特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖變形時空效應

王 建, 袁楓斌, 袁 龍

(中國公路工程咨詢集團有限公司，中咨華科交通建設技術有限公司，北京 100195)

隧道斷面開挖，圍巖結構初始應力狀態破壞。之后隨著施做初期支護，圍巖內部應力重分布，形成新的二次應力場，這種應力狀態受隧道開挖斷面、圍巖級別、開挖方法、時間、距工作面距離等因素影響而變化，即圍巖變形時空效應[1]。針對圍巖變形時空效應，中外學者已經有所研究。

孫智慧等[2]采用現場監測手段對圍巖變形時空效應進行研究，研究結果認為對軟硬巖區隧道工程應充分考慮軟巖的時效變形，合理選擇支護時機和支護措施；左清軍等[3]以滬昆客運專線長昆湖南段姚家隧道為例，結合變形監測資料提出了不同圍巖級別下隧道圍巖徑向位移釋放率隨時間和距掌子面距離的定性變化規律；衛建軍[4]以西安地鐵3號線某暗挖站區間雙線地鐵隧道施工為背景，采用有限差分軟件FLAC3D建立土體三維力學模型對雙線地鐵隧道臺階法施工過程進行動態模擬，認為圍巖變形呈現出先快速增長后逐漸平穩的趨勢，且影響范圍逐漸增大；田曉艷等[5]基于平面應變原理，利用Peck沉降公式通過推導得到隧道任意土層的沿其橫斷面的水平位移計算表達式，通過與已有工程案例進行比對，驗證了已有公式的適用性；文獻[6-12]通過現場圍巖的變形監測分析，探討了圍巖與襯砌的相互關系。

綜上所述，目前關于特大斷面隧道時空效應的研究成果大多屬于定性分析，較多集中在對于已有規律的驗證，缺少針對特大斷面隧道圍巖變形時空效應定量的、系統性的公式表述，進而難以準確描述及預判特大斷面隧道時空效應規律。因此，以道吾山特長隧道為依托工程，針對特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖變形時空效應進行研究，結合現場監測及回歸分析得出特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及收斂變化時程、空間曲線方程，可進一步定量判斷特大斷面砂質板巖隧道圍巖變形規律，為類似特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖時空效應研究提供系統性借鑒。

1 工程概況

道吾山特長隧道位于瀏陽市集里鎮—蕉溪鄉境內，隧道呈曲線形展布，為分離式隧道，左線隧道起訖樁號 ZK1+390～ZK6+072，總長4 662 m，隧道最大埋深約595 m，位于 ZK3+580處。右線隧道起訖樁號 K1+390～K6+056，總長4 666 m，隧道最大埋深約604 m，位于 K3+600處。隧道設計凈寬14.79 m，設計凈高10.05 m，凈空面積為120.26 m2，開挖斷面最大面積為163.55 m2，屬于特大斷面隧道。隧址圍巖巖體為強風化砂質板巖、中風化砂質板巖、微風化砂質板巖、強風化花崗巖，中風化砂質板巖為隧道洞身段圍巖的主要組成部分，砂質板巖地層占隧道總長的90%，根據地質調查及鉆孔揭露巖體情況顯示，砂質板巖巖質較軟，巖體較完整，自穩能力一般，施工過程中開挖后可能有剝落，隧道開挖過程中圍巖變形時空效應明顯。

隧址區主要屬中低山地貌，山體形態不規則，其山脈走向大致呈北東向，山坡植被茂密，溝谷發育，地形切割強烈，起伏變化較大，地面高程變化在 130～787.6 m，地勢最高點位于道吾山的五老峰附近，海拔高程為787.6 m，屬于亞熱帶季風性氣候區，溫和濕潤，季節變化明顯。隧道瀏陽端位于沖溝部位山坡坡腳，洞軸線與等高線基本正交，山坡自然坡度20°～30°，地面高程變化在 158～165 m；蕉溪端位于沖溝部位山坡坡腳，洞軸線與等高線基本正交，山坡自然坡度為25°～35°，地面高程變化在 148～155 m。隧道洞口全貌如圖1所示。

