各向异性片岩隧道支护结构承载力学特性研究

孔凡水，左昌群，李 涛，侯东波,2

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074；2.湖北省交通规划设计院股份有限公司，武汉 430051)

各向异性片岩隧道支护结构承载力学特性研究

孔凡水1，左昌群1，李 涛1，侯东波1,2

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074；2.湖北省交通规划设计院股份有限公司，武汉 430051)

为了更好地了解各向异性片岩隧道支护结构受力的分布特征规律，对武当群片岩隧道区不同片理面倾角的隧道围岩初期支护及二次衬砌承载特性展开了监控量测。通过对实测数据分析表明：围岩稳定后二次衬砌分担的围岩荷载远大于初期支护分担的围岩荷载，大部分二次衬砌分担的围岩荷载比高达80%～90%，这导致部分断面已超过了相关规范中关于软岩支护结构承载比例的规定，对二次衬砌后续运营稳定性会产生较大影响；片岩隧道支护结构受力表现出明显的各向异性特征，当片理面倾角<45°时，随着片岩片理面倾角的增大，支护结构稳定时水平侧受力呈增加趋势；当片理面倾角>55°时，水平受力呈较陡减小趋势；隧道支护结构不同部位受力相差较大且具有明显的非对称性，片岩隧道围岩及支护受力均存在顺层偏压特性。

片岩隧道；各向异性；监控量测；支护结构；承载特性

1 研究背景

随着国内外隧道建设的快速发展，在现实工程中也面临着大型的、各类复杂软弱岩体的隧道工程，各类复杂工程地质问题层出不穷，如高地应力、软岩大变形等屡见不鲜。以片岩为代表的变质岩是隧道工程施工中常遇到的岩体，仅鄂西北地区大量高速公路隧道建设中，例如谷竹高速公路、十漫高速公路、十房高速公路中就遇到了分布广泛的软弱片岩地层以及由此带来的不良隧道地质灾害问题。由于片岩片理间距小，片理面黏结力差，岩体强度低，且具有明显的各向异性特征，在隧道开挖中围岩稳定性差，变形量大、挤入式大变形和塌方灾害频发，常规设计的支护结构并不能有效地控制围岩大变形问题。因此，有必要采取相关手段对片岩隧道的支护结构受力问题展开探讨。

针对各向异性层状岩体地下工程中的围岩及支护结构变形破坏机理及施工力学效应，夏彬伟等[1]、郭富利等[2]、李晓红等[3]结合现场量测及试验手段；黎立云等[4]、刘立等[5]、余永强等[6]采用室内试验或物理模拟试验；马永政等[7]、唐雪梅等[8]采用离散元计算方法；刘苗等[9]对绢云母石英片岩公路隧道围岩分级研究，针对绢云母石英片岩的特性，对BQ法进行修正，得出修正以后的建议BQ值法公式，可为类似隧道围岩分级提供参考；蒋宗鑫等[10]关于小净距浅埋偏压软岩隧道支护结构受力实测分析可以得到，实测值与二次衬砌支护设计值差异大，并分析二次衬砌结构和初期支护实际分担开挖释放荷载的比例问题；李勇峰等[11]关于软岩隧道大变形机理及支护参数优化分析；贾剑青等[12]对复杂条件下隧道支护结构稳定性分析，以方斗山隧道为研究对象，分析了该断面初次支护和二次衬砌的水平应力、竖向应力和竖向位移等特性；朱永全等[13]关于隧道支护结构荷载作用的随机反演，提出荷载一结构模式进行随机反分析方法；袁海清[14]对常张高速公路浅埋偏压隧道的受力特征进行了三维数值分析，得出了在复杂地质条件下(浅埋、偏压、软弱泥质页岩)隧道的受力特性及围岩的稳定性特征；舒志乐等[15]结合规范推荐的方法对偏压小净距隧道围岩压力进行了理论分析，推出了偏压小净距隧道围岩压力的计算公式，通过给出的计算公式分析了不同净距条件、不同地面倾斜度对围岩压力的影响。目前，虽有许多学者对相关问题进行了研究，但对片岩之类的软岩隧道初期支护及二次衬砌的受力特征如何，究竟发挥怎么样的作用则没有明确结论。

