围岩接触压力较右侧偏大，特别是左拱肩处围岩接触压力一直处在一个较高的状态，形成了一个压力集中区。这主要是由于隧道左侧拱肩处围岩主要是以低强度稳定性较差的泥岩为主，比较破碎，自稳能力较差，隧道开挖后围岩向临空面挤压，所以围岩压力最大值出现在该部位。最大值分别达到0.45和0.61 MPa，远远超过了按现行公路隧道规范要求围岩压力计算公式计算所得理论值。
综合图7和图8可以看出：软岩大变形偏压公路隧道围岩压力存在如下特征：隧道围岩较差一侧接触压力比较好一侧的大，特别是较差一侧拱肩处形成一个压力集中区；因为该隧道埋深大，原始地应力高，隧道开挖致使应力迅速释放，在初期支护尚未完全发挥作用时围岩变形已经很大，这就导致围岩压力几天就超过了0.3 MPa。
3.2.2 钢拱架应力监测结果与分析
(1) 钢拱架应力随着时间的变化规律。初期支护钢拱架应力随着时间的变化曲线见图9。围岩压力前期的变化并未随着时间呈现出逐渐稳定的趋势，而是反复波动，从隧道开挖到该断面围岩基本稳定持续接近2月。由图9可以看出：S1和S2断面拱顶处的受力表现出不同的特点。S1断面拱顶处钢拱架的应力前期主要以压应力为主，后期逐渐转变为受拉。S2断面拱顶处钢拱架应力始终为压应力，这主要是由于S2断面加大了拱架的支护强度，且采取了三短台阶的施工工法，在一定程度上优化了拱架的受力。2个断面钢拱架应力最大值都出现在右侧拱肩处。这是由于隧道初期支护结构是以新奥法理论为支撑的柔性支护体系，初期支护的卸荷作用比较明显，加之隧道左侧的围岩接触压力要比右侧围岩接触压力大，随着围岩接触压力逐步施加在钢拱架上，左侧的钢拱架承受的压力要大于右侧的压力，钢拱架作为一个主要的受力结构，整体下沉并且向右侧发生偏移来起到卸荷作用。右侧围岩强度较高，提供了较大抗力，所以，逐步在右侧拱肩处形成了一个应力集中区。从图9可以看出：2个断面部分测点的钢拱架应力超过了工字钢的屈服强度235 MPa，为了保证隧道结构的安全，在该区段内都加设了临时拱架共同来抵抗围岩变形。
图7 围岩接触压力随着时间的变化
Fig. 7 Time-varying contact pressure of surrounding rock
图8 围岩接触压力分布(单位：MPa)
Fig. 8 Distributions of contact pressure of surrounding rock
图9 钢拱架应力随时间的变化曲线
Fig. 9 Time-varying compressive stress of steel arch
(2) 钢拱架应力分布特征。钢拱架应力分布如图10所示。由图10可以看出：S1断面钢拱架应力呈现出向右侧偏移的特征，左侧的钢拱架应力主要是以拉应力为主，在拱腰附近出现了拉应力。右侧钢拱架应力形成了一个压应力集中区。尤其在右侧拱肩处钢拱架压应力超过了350 MPa，该值已超过钢材的极限抗压强度。鉴于此，为了保证隧道结构的安全,在危险区段又加设了临时拱架来共同提供抗力。S2断面钢拱架应力在拱顶靠右侧区域形成了一个压应力集中区，拱顶处的压应力超过了400 MPa。在这么大的压应力作用下，即使后面加设了临时钢拱架，在这个部位钢拱架下沉扭曲依然很严重。
图10 钢拱架应力分布(单位：MPa)
Fig. 10 Distribution of stress of steel arch
综合图9和10可以看出：软岩大变形偏压公路隧道钢拱架应力存在如下特征：因为钢拱架由围岩较差一侧向围岩较好一侧发生挤压变形，导致围岩较好一侧拱肩处压应力大。围岩较差一侧压力较大，使得钢拱架在该侧以拉应力为主，再加上切向的围岩压力值大，导致这个部位因拉压组合的受力而扭曲。
3.2.3 混凝土应力监测结果与分析
