分离式隧道围岩变形特征分析与探讨

分离式隧道围岩变形特征分析与探讨

靳晓光

（重庆大学土木工程学院　重庆　400030）

摘　要　总结不同地区3座分离式隧道不同级别围岩的变形特征及规律，分析其原因和与其影响因素的相关性，为分离式隧道围岩变形特征研究提供参考。

关键词　分离式隧道　围岩变形　影响因素

1　研究隧道工程概况

1．1　二郎山隧道

二郎山隧道是国道318线西段川藏公路的咽喉，是成都进入藏区的第一道关隘。主隧道全长4 176 m，隧道最大埋深760 m。工程按山岭重丘三级公路标准建设，单洞双车道对向行驶，设计行车速度30 km/h；主隧道横断面建筑限界为最大高度7．0 m，底宽9．0 m；平面线型为直线，隧道纵断面为人字坡，采用平导通风。

1．2　华蓥山隧道

华蓥山隧道是广（广安）渝（重庆）高速公路华蓥至邻水段的重点工程，左轴线长4 705．95m（ZK32＋693．05～ZK37＋399），右轴线长4 684m（YK32＋700～YK37＋384）。隧址区地处新华夏系川东褶皱带之华蓥山复背斜中段，东与邻水向斜接壤，西与天池向斜相接，地质条件极为复杂，其主要工程地质问题有岩溶涌突水、煤层及煤层采空区、瓦斯、大断层、高地应力地区等。构造总体走向为NE31°～36°，由龙王洞背斜、滴水岩向斜、仰天窝背斜等组成。隧道横断面设计为马蹄形，净宽10．57 m，拱高7．03 m。

1．3　西山坪隧道

西山坪隧道是渝（重庆）合（合川）高速公路的重点工程，为双洞双车道公路隧道，左轴线长2 510 m（LK33＋750～LK36＋260），右轴线长2 485 m（K33＋750～K36＋235）。隧址区地处新华夏系川东褶皱带，系华蓥山复背斜向南的延伸——温塘峡背斜，其西接澄江向斜与观音峡背斜相峙，构造总体走向为N45°E。隧道区位处温塘峡背斜的北端，在隧道穿越段其南东翼岩层产状为120°∠50°～83°，核部及西北翼岩层产状为295°∠4°～13°。

2　围岩变形特征

2．1　二郎山隧道

二郎山隧道不同级别围岩的变形位移统计特征见表1。

表1　二郎山隧道主洞围岩变形位移特征

可以看出，随隧道围岩级别的升高（Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ），对应的周边收敛（拱顶下沉）位移平均值依次为1．90/13．65 mm→4．472/17．49 mm→25．24/32．96 mm→27．55/47．70 mm。由此可见，高地应力区隧道围岩类别的位移判据大致为：a．Ⅱ级围岩，收敛位移＜2 mm，拱顶下沉位移＜15mm；b．Ⅲ级围岩，收敛位移2～5mm，拱顶下沉位移15～20mm；c．Ⅳ＋Ⅴ级围岩，收敛位移一般25～30 mm，拱顶下沉位移30～50 mm。

2．2　华蓥山隧道

华蓥山隧道不同级别围岩监测净空收敛回归结果见表2，代表性量测断面回归结果见表3。

表2　华蓥山隧道不同级别围岩监测净空收敛回归结果

表3　华蓥山隧道代表性量测断面回归结果

2．3　西山坪隧道

西山坪隧道不同级别围岩监测净空收敛回归结果见表4，代表性量测断面回归结果见表5。

表4　西山坪隧道净空收敛回归统计结果

表5　断面回归方程

可以看出，华蓥山隧道和西山坪隧道不同级别的围岩变形回归方程基本一致，但华蓥山隧道围岩位移较小，而西山坪隧道围岩位移较大。二郎山隧道除Ⅱ级围岩外，其他级别的围岩变形量较大。

3　趋于稳定的时间统计

在二郎山隧道工程实践中，选择了近50个有代表性且监测资料较齐全的断面，以总收敛量（计算值）的80%计算值为准值，除以断面最近（或平均）收敛变化速率，从而得到变化趋于稳定的时间，即二次支护的最佳统计时间。统计分析表明，不同围岩级别的二次支护最佳时间分别为：a．Ⅱ级围岩52～99 d，中值为77 d；b．Ⅲ级围岩为55～89 d，中值为72 d；c．Ⅳ级围岩45～51 d，中值为47 d；d．Ⅴ级围岩30～42 d，中值为38 d。