圖1 隧道洞口Fig.1 Tunnel entrance

2 特大斷面隧道Ⅴ級圍巖變形隨時間變化規律分析

山體結構在未受到外力擾動時，巖層內部每個質點在天然應力作用下達到平衡，山體圍巖處于自穩狀態，圍巖變形隨著時間的變化可以忽略。當隧道穿越山體結構時，掌子面開挖造成原有巖土體缺失，巖層爆破等外力對山體結構造成擾動，圍巖內部應力平衡被打破，洞壁出現應力集中現象，洞壁應力超過圍巖屈服極限，致使圍巖整體強度降低，隨著時間的推移產生膨脹變形、破壞。此時，圍巖處于塑性狀態，形成塑性松動圈，出現隧道圍巖變形時間效應。基于道吾山特長隧道監控量測數據，選取斷面YK1+501(Ⅴ級圍巖)進行圍巖變形隨時間變化規律分析。

YK1+501斷面隧道頂板圍巖厚0～80 m，上覆殘破基層為硬塑粉質黏土；下伏基巖為砂質板巖，中風化層巖石較堅硬，巖體較破碎，節理裂隙較發育，圍巖級別為Ⅴ級，開挖工法為交叉中隔墻(cross diaphragm,CRD)法。YK1+501斷面拱頂沉降及收斂變化時程曲線、拱頂沉降及收斂速率時程曲線如圖2、圖3所示。

圖2 拱頂沉降及收斂變化時程曲線Fig.2 Time-history curve of vault settlement and convergence

圖3 拱頂沉降及收斂速率時程曲線Fig.3 Time history curve of vault settlement and convergence rate

分析圖2可知，隧道開挖，馬上施做初期支護后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂過程分為3個階段。第1個階段為圍巖開挖后1～7 d，第7天拱頂沉降累計值達7.21 mm，占監測時間段內累計總沉降的66.21%，水平收斂位移累計值達6.20 mm，占監測時間段內累計水平收斂位移的72.26%。該階段圍巖變形隨著時間變化急速增長，拱頂沉降及水平收斂位移均變化較大，圍巖變形時間效應明顯，稱為急劇變形階段。第2階段為圍巖開挖后8～25 d，第25天拱頂沉降累計值達10.33 mm，占監測時間段內累計總沉降的95%；水平收斂位移累計值達8.19 mm，占監測時間段內累計水平收斂位移的95.45%；該階段圍巖變形隨著時間變化緩慢增長，拱頂沉降及水平收斂位移均變化較小，逐漸趨于穩定，圍巖變形時間效應減弱，稱為緩慢變形階段。第3階段為圍巖開挖后25 d以后，該階段圍巖變形隨著時間變化基本不再增長，拱頂沉降及水平收斂位移趨于穩定，圍巖變形時間效應基本消失，稱為穩定階段。

分析圖3可知，隧道開挖，馬上施做初期支護后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率整體呈現先增大后減小，最后趨于穩定，逐漸趨于零的規律。隧道開挖1 d后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率均達到最大值，分別為2.03、1.75 mm/d；隧道開挖2～25 d，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率逐漸減小，趨于穩定；隧道開挖25 d以后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率接近于零，基本不再變化。

結合圖2、圖3分析可知，隧道開挖，施做初期支護25 d后，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂均趨于穩定，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率接近于零，表明該段隧道圍巖穩定性較好，初期支護施做后，圍巖與初支應力重新分布，達到新的應力平衡狀態，此時初支已全部發揮作用，是施做二次襯砌最佳時機。

3 特大斷面隧道Ⅴ級圍巖變形隨空間變化規律分析

隧道斷面開挖，立即施做初期支護后，圍巖結構初始應力狀態破壞，在圍巖變形時間效應作用下，圍巖內部應力重分布，形成新的二次應力場，隧道結構拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂逐漸趨于穩定。此時，隨著隧道掌子面逐步掘進過程中，周邊隧道結構體系與掌子面空間距離發生變化，造成圍巖內部應力進一步變化，形成三次應力場，出現圍巖變形空間效應。基于道吾山特長隧道監控量測數據，選取斷面ZK1+520(Ⅴ級圍巖)進行圍巖變形隨空間距離變化規律分析。

ZK1+520隧道斷面圍巖級別為Ⅴ級，開挖工法為CRD法，每循環進尺為3 m。ZK1+520斷面拱頂沉降及水平收斂變化空間曲線、拱頂沉降及水平收斂速率空間曲線如圖4、圖5所示。

分析圖4可知，隨著隧道掌子面逐步掘進過程中，周邊隧道結構體系與掌子面空間距離不斷增大，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂整體呈“對數函數”型增長。當ZK1+520監測斷面與掌子面距離約3倍洞徑(45 m)內時，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂增長迅速，分別達到10.69、9.49 mm，分別是總體拱頂沉降累計值及洞室圍巖水平收斂累計值的89%、88.7%；當ZK1+520監測斷面與掌子面距離超過3倍洞徑(45 m)內時，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂增長逐漸平緩，趨于穩定。

