邵家台软岩隧道变形的时间效应研究

韦景宁

(铁道第一工程局四公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

近年来，在我国土木工程建设中，越来越多地涉及到软岩工程问题。当前，关于软岩隧道的变形研究主要有现场变形监测、室内试验以及数值模拟等。如:张青龙等［1］研究了富水软岩隧道的变形特征及其变形机制;张祉道［2］结合家竹箐隧道探讨了隧道施工中支护大变形的整治;卢爱红等［3］通过理论分析和数值模拟研究了软岩隧道变形的时空效应;王中文等［4］通过考虑围岩蠕变特性探讨了隧道二衬合理支护时机确定方法;孙元春等［5］研究了软岩不同变形阶段的时间效应;庄丽等［6］则对土质隧道的变形及稳定性进行试验研究等。由于软岩隧道开挖过程中受施工扰动引起的应力释放大，其变形速率快且又收敛慢、变形持续时间长，如支护不当或不及时，则极易在开挖过程中产生坍塌等不同范围的失稳事故。由此，有必要还需对软岩隧道变形时间效应进一步展开研究。

本文结合湖北省谷(城)竹(溪)高速公路邵家台软岩隧道变形监测数据，分析隧道围岩变形特征，探讨隧道软岩变形的时间效应和稳定特性，以期为软岩隧道的设计、施工、监测提供参考，并为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程情况

谷(城)竹(溪)高速公路邵家台隧道位于湖北省十堰市房县青峰镇红塔乡党家湾村境内。双连拱隧道结构形式，建筑界限净宽23.5 m，净高5.0 m，双向四车道，设计车速80 km/h，起讫里程桩号:K87+785 ～K88+150，全长 365 m，最大埋深 54.9 m，省道S305两次上跨该隧道。隧道设计进口端为65 m的Ⅴ级围岩，出口端为110 m的Ⅴ级围岩，其他部分均为Ⅳ级围岩，长190 m，新奥法原理组织施工。

1.2 工程地质状况

在大地构造上，邵家台隧道位于南秦岭构造带内，处于武当山复背斜南翼。出露及揭露地层显示:该隧道地层主要为第四系全新统残坡积粉质粘土及志留系梅子垭组()千枚岩、炭质片岩，绢云母含量极高，属变质软岩，结合岩土层形成时代、岩性、岩土层特征及风化程度，具体描述如下:

Ⅰ粉质粘土层:

褐黄色，硬塑，夹杂有少量砾石，分布于隧址区基岩表面，厚度约 1.3 m;

灰白色，变晶结构，主要矿物成分为黑云母、长石、石英等，岩芯呈碎块状，最大厚度29.1 m;

灰黑色，变晶结构，主要矿物成分为黑云母、长石、石英等，裂隙发育，岩芯呈短柱和碎块状，采取率为60%，RQD为25%，钻探揭示最大厚度11.4 m(未揭穿)。

1.3 隧址区水文状况

隧址区地表水系不发育，主要为大气降水形成的地表面流及山体沟谷内季节性径流。地下水主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，松散岩类孔隙水赋存于第四系松散堆积物中，易渗透流失;基岩裂隙水赋存于基岩裂隙中，大气降水补给，受岩石完整性及裂隙开启程度制约，沿基岩风化裂隙、构造裂隙等向地势低凹处呈脉状、线状排泄。水质试验表明，地表水、地下水对混凝土无腐蚀性。

2 邵家台隧道围岩位移变形监测方案

为及时掌握施工中隧道围岩稳定程度与支护变形动态信息，对隧道实施监控量测是十分必要的。通过对监控量测数据分析和判断，对围岩—支护体系的稳定状态进行预测，掌握邵家台隧道施工过程中围岩变形动态信息及稳定程度，确定合理施工措施，确保隧道结构的稳定与安全。

邵家台隧道围岩变形情况采用收敛变形监测。由于掌子面开挖完成后，立即进行初次支护，故监测环直接焊接在拱架上，收敛计测量精度为0.01 mm。监测断面点布设间距:Ⅳ级围岩不大于25 m，Ⅴ级围岩应小于20 m，当隧道围岩发生变化时适当加密，同时，各监测点尽可能靠近工作面0.5 m～2 m处埋设，初读数在开挖后12 h～24 h进行，且在下一循环开挖前，完成初期变形值的读数。

3 邵家台隧道围岩变形时间效应

隧道围岩的变形是在一系列复杂应力条件下的综合反映。研究隧道围岩位移变形规律，探讨其变形的时间效应特征，评价围岩稳定性，有助于软岩隧洞安全施工作业。

3.1 邵家台隧道围岩变形特点

结合邵家台隧道围岩变形现场监测，选取典型监测断面K87+815，K87+820，K87+826监测数据进行研究，其位移随时间变化情况如图1所示。

图1 代表性监测断面累计位移—时间曲线图

从图1可以看出，邵家台隧道围岩收敛变形具有以下特点:

1)邵家台隧道各断面围岩位移收敛变形—时间变化曲线过程形状相似，变形均有明显“阶梯”形，阶梯发生时间在隧道开挖后3 d～4 d左右出现;

2)隧道围岩变形历时时间较长，初期发展较快，持续时间9 d～15 d，位移较大，约达累计收敛的85%～90%，伴随时间延长，隧道围岩累计位移逐渐趋向稳定。

3.2 邵家台隧道围岩变形时间效应

隧道开挖后，其围岩应力随着其空间约束释放和时间的推移而逐步释放。在软岩隧道施工中，伴随掌子面开挖及掌子面开挖停止，围岩变形主要表现在相当长时间内继续增长。

对邵家台隧道围岩典型监测断面K87+815，K87+820，K87+826现场监测数据进行回归分析研究，探讨隧道围岩收敛变形随时间变化的关系。回归拟合结果如表1所示。

表1 监测断面收敛变形回归分析结果

从表1可以看出，各回归方程的相关系数都在0.97以上，相关性好，回归方程能反映邵家台软岩隧道围岩的变形趋势，结果可靠性强。

结合图1，表1分析，邵家台软岩隧道掌子面在前期连续开挖过程中，隧洞变形主要表现为弹性变形，并在瞬间释放完毕，变形急剧增长;在某一时间点后围岩变形速度减缓，随着时间的延续，围岩位移演变在继续增加。当t→∞时，由回归拟合方程知，断面K87+815最终变形位移为303.03 mm;断面K87+820最终变形位移为322.58 mm;断面K87+826最终变形位移为161.29 mm，均大于现场监测值。由此看见，随着掌子面在连续开挖，即使处于空间约束条件下，软岩围岩变形时间效应还是很明显的。

时间效应的影响，使隧道变形表现于缓慢增长，其变形速率小，但持续时间长，变形量大。因此，对于初期支护后的断面，应从施工手段上减小时间效应的影响，避免初期支护结构破坏。

3.3 邵家台隧道围岩变形稳定性研究

隧道围岩变形稳定性通常认为是隧道围岩变形基本稳定，一次支护结构不会因产生过大变形而破坏，同时二次衬砌承担较小的形变载荷。

结合邵家台隧道围岩变形时间效应确定位移收敛变形的极限值，评价其围岩稳定性，判断围岩变形稳定时间，确定软岩隧道二次衬砌施作时，可使得现场施工过程得以优化。

利用表1回归方程，以围岩变形速率判定隧道围岩稳定性。设定A为变形稳定判定值，当时，即可以认为隧道围岩变形处于稳定阶段，即可进行二次衬砌。

结合现场实际，考虑到隧洞长期施工，为确保隧洞的安全，施工中取邵家台隧道变形稳定判定值A=2.50 mm/d，则各断面围岩变形稳定时间分别为:K87+815断面，稳定时间14 d，du/dt=2.18＜A，变形量占变形总量的80%;K87+820断面，稳定时间9 d，du/dt=1.41＜A，变形量占变形总量的83%;K87+826断面，稳定时间13 d，du/dt=2.15＜A，变形量占变形总量的81%。由此可见，隧道断面K87+815，K87+820，K87+826在掌子面开挖14 d，9 d，13 d后进行二次衬砌施作应当是合理的。现场施工实际也表明，计算与实际吻合良好。

4 结语

基于邵家台隧道地质施工状况，确立了邵家台隧道围岩变形监测方案，并且研究了隧道围岩的变形特征，探讨了时间效应下隧道围岩变形过程以及其隧道围岩的稳定性。研究结果表明邵家台软岩隧道变形演变具有明显的时间效应。由此，在邵家台软岩隧道施工过程中，要尽量减少对隧道围岩的扰动，同时，要采取预先必要措施，提高隧道围岩强度，控制时间效应的影响，确保隧道施工安全。

［1］张青龙，李 宁，曲 星，等.富水软岩隧洞变形特征及变形机制分析［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(11):2196-2202.

［2］张祉道.家竹箐隧道施工中支护大变形的整治［J］.世界隧道，1997(1):7-16.

［3］卢爱红，茅献彪，彭维红.软岩巷道的弹—黏塑性分析［J］.采矿与安全工程学报，2008，25(3):313-317.

［4］王中文，方建勤，夏才初，等.考虑围岩蠕变特性的隧道二衬合理支护时机确定方法［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(S1):3241-3246.

［5］孙元春，尚彦军.岩石隧道围岩变形时空效应分析［J］.工程地质学报，2008，16(2):211-215.

［6］庄 丽，周顺华.浅埋层状大跨度土质隧道变形及稳定性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(S2):3360-3366.