为了进一步对武当群各向异性片岩区隧道支护结构承载力学特性的研究，获取施工中隧道支护结构的动态信息，对鄂西北典型片岩隧道支护结构的承载力学规律进行监控量测。论文选择谷竹高速公路中油坊坪隧道、竹山隧道、宴家隧道作为工程实例，针对其中的典型地段布设监测断面，在各隧道选取了不同片理面倾角的围岩断面，对支护结构承载力学特性进行分析研究。典型监测的隧道断面埋深均在20 m左右，属于浅埋地段。围岩为中-强风化绢云母片岩，岩体较破碎，稳定性较差，掌子面含有少量裂隙水。隧道断面采用上下台阶施工法施工，复合式衬砌支护形式，隧道设计以Ⅴ级围岩为主，Ⅴ级围岩初期支护参数为：φ22 mm注浆锚杆，L=3.5 m，间距为60 cm(纵)×120 cm(环)；φ8 mm钢筋网，间距为20 cm×20 cm双层；C20喷混凝土，厚度为26 cm；I 20b工字钢钢拱架，间距为60 cm。二次衬砌支护参数为：拱部、仰拱厚度均为50 cm。

2 量测方案设计

2.1 监测目的

主要对隧道初期支护及二次衬砌的受力进行监测。针对片岩的各向异性特性，选取不同片理面倾角(0°～30°，30°～60°，60°～90°)的片岩隧道断面展开研究，从而全面更好地获得片岩隧道中片岩的各向异性对支护结构承载力随时间的分布特征，以及围岩稳定时初期支护与二次衬砌承载力分担比例的影响，进而综合地阐明片岩隧道中支护结构承载特性。

2.2 监测内容与仪器

根据《公路隧道施工技术规范》[16]中相关规定选取围岩与初期支护层间压力及初期支护与二次衬砌间压力为监测内容。监控量测项目布置方式及量测间隔时间如表1所示。

表1 监控量测项目布置及监测时间

本研究采用金坛市天地传感器有限公司生产的TDTYJ20型振弦式土压力计，现场布置如图1所示，读数仪为振弦频率读数仪。测量完成后，记录传感器的频率值(或频率模数值)、温度值、仪器编号、设计编号和测量时间。TYJ型振弦式土压力的计算公式为

(1)

式中：P为被测土压力值(MPa)；k为仪器标定系数(MPa/F)；fi为土压计的实时频率测量值(Hz)；f0为土压计的频率基准值(初始频率值)(Hz)。

图1 振弦式土压力计及现场布置Fig.1 Photo and field arrangement ofearth pressure gauge with vibrating string

图2 现场压力盒埋设Fig.2 Position of buriedpressure boxes

2.3 监测点布置

隧道围岩与初期支护间的压力盒、初期支护与二次衬砌之间的压力盒埋设情况如图2所示。每个量测断面各布置5个压力盒，拱顶设置1个，拱腰设置2个，左、右边墙各一个，沿隧道中心线对称布置。

3 支护结构受力特征分析

3.1 现场量测结果分析

3.1.1 “0°～30°”倾角断面支护承载监测结果分析

油坊坪隧道ZK41+525段(岩层片理面产状220°∠10°)监测断面的初期支护、二次衬砌支护的受力时程曲线及断面压力分布如图3所示。

图3 ZK41+525监测断面压力分布Fig.3 Pressure distribution of monitoringsection ZK41+525

同理，获得竹山隧道断面ZK156+860段(岩层片理面产状15°∠25°)支护结构压力分布,如图4所示。

图4 ZK156+860初期支护及二次衬砌稳定时压力分布Fig.4 Pressure distribution of monitoring sectionZK156+860 in preliminary bracing period andsecondary lining’s stable period

