软岩隧道支护结构受力特征分析

王有昌，涂孝波，李志平，冉丽洪，罗美华

(1.国家林业和草原局昆明勘察设计院，昆明 650031;2.核工业江西工程勘察研究总院有限公司，南昌 330072)

近年来，随着中国高速公路建设飞速发展，技术标准在不断提高，隧道建设中出现了大量的软岩隧道。但由于软岩具有可塑性、流变性、易扰动性等特征，使隧道开挖后出现软岩大变形、难支护等问题，甚至发生安全事故。因此，围绕软岩隧道围岩压力以及支护结构受力特征研究，对于解决软岩隧道大变形、难支护等问题具有重要意义。

国内外学者针对软岩物理力学性质及软岩隧道支护结构受力特征等方面进行了大量研究，取得了一定成果。赖金星等[1]、叶万军等[2]研究了黄土隧道支护结构受力变化规律，为黄土隧道设计提供理论依据；田鹏[3]、丁远振等[4]、王英帆等[5]研究了高地应力条件下软岩隧道围岩压力变化规律及支护结构受力特征；张春洪等[6]、白家设等[7]研究了软弱地层双连拱隧道支护结构受力变化规律；涂孝波[8]、晏长根等[9]研究了软岩隧道支护结构受力变形特征；韩风雷等[10]、黄赫等[11]、李建敦等[12]研究了软岩隧道支护结构受力特征。

以上文献针对不同地质条件及支护类型等条件下软岩隧道支护结构的受力特性进行了相关研究，但由于软岩自身的特性、地质的复杂性，软岩隧道呈现明显的差异性。本文结合石凹顶软岩隧道的现场监测数据，分析不同的围岩级别、施工方法、支护类型等条件下支护结构随时间的变化规律以及空间分布特征，为软岩隧道设计与施工提供技术支撑，为软岩隧道支护结构优化提供依据，为类似工程提供参考。

1 工程概况

石凹顶隧道是龙怀高速公路建设项目中的一个重难点工程，隧道右线全长1 408 m，左线全长1 435 m，为长隧道。隧址区属剥蚀丘陵地貌区，地层岩性主要为泥盆系下统桂头群页岩、砂页岩互层，砂质结构，节理裂隙发育，岩体破碎、强度低，Rc=21.9～35.6 MPa，[BQ]=225.7～324.3，为软岩隧道，其中Ⅳ级围岩占52%，Ⅴ级围岩占48%。隧址区发育一大型复式背斜，隧道穿越其背斜核部及断层破碎带，地质条件复杂。该隧道施工安全风险高，综合评定风险等级为Ⅳ级，属于极高风险等级。

2 监测内容与方案

2.1 监测内容

为研究石凹顶软岩隧道支护结构的受力状态，对施工过程中的围岩压力、钢拱架应力、初期支护喷射混凝土应力，以及初期支护与二衬间的接触压力等进行了现场监测。现场测试内容包括围岩压力、钢拱架应力、初支混凝土应力、初支与二衬接触压力。选取具有代表性的断面，在断面关键部位埋设仪器进行受力监测。断面测点布置如图1所示。

图1 监测断面测点布置

2.2 监测方案

根据现场不同施工方法、围岩级别以及支护参数，分别在洞口浅埋段、洞身深埋段、断层破碎带段选取典型的K258+006、K258+205、K259+015断面(简称006、205、015断面)进行现场测试，围岩压力、钢拱架应力、初支混凝土应力、初支与二衬接触压力分别采用土压力盒、钢弦式应变计、混凝土应变计等进行现场测试，各测试设备现场安装如图2所示。各断面的埋深、开挖方法、围岩级别及支护参数见表1。

3 监测数据分析

3.1 围岩压力特征分析

由图3可知，隧道开挖初期(0～14 d)，围岩应力释放较大，压力值迅速增大，205断面部分测点在4 d后出现负增长趋势，(14～40 d)围岩压力缓慢增长，40 d后围岩压力逐渐趋于稳定。围岩压力随时间的变化规律大致可以分为：“急剧增大→缓慢增长→趋于稳定”3个阶段。受分步施工的影响，部分测点围岩压力存在波动特征，且不同的施工方法对围岩压力影响也不同。从图3(a)可以看出，当采用CD法施工时，分步施工对围岩压力的影响相对较小。对比图3(b)、(c)可知，当采用预留核心土法施工时，虽然施工步数减少了，但对围岩压力的影响却较大。从图3(a)、(c)可知，后行洞开挖至先行洞该断面时，同样会对先行洞围岩压力分布造成影响，这是由于趋于稳定的围岩应力重新分布后，导致先行洞部分测点围岩压力值出现变化。围岩压力并不是随着隧道埋深的增大而增大，岩体越破碎，围岩级别越差，所受构造应力越大，作用于支护结构上的荷载就越大。因此，在隧道施工中，应尽量减少对围岩的扰动，充分发挥围岩的自承能力。

图2 测试设备现场安装

表1 隧道支护参数

图3 3个断面初支围岩压力-时间变化规律

从图4可知，围岩压力稳定后，006断面和015断面的围岩压力分布不均匀，205断面围岩压力分布相对较均匀，这是由于上部岩土体分布不均匀以及地层的复杂性造成的。3个断面最大稳定围岩压力分别为0.271、0.077、0.107 MPa，分别出现在拱顶、左拱腰、左拱墙位置。其中006断面的围岩压力值要远大于其他两个断面，虽然006断面埋深浅，但该断面位于洞口段，岩体破碎，围岩自承能力低，大部分荷载作用于支护结构上。015断面受构造运动的影响，岩体相对破碎，作用在支护结构上的荷载也相应增大。而205断面虽然埋深较深，但围岩完整性较好，自承能力强，作用于支护结构上的荷载也相应偏小。

