特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩变形时空效应

王 建, 袁枫斌, 袁 龙

(中国公路工程咨询集团有限公司，中咨华科交通建设技术有限公司，北京 100195)

隧道断面开挖，围岩结构初始应力状态破坏。之后随着施做初期支护，围岩内部应力重分布，形成新的二次应力场，这种应力状态受隧道开挖断面、围岩级别、开挖方法、时间、距工作面距离等因素影响而变化，即围岩变形时空效应[1]。针对围岩变形时空效应，中外学者已经有所研究。

孙智慧等[2]采用现场监测手段对围岩变形时空效应进行研究，研究结果认为对软硬岩区隧道工程应充分考虑软岩的时效变形，合理选择支护时机和支护措施；左清军等[3]以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道为例，结合变形监测资料提出了不同围岩级别下隧道围岩径向位移释放率随时间和距掌子面距离的定性变化规律；卫建军[4]以西安地铁3号线某暗挖站区间双线地铁隧道施工为背景，采用有限差分软件FLAC3D建立土体三维力学模型对双线地铁隧道台阶法施工过程进行动态模拟，认为围岩变形呈现出先快速增长后逐渐平稳的趋势，且影响范围逐渐增大；田晓艳等[5]基于平面应变原理，利用Peck沉降公式通过推导得到隧道任意土层的沿其横断面的水平位移计算表达式，通过与已有工程案例进行比对，验证了已有公式的适用性；文献[6-12]通过现场围岩的变形监测分析，探讨了围岩与衬砌的相互关系。

综上所述，目前关于特大断面隧道时空效应的研究成果大多属于定性分析，较多集中在对于已有规律的验证，缺少针对特大断面隧道围岩变形时空效应定量的、系统性的公式表述，进而难以准确描述及预判特大断面隧道时空效应规律。因此，以道吾山特长隧道为依托工程，针对特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩变形时空效应进行研究，结合现场监测及回归分析得出特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及收敛变化时程、空间曲线方程，可进一步定量判断特大断面砂质板岩隧道围岩变形规律，为类似特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩时空效应研究提供系统性借鉴。

1 工程概况

道吾山特长隧道位于浏阳市集里镇—蕉溪乡境内，隧道呈曲线形展布，为分离式隧道，左线隧道起讫桩号 ZK1+390～ZK6+072，总长4 662 m，隧道最大埋深约595 m，位于 ZK3+580处。右线隧道起讫桩号 K1+390～K6+056，总长4 666 m，隧道最大埋深约604 m，位于 K3+600处。隧道设计净宽14.79 m，设计净高10.05 m，净空面积为120.26 m2，开挖断面最大面积为163.55 m2，属于特大断面隧道。隧址围岩岩体为强风化砂质板岩、中风化砂质板岩、微风化砂质板岩、强风化花岗岩，中风化砂质板岩为隧道洞身段围岩的主要组成部分，砂质板岩地层占隧道总长的90%，根据地质调查及钻孔揭露岩体情况显示，砂质板岩岩质较软，岩体较完整，自稳能力一般，施工过程中开挖后可能有剥落，隧道开挖过程中围岩变形时空效应明显。

隧址区主要属中低山地貌，山体形态不规则，其山脉走向大致呈北东向，山坡植被茂密，沟谷发育，地形切割强烈，起伏变化较大，地面高程变化在 130～787.6 m，地势最高点位于道吾山的五老峰附近，海拔高程为787.6 m，属于亚热带季风性气候区，温和湿润，季节变化明显。隧道浏阳端位于冲沟部位山坡坡脚，洞轴线与等高线基本正交，山坡自然坡度20°～30°，地面高程变化在 158～165 m；蕉溪端位于冲沟部位山坡坡脚，洞轴线与等高线基本正交，山坡自然坡度为25°～35°，地面高程变化在 148～155 m。隧道洞口全貌如图1所示。

图1 隧道洞口Fig.1 Tunnel entrance

2 特大断面隧道Ⅴ级围岩变形随时间变化规律分析

山体结构在未受到外力扰动时，岩层内部每个质点在天然应力作用下达到平衡，山体围岩处于自稳状态，围岩变形随着时间的变化可以忽略。当隧道穿越山体结构时，掌子面开挖造成原有岩土体缺失，岩层爆破等外力对山体结构造成扰动，围岩内部应力平衡被打破，洞壁出现应力集中现象，洞壁应力超过围岩屈服极限，致使围岩整体强度降低，随着时间的推移产生膨胀变形、破坏。此时，围岩处于塑性状态，形成塑性松动圈，出现隧道围岩变形时间效应。基于道吾山特长隧道监控量测数据，选取断面YK1+501(Ⅴ级围岩)进行围岩变形随时间变化规律分析。