通过对0°～30°倾角范围内片岩隧道支护承载监测结果分析，由图3(a)、图3(b)可得出，各支护结构施工后，随着时间的推移，初期支护及二次衬砌承载不断增大，增加幅度越来越小，初期支护及二次衬砌承载规律基本一致。由图3(c)、图3(d)和图4(a)、图4(b)可得出，支护结构稳定时，初期支护和二次衬砌左侧边墙及拱腰承载最大，拱顶承载次之，右侧拱腰及边墙最小，且二次衬砌支护结构受力较初期支护结构受力大的多。隧道断面左右受力特征明显不对称，初期支护与二次衬砌左右承载力差异明显。这表明该断面支护结构承载受结构面影响较大，片岩隧道围岩具有顺层偏压特性，受力各向异性明显。

3.1.2 “30°～60°”倾角断面支护承载监测结果分析

图5(a)是油坊坪隧道断面YK41+722段(岩层片理面产状210°∠35°)支护结构压力分布图,图5(b)、图5(c)分别是竹山隧道断面ZK156+905段(岩层片理面产状20°∠45°)与宴家隧道断面ZK227+213段(岩层片理面产状40°∠55°)初期支护及二次衬砌稳定时压力分布图。

图5 不同段的隧道断面初期支护及二次衬砌稳定时压力分布Fig.5 Pressure distribution of monitoring sectionsin preliminary bracing period and secondarylining’s stable period

对30°～60°倾角片岩隧道断面支护承载监测结果分析，由图5可得出，支护结构稳定时，初期支护和二次衬砌左拱腰承载最大，左边墙、拱顶及右拱腰承载次之，右边墙最小，且二次衬砌支护结构受力较初期支护结构受力大的多。隧道断面左右受力特征明显不对称，初期支护与二次衬砌左右承载力差异明显。

3.1.3 “60°～90°”倾角断面支护承载监测结果分析

图6(a)、图6(b)分别是竹山隧道断面YK156+987段(岩层片理面产状25°∠60°)与宴家隧道断面YK227+483段(岩层片理面产状35°∠65°)初期支护及二次衬砌稳定时压力布置图。

图6 不同路段的隧道断面初期支护及二次衬砌稳定时压力分布Fig.6 Pressure distribution of monitoring sections inpreliminary bracing period and secondarylining’s stable period

对60°～90°倾角片岩隧道断面支护承载监测结果分析，由图6(a)中初期支护可以得出，支护结构稳定时，拱顶承载最大，左拱腰及边墙承载次之，右侧拱腰及边墙最小；由图6(a)中二次衬砌和图6(b)中初期支护可以得出，在拱顶承载最大，左、右拱腰及右边墙次之，左边墙承载最小；图6(b)中二次衬砌可以得出，在拱顶承载最大，左、右拱腰及右边墙次之，左边墙承载最小。图6均可得出，二次衬砌支护结构受力较初期支护结构受力大的多，隧道断面左右受力特征明显不对称，初期支护与二次衬砌左右承载力差异明显。

3.2 支护结构受力规律分析

将不同片理面倾角的片岩隧道断面初期支护及二次衬砌支护稳定时所得的量测数据绘制成曲线图，如图7所示。

图7 片理面倾角与支护结构受力关系Fig.7 Relationship between schistosity plane angleand force of supporting structure

由图7可以得出，左右拱腰及左右边墙支护结构承载力大致都呈现随着片岩的片理面倾角先增加而增加的趋势，增加幅度相对较小，增加到最大值后，又较陡减小至较小值，变化幅度大。左右拱腰及左右边墙承载力支护结构2曲线图反映规律基本一致，曲线发生转折点部位是在片理面倾角为45°～55°之间。但针对图7(b)中右边墙承载曲线在片理面倾角为55°～65°有上升现象，幅度大，但没有超过片里面倾角为45°时的承载力最大值，且在片里面倾角为60°～65°间曲线仍存在下降趋势，整体趋势不变，则在误差允许范围内。图7的各个部位支护结构承载力出现最大值在片理面倾角为45°～55°岩层隧道部位。这主要因为片岩隧道各向异性的特性影响两侧水平侧压力的分布，随着片岩片理面倾角度的增大，表现在片理面倾角为45°～55°之后，水平侧压力会越小。

