小间距大断面公路隧道长距穿越变余泥质板岩区结构力学特性试验研究

刘钢

（中铁北京工程局集团第一工程有限公司，陕西渭南714000）

1 绪论

随着经济的发展，我国基础建设也得到迅猛的发展，高速铁路和高速公路的不断联通，城市交通网进一步加密。为保证行车条件和线路的平顺，线路工程中的桥隧比不断攀升。众所周知，隧道所经历的区域地形和地质情况复杂多变，给隧道施工带来了不少的安全隐患。针对在板岩地区修建隧道，刘高等[1]通过研究木寨岭隧道大变形现象，指出该隧道的大变形是围岩岩性、地下水、地应力综合作用的结果。叶康慨[2]以木寨岭隧道大坪有轨斜井为对象，研究了板岩产生大变形现象及处理对策。邹狲等[3]通过木寨岭隧道7舟斜井中控制板岩大变形的实验对比，认为超前大钻孔法与超前导洞法都能起到一定的控制变形的作用。王运金[4]结合武吉高速公路九岭山隧道中弱风化板岩的塌方现象，提出了板岩隧道塌方治理措施。纵观这些研究成果，主要是针对板岩的岩性特征，而以分离式小间距的大断面隧道施工期的结构受力特征的研究鲜见报道，因此，本文以分离式小间距公路隧道长距穿越变余泥质板岩区为对象，研究并分析隧道施工过程中支护结构受力变化特性及围岩变形特征，为隧道安全快速穿越变余泥质板岩区提供理论支持。

2 工程背景

2.1 工程概况

各竜隧道横穿羊圈沟与各竜沟交汇地带山体，隧道采用分离式设计，其中左线进口里程ZK253+310，出口里程ZK255+795，全长2485m；右线进口里程K253+305，出口里程K255+790，全长2485m。洞身最大埋深约192.4m。隧道进口采用削竹式，出口采用端墙式。隧道洞身主要穿越三叠系（T2）地层，岩性为强—中风化板岩：变余泥质（砂质）结构,层状构造。节理裂隙极发育，胶结程度很差，岩体破碎。

2.2 工程特征

各竜隧道围岩在施工过程中，特别是软弱围岩地段，出现不同程度的变形和侵限，较大的变形主要集中在拱肩和拱脚部位，经过现场测量观察，最大变形处为起拱线以下连接板处，变形量平均为60～80cm，导致起拱线以下连接板处欠10～30cm。为了查找围岩大变形产生的原因，确保后续隧道施工安全经济。西安建筑科技大学隧道研究所受渭武高速10标项目经理部委托对隧道围岩大变形进行试验研究，以此研究发现隧道围岩大变形的机理和应对措施。

2.3 研究目的

以各竜隧道现场试验，查明渭武高速10标各竜隧道围岩大变形的部位和数量；采集围岩及衬砌结构内部应力等相关数据，为判断围岩大变形的成因分析提供必要的数据支持。以采集得到的室内外试验数据，初步分析各竜隧道围岩大变形的分布规律，为进一步研究分析围岩大变形机理提供必要的数据支持。

3 现场试验监测方法

为保证现场各竜隧道施工不受干扰和海量数据的远程采集，本文采用无线自动化监测手段对各竜隧道施工期围岩变形、结构受力等信息进行采集。

（1）监测设备。针对各竜隧道工程，本文采用一套基于远程自动化监测物联网系统，该系统采用先进的无线传输技术和云服务技术，将B/S技术和C/S技术相结合，实现了传统监测与互联网、物联网融合，突破了数据传输空间限制。该产品可以实现高频率数据采集，并通过电脑等终端的IE浏览器，随时随地对监测信息查询。该采集系统具有很高的性价比，可替代大多数土木工程的传统人工监测。该系统可以实现传感器数据远程自动化采集，并将数据服务器平台发布，实现WEB和移动客户端实时查询，并对监测到的超限数据及时发布报警信息。其具有：（1）自动采集云服务；（2）远程实时监控；（3）WEB平台及移动客户端APP查看；（4）短信报警功能；（5）低成本、高精度、组网方便。

（2）现场监测点布置。为了更好地分析和研判隧道围岩的变形机理，本文拟在ZK253+8m断面布设应力、位移等传感元件，断面的测点布置如图1所示。考虑到现场施工环境的复杂性，监测断面的选择和应力元件的安设具体位置将根据现场实际状况做出适当调整。

图1 典型断面测点布置示意图

测点布置说明：①初次衬砌土压力计共计8个，其表示方式为：Y1-1、Y2-1、Y3-1、Y4-1、Y5-1、Y6-1、Y7-1、Y8-1；②二次衬砌土压力计共计8个，其表示方式为：Y1-2、Y2-2、Y3-2、Y4-2、Y5-2、Y6-2、Y7-2、Y8-2；③安置在拱架上的钢筋计共计8个，其表示方式为：G-1、G-2、G-3、G-4、G-5、G-6、G-7、G-8；④在拱顶、拱肩和拱脚处各安装一个位移计共计3个，其表示方式为：W1、W2、W3；⑤在拱顶、拱肩和拱脚处各安装一个锚杆测力计共计3个，其表示方式为：M-1、M-2、M-3。