图4 3个断面初支围岩压力稳定值空间分布

3.2 钢拱架应力特征分析

从图5可知，钢拱架应力随时间的变化规律基本按照“急剧增大→缓慢增长→趋于稳定”的变化过程，支护结构施作后钢拱架应力值迅速增大，且持续时间较短，随着变形的稳定，应力值逐渐趋于稳定。钢拱架应力值全为负数，说明钢拱架整体处于受拉状态。分步施工会对钢拱架应力造成一定影响，其中预留核心土法施工影响较为显著。后行洞开挖至先行洞该断面时，会对钢拱架应力造成影响，但影响较小。Ⅴ级围岩断面钢拱架应力值要比Ⅳ级围岩断面大，Ⅴ级围岩岩体破碎，自承能力相对较弱，作用于支护结构上的荷载就大。

图5 3个断面钢拱架应力-时间变化规律

从图6可知，隧道开挖后，围岩变形、围岩压力分布不均匀，作用在钢拱架上的荷载也不均匀。隧道轮廓开挖不规则，钢拱架安装后与围岩的接触情况不同，作用于钢拱架上的荷载也不相同，导致钢拱架受力呈现出“差异化”。钢拱架最大受拉稳定应力值分别为-2.098、-0.743、-2.754 MPa，整个应力值都较小，远小于屈服应力。

图6 3个断面钢拱架应力稳定值空间分布

3.3 初支混凝土应力特征分析

从图7可知，开挖初期应力值迅速增大，随着混凝土强度不断增加，待应力重分布调整后，应力值逐渐缓慢增长，在20 d后逐渐趋于稳定。3个断面初支混凝土应力全为负值，说明初支混凝土全部处于受拉状态。受分步施工的影响，应力值出现波动特征，对比图7(a)和图7(b)、图7(c)可知，采用CD法施工时，分步开挖对应力值的影响不太明显，当采用预留核心土法施工时，影响较为显著。当后行洞开挖至先行洞此断面时，会对先行洞混凝土初支应力值造成一定影响。Ⅴ级围岩初支混凝土应力值要比Ⅳ级围岩大，因围岩级别越差，岩体越破碎，作用于初期支护上荷载也就越大。

图7 3个断面初支混凝土应力-时间变化规律

从图8可知，Ⅴ级围岩断面(006、015)初支混凝土应力空间分布不均匀，局部存在偏压现象；Ⅳ级围岩断面(205)初支混凝土应力分布相对均匀，偏压现象不明显。初支混凝土最大受拉稳定应力值分别为-1.573、-0.541、-1.876 MPa，两个Ⅴ级围岩断面的拉应力值都超过了C25混凝土轴心抗拉强度标准值，这与现场006断面、015断面右侧拱腰出现裂缝情况相一致，这是由于现场施工的喷射混凝土厚度未达到设计厚度或局部偏压造成。

图8 3个断面初支混凝土应力稳定值空间分布

3.4 初支与二衬接触压力特征分析

从图9可知，初支与二衬接触压力在二衬浇筑完成后先迅速增大后减小再缓慢增大最后趋于稳定的一个过程。局部测点压力值持续增长，最后趋于稳定，并未出现压力值较小的过程。各断面接触压力随时间的变化规律大致相同，205断面体现出来的差异性是二衬拆模过早导致的。拆模过早，二衬台车提供的支撑力突然消失，同时混凝土强度还未达到理想状态，就会导致初支与二衬接触压力重新分布。通过图3和图8对比可知，接触压力相比初支围岩压力要小很多，说明初期支护结构承担了大部分围岩荷载，二衬结构承担的荷载很小。

图9 3个断面初支与二衬接触压力-时间变化规律

从图10可知，初支与二衬接触压力稳定后，跟围岩压力稳定后分布情况相似，006断面和015断面分布不均匀，存在离散性，表明这两个Ⅴ级围岩断面还存在一定的偏压作用，205断面接触压力基本上呈对称分布，说明该断面围岩的自承能力较强。对比图4可知，接触压力要比围岩压力小很多，说明初期支护结构承担的荷载较多，二衬结构是在隧道围岩尚未完全稳定状态下实施，初期支护结构传递到二次衬砌的压力较小，说明初期支护结构达到了良好的支护效果。接触压力在短时间内达到稳定状态，说明二衬结构不会发生屈服破坏。

图10 3个断面初支与二衬接触压力稳定值空间分布

4 结论

结合石凹顶软岩隧道施工过程中围岩压力、钢拱架应力、初期支护喷射混凝土应力，以及初支与二衬间接触压力的现场监测数据，分析不同的围岩级别、施工方法、支护类型等条件下支护结构随时间的变化规律以及空间分布特征，得出以下结论：

1)软岩隧道围岩压力和钢拱架应力的变化规律大致分为“急剧增大→缓慢增长→趋于稳定”3个阶段，开挖初期围岩变形快速增长，急剧增大阶段的变形量占到总变形量的50%以上，随后围岩变形逐渐减小，最后趋于稳定。

2)喷射混凝土应力分布不均匀，V级围岩大于Ⅳ级围岩，且整体处于受拉状态；受分步施工的影响，初支混凝土应力值出现波动特征，采用CD法施工比预留核心土法的施工步骤多，但对围岩扰动相对较小，作用于支护结构的荷载也相应较小。

3)通过初支与二衬接触压力分析，接触压力比初支围岩压力要小，初期支护结构分担了大部分围岩荷载，二次衬砌结构分担的荷载要小。

4)作用于支护结构上的荷载除与隧道埋深有关外，还与隧道围岩破碎程度及所受构造应力大小呈正比关系。隧道施工中应尽量减少对围岩的扰动，充分发挥围岩的自承能力，建设既经济又安全的优质隧道。