(1) 混凝土应力随时间变化规律。初期支护混凝土应力随时间变化曲线见图11。由图11可以看出：混凝土应力曲线图基本上呈现出先增大后减小，然后增大至趋于稳定这样的特点。对于S1断面，混凝土最大压应力出现在右侧拱肩处。这是由于隧道在偏压荷载作用下在该部位形成了一个压力集中区。混凝土最大拉应力出现在拱顶处，前期拱顶主要是以受压为主，后期逐步转变为受拉，其数值达到1.9 MPa，超过了C20喷射混凝土弯曲抗拉强度1.1 MPa。混凝土因承受过高的拉应力致使隧道左侧以及拱顶处开裂剥落现象严重。S2断面的混凝土最大压应力出现在隧道的右侧拱肩附近，出现这样的受力特征与S1断面的荷载作用机理是一样的，都是由于隧道承受偏压荷载，整个初期支护结构整体向右侧发生倾斜，在右侧拱肩区域形成了一个压力集中区。隧道左侧混凝土因为初期支护结构整体向右侧发生倾斜而使得这一边承受很大的拉应力，其最大拉应力为1.34 MPa。在施工过程中混凝土开裂掉块现象明显。由于S2断面加大了初期支护的强度，且采取了三短台阶的施工工法，使得该断面在围岩压力比S1断面大的情况下，混凝土的最大拉应力比S1的小，初期支护变形破坏程度也较轻。
图11 混凝土应力随着时间的变化曲线
Fig. 11 Time-varying compressive stress of concrete
(2) 混凝土应力分布特征。混凝土应力分布见图12。由图12可以看出：2个监测断面S1和S2混凝土应力都在拱顶靠右侧形成了一个压应力集中区。其特征主要表现为右侧混凝土压应力很大，左侧混凝土承受拉应力。S2断面混凝土压应力最大值11.68 MPa。左侧主要是是以受拉为主，最大拉应力超过了1.34 MPa。从整体上看，在起拱线以上区域混凝土均不同程度的超过了C20喷射混凝土所允许的应力。这也表明隧道在穿越软弱破碎围岩区段时，因围岩强度低、自稳能力较差，蠕变挤压效果明显，再加上整个初期支护结构承受不均匀荷载而发生偏移。使得混凝土的应力值偏大，造成了混凝土开裂剥落严重。
图12 混凝土应力分布(单位：MPa)
Fig. 12 Distribution of stress in concrete
综合图11和12可以看出：软岩大变形偏压公路隧道混凝土应力存在如下特征：因为围岩较差一侧压力比较好一侧的大，使得隧道初期支护结构受力整体向右偏移，所以，围岩较好一侧拱肩处混凝土出现了压应力集中，较差一侧混凝土拉应力较大，这些部位混凝土开裂严重。
4 结语
(1) 软岩大变形偏压隧道围岩前期变形速度快，稳定持续时间长，水平收敛值大。初期支护结构变形特征主要表现在钢拱架扭曲严重、混凝土开裂剥落等方面。
(2) 因隧道埋深大，原始地应力高，加之拱顶左右两侧围岩非对称，围岩压力表现出了前期增加速率快、变化持续时间长、水平围岩压力大、最大值出现在围岩较差一侧拱肩处等特点。围岩压力最大值达到0.61 MPa，超过了按现行公路隧道规范要求围岩压力计算公式所得理论值。
(3) 因钢拱架由围岩较差一侧向围岩较好一侧发生挤压变形，导致其在围岩较好一侧拱肩处出现压应力集中，在围岩较差一侧拱肩处出现压拉应力集中，钢拱架扭曲变形严重。
(4) 初期支护混凝土在围岩较差一侧承受了较大的拉应力，部分测点最大拉应力值超过C20喷射混凝土抗拉强度，致使混凝土大面积开裂剥落。围岩较好一侧混凝土压应力值较大，但其值未超过C20喷射混凝土抗压强度。
(5) 对软岩大变形偏压隧道设计时，应加大围岩较差一侧超前支护的强度，以避免施工过程中初期支护的受力体系转化造成的支护失效；同时，应在加大预留变形量的前提下，加强初期支护的整体强度，施工时宜采用预留核心土的三台阶开挖方法。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2013-08-06；修回日期：2013-11-24
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008029，51378071)；陕西省自然科学基金资助项目(2013JQ7030，2014KJXX-53)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(CHD2012ZD 019)；国家留学基金资助项目(201206565026)
通信作者：来弘鹏(1979-)，男，山西平遥人，博士，副教授，从事岩土与隧道工程的研究；电话：13572046051；E-mail：laihp168@chd.edu.cn