YK1+501断面隧道顶板围岩厚0～80 m，上覆残破基层为硬塑粉质黏土；下伏基岩为砂质板岩，中风化层岩石较坚硬，岩体较破碎，节理裂隙较发育，围岩级别为Ⅴ级，开挖工法为交叉中隔墙(cross diaphragm,CRD)法。YK1+501断面拱顶沉降及收敛变化时程曲线、拱顶沉降及收敛速率时程曲线如图2、图3所示。

图2 拱顶沉降及收敛变化时程曲线Fig.2 Time-history curve of vault settlement and convergence

图3 拱顶沉降及收敛速率时程曲线Fig.3 Time history curve of vault settlement and convergence rate

分析图2可知，隧道开挖，马上施做初期支护后，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛过程分为3个阶段。第1个阶段为围岩开挖后1～7 d，第7天拱顶沉降累计值达7.21 mm，占监测时间段内累计总沉降的66.21%，水平收敛位移累计值达6.20 mm，占监测时间段内累计水平收敛位移的72.26%。该阶段围岩变形随着时间变化急速增长，拱顶沉降及水平收敛位移均变化较大，围岩变形时间效应明显，称为急剧变形阶段。第2阶段为围岩开挖后8～25 d，第25天拱顶沉降累计值达10.33 mm，占监测时间段内累计总沉降的95%；水平收敛位移累计值达8.19 mm，占监测时间段内累计水平收敛位移的95.45%；该阶段围岩变形随着时间变化缓慢增长，拱顶沉降及水平收敛位移均变化较小，逐渐趋于稳定，围岩变形时间效应减弱，称为缓慢变形阶段。第3阶段为围岩开挖后25 d以后，该阶段围岩变形随着时间变化基本不再增长，拱顶沉降及水平收敛位移趋于稳定，围岩变形时间效应基本消失，称为稳定阶段。

分析图3可知，隧道开挖，马上施做初期支护后，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛速率整体呈现先增大后减小，最后趋于稳定，逐渐趋于零的规律。隧道开挖1 d后，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛速率均达到最大值，分别为2.03、1.75 mm/d；隧道开挖2～25 d，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛速率逐渐减小，趋于稳定；隧道开挖25 d以后，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛速率接近于零，基本不再变化。

结合图2、图3分析可知，隧道开挖，施做初期支护25 d后，隧道拱顶沉降及洞室围岩水平收敛均趋于稳定，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛速率接近于零，表明该段隧道围岩稳定性较好，初期支护施做后，围岩与初支应力重新分布，达到新的应力平衡状态，此时初支已全部发挥作用，是施做二次衬砌最佳时机。

3 特大断面隧道Ⅴ级围岩变形随空间变化规律分析

隧道断面开挖，立即施做初期支护后，围岩结构初始应力状态破坏，在围岩变形时间效应作用下，围岩内部应力重分布，形成新的二次应力场，隧道结构拱顶沉降及洞室围岩水平收敛逐渐趋于稳定。此时，随着隧道掌子面逐步掘进过程中，周边隧道结构体系与掌子面空间距离发生变化，造成围岩内部应力进一步变化，形成三次应力场，出现围岩变形空间效应。基于道吾山特长隧道监控量测数据，选取断面ZK1+520(Ⅴ级围岩)进行围岩变形随空间距离变化规律分析。

ZK1+520隧道断面围岩级别为Ⅴ级，开挖工法为CRD法，每循环进尺为3 m。ZK1+520断面拱顶沉降及水平收敛变化空间曲线、拱顶沉降及水平收敛速率空间曲线如图4、图5所示。

分析图4可知，随着隧道掌子面逐步掘进过程中，周边隧道结构体系与掌子面空间距离不断增大，隧道拱顶沉降及洞室围岩水平收敛整体呈“对数函数”型增长。当ZK1+520监测断面与掌子面距离约3倍洞径(45 m)内时，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛增长迅速，分别达到10.69、9.49 mm，分别是总体拱顶沉降累计值及洞室围岩水平收敛累计值的89%、88.7%；当ZK1+520监测断面与掌子面距离超过3倍洞径(45 m)内时，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛增长逐渐平缓，趋于稳定。