分析圖5可知，隨著隧道掌子面逐步掘進過程中，周邊隧道結構體系與掌子面空間距離不斷增大，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率在第一次循環進尺(3 m)開挖完成后分別達到最大值1.9、1.63 mm/d，之后隨著空間距離的增大逐漸減小，在ZK1+520監測斷面與掌子面距離約3倍洞徑(45 m)時，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率基本趨于穩定狀態，之后雖有小范圍波動，但仍迅速減小，逐漸趨近于零。

圖4 拱頂沉降及收斂變化空間曲線Fig.4 Spatial curve of vault settlement and convergence change

圖5 拱頂沉降及收斂速率變化空間曲線Fig.5 Spatial curve of vault settlement and convergence rate

結合圖4、圖5分析可知，隧道結構體系與掌子面空間距離約3倍洞徑時，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂均趨于穩定，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂速率接近于零，表明該段隧道結構體系初期支護施做后，圍巖與初支應力重新分布，達到新的應力平衡狀態，此時初支已全部發揮作用，是施做二次襯砌最佳時機。同時證明Ⅴ級圍巖二襯距離掌子面距離不應大于50 m。

4 特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖變形時空效應回歸分析

基于道吾山特長隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂監控量測數據，采用SPSS分析軟件，針對特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖變形時空效應進行回歸分析[13]。結合前文分析可知，特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及收斂變化時程曲線、拱頂沉降及收斂變化空間曲線均呈“對數函數”型變化，因此選取對數函數y=aln(1+x)作為擬合回歸曲線方程。

4.1 Ⅴ級圍巖變形時間效應回歸分析

道吾山特長隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂隨時間變化監測數據如表1所示。

基于道吾山特長隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂隨時間變化監測數據，建立數學模型，結合選取的擬合回歸曲線方程y=aln(1+x)，利用SPSS進行回歸分析。經擬合計算得出系數a。因此，特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降時程曲線方程為y=2.611ln(1+x)，特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖收斂變化時程曲線方程為y=3.262ln(1+x)，且模型擬合度R2=0.913，十分趨近于1，說明時程曲線方程擬合度很好。

4.2 Ⅴ級圍巖變形時間效應回歸分析

道吾山特長隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂隨空間變化監測數據如表2所示。

基于道吾山特長隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂隨空間變化監測數據，建立數學模型，結合選取的擬合回歸曲線方程y=aln(1+x)，利用SPSS進行回歸分析。經擬合計算得出系數a。因此，特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降空間曲線方程為y=2.404ln(1+x)，特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖收斂變化空間曲線方程為y=2.68ln(1+x)，且模型擬合度R2=0.948十分趨近于1，說明空間曲線方程擬合度很好。

表2 拱頂沉降及水平收斂隨空間變化監測數據Table 2 Monitoring data of vault settlement and horizontal convergence varying with space

5 結論及工程建議

結合道吾山特長隧道現場監測數據，針對特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖變形時空效應進行研究，經回歸分析得出特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及收斂變化時程、空間曲線方程。主要結論及工程建議如下：

(1)隧道開挖，馬上施做初期支護后，拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂過程分為3個階段。第1個階段為圍巖開挖后1～7 d，圍巖變形時間效應明顯，稱為急劇變形階段；第2階段為圍巖開挖后8～25 d，該階段圍巖變形隨著時間變化緩慢增長，逐漸趨于穩定，圍巖變形時間效應減弱，稱為緩慢變形階段；第3階段為圍巖開挖后25 d以后，該階段圍巖變形隨著時間變化基本不再增長，圍巖變形時間效應基本消失，稱為穩定階段。

(2)隧道開挖，施做初期支護25 d后，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂均趨于穩定，圍巖與初支應力重新分布，達到新的應力平衡狀態，此時是施做二次襯砌最佳時機。

(3)隧道結構體系與掌子面空間距離約3倍洞徑時，隧道拱頂沉降及洞室圍巖水平收斂均趨于穩定，是施做二次襯砌最佳時機，且Ⅴ級圍巖二襯距離掌子面距離不應大于50 m。

(4)特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及收斂變化時程曲線方程分別為y=2.611ln(1+x)，y=3.262ln(1+x)。

(5)特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及收斂變化空間曲線方程分別為y=2.404ln(1+x)，y=2.68ln(1+x)。

(6)建議進一步完善其他類似隧道工程實踐驗證特大斷面砂質板巖隧道Ⅴ級圍巖拱頂沉降及收斂變化時程、空間曲線方程。