通过总结图3—图7可以得出，初期支护和二次衬砌承载规律如下。

(1) 随着初期支护的施工，围岩与初期支护之间围岩压力不断加大，开始围岩压力变化值很大，后来逐渐减小，这是围岩变形逐渐减小趋于平稳的结果，最后围岩压力趋于一定的值，变化不大。

(2) 初期支护与二次衬砌承载数据曲线变形均存在3个阶段：①在二次衬砌施工之前，由于仅施加柔性支护，衬砌和围岩产生协同变形，隧道围岩岩体的弹性能和重力势能以做功的形式逐渐耗散或重新分布。使初次衬砌与围岩之间的压力变化相对较小，但压力值持续增加。②在二次衬砌施工完成后，支护刚度有明显的提升，支护结构几乎不产生变形。隧道围岩岩体的弹性能和重力势能以弹性能的形式集中储存在支护结构以及其周围岩体内，使洞身附近岩体产生局部应力集中，使围岩与支护结构之间的压力短时间内产生较大的增幅，变化速率和变化量均较大。③二次衬砌施工后，二次衬砌作为主要的承载结构，二次衬砌承载值较大，当围岩压力增大到一定程度后，支护结构对围岩产生的抗力，使片岩隧道围岩产生应力平衡，阻止围岩进一步变形，围岩压力趋于平稳，但支护结构承载值依旧增加。

(3) 片岩隧道的支护结构承载力值具有很大的非对称性，即左右两侧的围岩压力差别比较大，这是因为岩体各向异性显著，围岩具有顺层偏压特性。

(4) 因片岩的各向异性特征明显，初期支护与二次衬砌支护结构拱腰及边墙的最大承载力在片理面倾角为45°～55°之间，当片理面倾角>55°，随着片岩片理面倾角度的增大，水平侧压力会变小。

4 片岩隧道初期支护及二次衬砌结构承载比例分析

通过对监测数据的分析，初期支护及二次衬砌承载比例可参考式(2)和式(3)进行计算。

初期支护承载承担比例=

(2)

二次衬砌承载承担比例=

(3)

本文选取具有代表性的隧道监测断面，根据其实际现场的压力监测数据，得到围岩稳定时初期支护及二次衬砌承载数据统计结果，如表2所示。

表2 支护结构稳定时初期支护及二次衬砌结构承载数据统计

根据表2数据以及参照式(2)、式(3)，从而分别得到初期支护承载比例与二次承载承担比例的柱状图如图8所示。

图8 支护结构承载的比例关系统计Fig.8 Statistical diagram of the bearing proportionof supporting structures

根据表2数据及图8可知：二次衬砌结构在量测隧道中不仅仅作为安全储备，而且承担着大部分围岩荷载，与初期支护结构共同作用来维持围岩的安全与稳定。由于选取了各段不同片理面倾角的片岩隧道进行分析，可以得到隧道各不同监测断面均出现二次衬砌分担的围岩荷载占有很高的比例，达到80%～90%，而初期支护承担荷载比例较小，当片理面倾角较大时，片岩隧道大部分二次衬砌分担比例达到90%以上。这表明片岩的各向异性对隧道二次衬砌承载分担比例有着很大的影响。这主要是因为软弱片岩完整性差，具有流变特性，施工中围岩自稳性差，易产生大变形，到时围岩体形成过大的形变压力作用于支护结构上。隧道支护结构左右对称部位承载力相差较大，支护结构承载值具有明显的非对称性。