4 数据分析

4.1 锚杆轴力分析

ZK253+800断面左、右拱脚锚杆轴力时程变化曲线分别如图2和图3所示，由图2、图3可知，靠近山体一侧（左拱脚）的锚杆受力较大，且锚杆上第一个测点（M1-3-1），也就是接近围岩临空面处的受力最大，且为拉力，其最大值达到了385.71kN，整体来看，3个测点都表现出了先增加后减小,最终趋于稳定。从图上还可以看出，本断面下台阶开挖后，其受力会有一个比较大的突变，这是由于下台阶开挖后，约束被解除后，边墙未能及时实施支撑所致，当仰拱施工完毕，在闭合环的作用下其受力状态逐渐趋于稳定。图3中锚杆整体受力较图2小。

图2 ZK253+800断面左拱脚锚杆轴力时程曲线

图3 ZK253+800断面右拱脚锚杆杆轴力时程曲线

4.2 初支与二衬围岩压力分析

4.2.1 初期支护围岩压力分析

从初期支护围岩压力分布图（图4）可知，在隧道拱部区域结构受力较大，最大值出现在拱顶，其为1368.48kPa，隧道右侧结构的围岩压力明显大于其左侧2倍还要多，右侧拱脚处的围岩压力竞超出左侧15左右，这些数据足以说明了施工现场隧道拱部和右侧拱脚附近区域内首先发生大变形的原因，从地质分布和地形来看，由于隧道设计为分离式小间距隧道，隧道右侧部分为山体，左侧为另一洞室，造成了结构近似单压的受力状态，故此，隧道右侧力学特征值较大。建议在后续设计中应加强隧道外侧边墙结构尺寸。

图4 初期支护围岩压力分布（kPa）

4.2.2 仰拱围岩压力分析

图5为测量断面仰拱处围岩压力时程曲线，由图5可看出,仰拱中部和右侧下面的土压力盒受力比较大，这一点也可在图4中得到验证，说明此处受力较为异常，应在后续施工中加强必要的施工措施。仰拱土压力盒也表现出先增大后逐渐趋于稳定的规律。仰拱在提高边墙抵抗变形能力以及保持隧道结构的长期稳定方面,依然有着不可替代的作用,尽早施作仰拱，加快支护结构封闭成环，这对于控制围岩变形有极大的意义。

图5 ZK253+800断面仰拱各测点压力时程曲线

图6为测量断面二衬结构围岩压力时程曲线，从图6中可知，衬砌拱顶处受力最小，拱腰受力相对较大，其分布形态呈明显的马鞍形分布，这较符合隧道结构受力特性。但考虑到二衬主要作为安全储备使用，不应承受很大的力，但本次监测数据显示二衬拱腰受力相对较大，可推断为初期支护未能完全抑制住围岩的大变形，致使二衬也承受了较大的荷载，这与上述结论也较为一致。

图6 二衬结构各测点围岩压力时程曲线

4.3 岩体深层位移分析

图7为测量断面围岩内部位移时程曲线，从图7中可以看出ZK253+800断面左侧拱脚部位位移变化的趋势，前8d位移变形量增速较快，前5d基本处于线性增长，之后增速有所下降，到第8d位移增加速率又突然加大，结合现场施工，这是由于该断面下台阶开挖导致，其之后位移量缓慢增加，变形速率较缓，最终稳定后的位移最大值为151.68mm。

图7 围岩内部位移时程曲线

5 结论

本文结合实际工程，应用自动化监测手段完成了隧道施工期间的围岩变形和结构受力特性的数据采集，实现了对现场施工零干扰的数据采集工作，并应用数据分析得到了以下结论：

（1）本文应用自动化数据采集与远程控制系统，顺利地完成了大断面公路

隧道施工期间海量数据的采集工作，并实现了对现场施工的零干扰；

（2）由本文数据分析和现场施工可知，施工现场隧道拱部和右侧拱脚附近区域内首先发生大变形的原因。从地质分布和地形来看，由于隧道设计为分离式小间距隧道，隧道右侧部分为山体，左侧为另一洞室，造成了结构近似单压的受力状态，建议在后续设计中应加强隧道外侧边墙结构尺寸；

（3）仰拱中部和右侧下面的土压力盒受力比较大，说明此处受力较为异常，应在后续施工中加强必要的施工措施；

（4）衬砌拱顶处受力最小，拱腰受力相对较大，其分布形态呈明显的马鞍形分布，这较符合隧道结构受力特性。但考虑到二衬主要作为安全储备使用，不应承受很大的力，但本次监测数据显示二衬拱腰受力相对较大，可推断为初期支护未能完全抑制住围岩的大变形，致使二衬也承受了较大的荷载；

（5）隧道围岩变形发展较快，累计变形量较大，建议施工期间加强围岩监控量测，必要时加强结构支护参数，仰拱紧跟。

[1]刘高，张帆宇，李新召，等.木寨岭隧道大变形特征及机理分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24（z2）：5521-5526.

[2]叶康慨.木寨岭隧道火坪有轨斜井施：IJ大变形段分析及处理技术[J].隧道建设，2010，30（2）：190-194.

[3]邹狲，王超朋，张文新.兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩段应力控制试验研究[J].隧道建设，2010，30（2）：121-124.

[4]王运金.九岭山隧道塌方治理及塌方治理效果检测[J].现代隧道技术，2008，45（6）：82-86.