在华蓥山隧道工程中，统计得出不同围岩级别的二次支护最佳时间分别为：a．Ⅱ级围岩38～61 d，中值为49．5 d；b．Ⅲ级围岩为46～77 d，中值为61．5 d；c．Ⅲ类围岩55～92 d，中值为73．5 d；d．Ⅳ级围岩66～100 d，中值为83 d。

在西山坪隧道工程中，统计得出不同围岩级别的二次支护最佳时间分别为：a．Ⅲ级围岩15～25 d，中值为20 d；b．Ⅳ级围岩为20～30 d，中值为25 d；c．Ⅴ级围岩30～40 d，中值为35 d。

可以看出，华蓥山隧道和西山坪隧道相同级别围岩变形趋于稳定的时间差别较大，但其规律相同，即围岩越好，变形趋于稳定的时间越短。而二郎山隧道不同，虽然好的围岩变形量小，但趋于稳定的时间长。初步分析认为，造成这一原因可能与隧道所处的地应力条件有关。3座隧道的地应力大小依次为：二郎山隧道＞华蓥山隧道＞西山坪隧道，地应力越高，好的围岩释放应力的时间越长，趋于稳定的时间越长。华蓥山隧道的地应力水平还没有达到二郎山隧道的水平，没有改变围岩变形的一般规律，但趋于稳定的时间增长了。

4　围岩变形影响因素

这里以川藏公路二郎山隧道为例，分析围岩变形与其影响因素的相关性。二郎山隧道围岩变形位移特征主要与以下因素有关。

4．1　与围岩级别的关系

隧道围岩变形与围岩级别有明显的对应关系。从Ⅱ级围岩到Ⅴ级围岩，围岩变形位移增大，其位移相对稳定时间也愈长。

（1）变形量与围岩级别的关系

二郎山公路隧道周边收敛、拱顶下沉位移与围岩类别有一定的对应关系。典型断面收敛位移与围岩级别的特征如图1所示。

图1　隧道周边收敛与围岩级别的关系

（2）变形速率与围岩级别的关系

综合分析研究表明，隧道围岩级别不同，其变形速率及速率变化过程也不一样。隧道Ⅴ，Ⅳ级围岩周边收敛位移速率与时间呈负对类关系：

图2　隧道东段典型断面周边收敛速率—时间变化曲线

典型断面位移速率—时间关系曲线如图2～图4所示。监测前期阶段（一般20 d左右）位移速率下降很快，最大达1．2 mm/d左右。历经60～80 d，位移速率已趋于零。

Ⅱ，Ⅲ级围岩周边收敛速率与时间呈较复杂的非线性关系。如K261＋953Ⅱ级围岩周边收敛位移速率与时间呈下式关系：

Ⅲ级围岩，初期阶段位移速率下降也较快，历经80 d左右已渐趋稳定或基本稳定；Ⅱ级围岩，变形位移速率曲线相对平缓得多，但趋于稳定的时间较长。

图3　隧道西段典型断面周边收敛速率—时间变化曲线

图4　断层（影响）带周边收敛速率—时间变化曲线

4．2　与岩体结构的关系

岩体结构是岩体质量的评价标准之一，随隧道围岩岩体结构（整体结构→砌体结构→镶嵌结构→碎裂结构）强度的降低，围岩变形位移愈大。东段主要由志留系纱帽组中段（）石英砂岩岩组，罗惹坪组上段（）白云岩岩组，泥盆系平驿铺组上段、下段（）石英砂岩岩组等极硬硬质岩组及纱帽组下段（）泥岩软质岩组组成。西段主要由泥盆系甘溪组下段（）泥岩软质岩组及其上段（）粉砂岩与泥岩软硬相间岩组组成。隧道东西两段工程地质岩组的不同，决定了岩石的强度及岩体结构的差异。在相同地质条件，围岩岩石强度越高，变形就越小，因此隧道东段围岩变形位移明显小于西段。

4．3　与原始地应力场及弹性模量的关系

隧道围岩的变形位移与地应力和弹性模量关系密切。当以垂直地应力为主时，拱顶下沉位移受其影响较大；当以水平地应力为主时，特别是地应力方向与工程轴线方向垂直时，收敛位移受其影响较大。岩石弹性模量是岩石在弹性极限内应力与应变的比值，反映材料的刚度，是度量物体在弹性范围内受力时变形大小的常数，在相同应力条件下，岩石（体）的弹性模量越大，应变越小，二者呈反比（μ＝σ/E）。应用于隧道围岩的收敛位移分析，同时考虑其他因素的影响，得出收敛位移与围岩岩体弹性模量近似成反比的结论。