参照现有《公路隧道设计规范》[17]中关于软岩支护结构承载比例的规定：对于Ⅳ级围岩、初期支护+围岩承担60%～80%荷载，二次衬砌结构承担20%～40%荷载；对于Ⅴ级围岩初期支护+围岩承担20%～40%荷载，二次衬砌结构承担60%～80%荷载。根据现有隧道围岩级别设计支护结构承载比例的相关规定，这些隧道二次衬砌承载分担比例远超设计值。实际监测结果显示二次衬砌承担荷载比例大于规范值，初期支护荷载承担比例较小，导致大量的荷载作用于二次衬砌结构上，是使部分隧道二次衬砌结构开裂的主要原因。

5 结 论

本论文通过研究得到以下主要结论：

(1) 片岩类软弱围岩隧道中二次衬砌分担的围岩荷载占有很高的比例，达到80%～90%；初期支护承担荷载比例较小，占10%～20%。这主要是因为软弱片岩完整性差，具有流变特性，施工中围岩自稳性差，易产生大变形，形成过大的形变压力作用于支护结构上。其次，初期支护属于柔性支护，衬砌和围岩产生协同变形，隧道围岩岩体的弹性能和重力势能以做功的形式逐渐耗散或重新分布，使初期支护与围岩之间的压力变化相对较小。二次衬砌结构属于刚性支护，支护施加后支护结构几乎不产生变形，隧道围岩岩体的弹性能和重力势能以弹性能的形式集中储存在支护结构以及其周围岩体内，使得二次衬砌结构在短时间内承担较大的荷载。

(2) 片岩隧道不同部位支护结构承载相差较大，隧道的支护结构承载力具有很明显的非对称性，这主要是由于片岩片理面特性明显，具有明显的各向异性。不同的围岩产状，支护结构不同部位承载情况明显不同。

(3) 由于片岩的各向异性的特性，片岩隧道初期支护与二次衬砌支护结构拱腰及边墙的最大承载力出现在片理面倾角为45°～55°的区间。当片理面倾角<45°时，随着片岩片理面倾角度的增大，初期支护与二次衬砌水平侧承载力增加，但变化幅度相对不大，比较平稳；当片理面倾角>55°时，水平侧承载力则快速减小，变化幅度较大。

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(编辑：赵卫兵)

Bearing Mechanics Behavior of Supporting Structuresin Anisotropic Schist Tunnel

KONG Fan-shui1，ZUO Chang-qun1，LI Tao1，HOU Dong-bo1，2

(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences ,Wuhan 430074,China； 2.Hubei Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430051,China)

In the aim of better understanding the distribution of forces on the supporting structures in anisotropic schist tunnel, the bearing behavior of preliminary bracing and secondary lining of surrounding rocks with different schistosity plane angles in Wudang group schist tunnel area are monitored and measured. Analysis of the measured data reveals that the load shared by secondary lining is much greater than that by preliminary bracing when the surrounding rock is stable. Rock load shared by most secondary linings accounts for up to 80%-90%, which suggest that the bearing ratios of some sections exceed the standard in specifications, posing large impact on the stability of secondary lining in the subsequent operation. Supporting structure of schist tunnel shows obvious anisotropy. When the schistosity plane angles are less than 45°-55°, the lateral force when supporting structure is stable shows an increasing trend with the increase of schistosity plane angles, and a steep decrease when the schistosity plane angle is larger than 45°-55°. Forces of different parts of support structure are apparently different and obviously asymmetrical , and forces of surrounding rock of schist tunnel and supporting structure has consequent bias characteristics.

schist tunnel; anisotropy; monitoring and measurement; supporting structure; bearing behavior

2016-03-14；

2016-04-01

国家自然科学基金项目(41202201,41102196,51379194)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(CUGL110215)；国土资源部公益性行业科研专项经费项目(201211039)

孔凡水(1992-)，男，江西抚州人，硕士研究生，主要从事地下工程方面的研究，(电话)13297954336(电子信箱)1908478950@qq.com。

左昌群(1981-)，女，湖北荆州人，讲师，博士，主要从事地下建筑方面的教学与研究工作,(电话) 13554111141(电子信箱)helenzz@126.com。

10.11988/ckyyb.20160221

2017,34(6):97-102

U45

A

1001-5485(2017)06-0097-06