分析图5可知，随着隧道掌子面逐步掘进过程中，周边隧道结构体系与掌子面空间距离不断增大，隧道拱顶沉降及洞室围岩水平收敛速率在第一次循环进尺(3 m)开挖完成后分别达到最大值1.9、1.63 mm/d，之后随着空间距离的增大逐渐减小，在ZK1+520监测断面与掌子面距离约3倍洞径(45 m)时，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛速率基本趋于稳定状态，之后虽有小范围波动，但仍迅速减小，逐渐趋近于零。

图4 拱顶沉降及收敛变化空间曲线Fig.4 Spatial curve of vault settlement and convergence change

图5 拱顶沉降及收敛速率变化空间曲线Fig.5 Spatial curve of vault settlement and convergence rate

结合图4、图5分析可知，隧道结构体系与掌子面空间距离约3倍洞径时，隧道拱顶沉降及洞室围岩水平收敛均趋于稳定，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛速率接近于零，表明该段隧道结构体系初期支护施做后，围岩与初支应力重新分布，达到新的应力平衡状态，此时初支已全部发挥作用，是施做二次衬砌最佳时机。同时证明Ⅴ级围岩二衬距离掌子面距离不应大于50 m。

4 特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩变形时空效应回归分析

基于道吾山特长隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及洞室围岩水平收敛监控量测数据，采用SPSS分析软件，针对特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩变形时空效应进行回归分析[13]。结合前文分析可知，特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及收敛变化时程曲线、拱顶沉降及收敛变化空间曲线均呈“对数函数”型变化，因此选取对数函数y=aln(1+x)作为拟合回归曲线方程。

4.1 Ⅴ级围岩变形时间效应回归分析

道吾山特长隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及洞室围岩水平收敛随时间变化监测数据如表1所示。

基于道吾山特长隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及洞室围岩水平收敛随时间变化监测数据，建立数学模型，结合选取的拟合回归曲线方程y=aln(1+x)，利用SPSS进行回归分析。经拟合计算得出系数a。因此，特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降时程曲线方程为y=2.611ln(1+x)，特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩收敛变化时程曲线方程为y=3.262ln(1+x)，且模型拟合度R2=0.913，十分趋近于1，说明时程曲线方程拟合度很好。

4.2 Ⅴ级围岩变形时间效应回归分析

道吾山特长隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及洞室围岩水平收敛随空间变化监测数据如表2所示。

基于道吾山特长隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及洞室围岩水平收敛随空间变化监测数据，建立数学模型，结合选取的拟合回归曲线方程y=aln(1+x)，利用SPSS进行回归分析。经拟合计算得出系数a。因此，特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降空间曲线方程为y=2.404ln(1+x)，特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩收敛变化空间曲线方程为y=2.68ln(1+x)，且模型拟合度R2=0.948十分趋近于1，说明空间曲线方程拟合度很好。

表2 拱顶沉降及水平收敛随空间变化监测数据Table 2 Monitoring data of vault settlement and horizontal convergence varying with space

5 结论及工程建议

结合道吾山特长隧道现场监测数据，针对特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩变形时空效应进行研究，经回归分析得出特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及收敛变化时程、空间曲线方程。主要结论及工程建议如下：

(1)隧道开挖，马上施做初期支护后，拱顶沉降及洞室围岩水平收敛过程分为3个阶段。第1个阶段为围岩开挖后1～7 d，围岩变形时间效应明显，称为急剧变形阶段；第2阶段为围岩开挖后8～25 d，该阶段围岩变形随着时间变化缓慢增长，逐渐趋于稳定，围岩变形时间效应减弱，称为缓慢变形阶段；第3阶段为围岩开挖后25 d以后，该阶段围岩变形随着时间变化基本不再增长，围岩变形时间效应基本消失，称为稳定阶段。

(2)隧道开挖，施做初期支护25 d后，隧道拱顶沉降及洞室围岩水平收敛均趋于稳定，围岩与初支应力重新分布，达到新的应力平衡状态，此时是施做二次衬砌最佳时机。

(3)隧道结构体系与掌子面空间距离约3倍洞径时，隧道拱顶沉降及洞室围岩水平收敛均趋于稳定，是施做二次衬砌最佳时机，且Ⅴ级围岩二衬距离掌子面距离不应大于50 m。

(4)特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及收敛变化时程曲线方程分别为y=2.611ln(1+x)，y=3.262ln(1+x)。

(5)特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及收敛变化空间曲线方程分别为y=2.404ln(1+x)，y=2.68ln(1+x)。

(6)建议进一步完善其他类似隧道工程实践验证特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩拱顶沉降及收敛变化时程、空间曲线方程。