为了进一步研究水平地应力σ_h和弹性模量E对隧道收敛位移的影响，进行了有限元数值模拟。

结合二郎山隧道已有资料，以埋深500 m，3倍隧道跨度为边界，建立有限元分析模型，取定两参数的变化范围，分别为E＝（0．3～6）×10⁴ MPa和σ_h＝0．5～36．5 MPa。分别逐次调整E和σ_h值，计算出水平方向变形位移u，并由此绘出u—E曲线和u—σ_h曲线，如图5和图6所示，其结果令人满意。

图5　u—E曲线

图6　u—σ_h曲线

依据曲线的形态，用曲线拟合法，建立u与E及u与σ_h的函数关系：u＝f（E）和u＝f（σ_h）。

由曲线u—E和u—σ_h可了解系统特性u对参数E，σ_h变化的敏感性，同时也看出参数对系统的敏感度不同。如E较小时曲线变化急剧，E的微小变化将引起u较大变化，即u对E很敏感；而E较大时，曲线平缓，E在较大范围内变化，而u变化不大，即u对E不敏感。在实际系统中，决定系统特性的各因素往往是不同的物理量，为了对各因素之间的敏感速度进行比较，采用了无量纲形式的敏感度函数和敏感度因子，即将系统特性u的相对误差δ_u＝｜Δu｜/u与参数α_k的相对误差δ_αk＝｜Δα_k｜/α_k的比值，即敏感度函数S_αk来分析。

在｜Δα_k｜/α_k较小的情况下，S_αk可近似地表示为：

据此，可得到敏感函数S_E和S_σh关系：

据式（7），式（8）可得出（E，σ_h）的敏感函数曲线S_E—E（图7）和Sσ_h—σ_h（图8）。取α_k＝可得到参数α的敏感度因子

图7　S_E—E曲线

图8　S_σh—σ_h曲线

由弹性模量敏感度函数S_E≈1．026可看出，不论弹性模量E的基准值为何值，其敏感因子都恒为≈1．026。S_σh是一个递减函数，σ_h值较低时，敏感度较高，随着σ_h值提高，敏感度逐渐降低，其极限为：lim S_σh＝1。针对二郎山隧道特定工程取基准值＝10．0，20．0，30．0 MPa代入式（8），即得出参数σ_h对应的敏感度因子＝1．09，1．042，1．028。

由此可以看出，σ_h与E的敏感度因子较高，对围岩变形位移影响大。因此，对水平向地应力σ_h和岩体弹性模量E的计算值选取应特别慎重，以减少相对误差。

4．4　与构造改造（断裂）的关系

隧道局部围岩变形位移的大小与构造改造有十分密切的关系。在隧道中部F₅、F₆断层及其影响带，围岩变形位移大，且位移稳定时间长。在进口端洞深700 m的F₁₁断层带及出口端洞深450～500 m的F₁₄，F₇，F₉断层带，围岩变形位移都较大。

4．5　与浅表生改造的关系

浅表生改造对一定范围内的围岩变形也具有很大的影响。使在距边坡一定深度范围内形成一定程度的松动带，隧道开挖后，围岩变形位移较大，且呈“S”形，与开挖后围岩应力应变调整过程相对应。

4．6　与施工状况的关系

目前的隧道施工多采取双向施工方式，如果岩层产状不同，也会影响围岩的变形。由于隧道地层为单斜地层，东段为逆向坡，西段为顺向坡，加之地层层面是主要的结构面，无论从施工的角度，还是从岩体力学角度分析，在重力作用下，西段围岩变形位移要比东段大，尤其是拱顶下沉位移更应如此。断面开挖方式对围岩位移也有影响，分断面开挖比全断面开挖对围岩的扰动小，累计位移总量也小。上半断面开挖完成后，在足够长的时间段内，围岩变形趋于稳定。当下半断面开挖时，围岩又一次受到扰动，围岩位移进一步增加，其新的变化过程与上半断面开挖完成后的变化过程一致（如图9所示），即也可划分为快速增长、缓慢增长和趋于稳定3个阶段，只是位移量较小。

图9　分断面开挖对围岩位移的影响

5　结论和建议

隧道围岩的变形量和变形特征及变形趋于稳定的时间不仅与围岩级别有关，还与隧道所处的地质、地应力条件等有关。不同地区相同围岩级别的围岩变形类比应当慎重，加强隧道围岩的变形监控量测工作十分必要。加强高地应力地区隧道围岩变形的监测、统计、分析工作还有待深入和完善，对隧道围岩变形的理论研究和指导隧道施工及支护具有重要的意义。