高地应力软岩隧道现场试验分析

2011-05-14郭正伟高新利

铁道标准设计 2011年4期

郭正伟，高新利

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，济南 250022)

1 工程背景

随着我国铁路建设技术水平的不断提高，越来越多的特长隧道方案被采用，处于深埋区长大隧道，往往地应力水平都较高，地质条件复杂;再加上地质构造强烈，岩体往往软弱破碎，这些因素往往给工程施工带来很大困难和风险。因此开展高地应力下软岩隧道的稳定性研究显得格外具有现实意义。

这里所说的高地应力是一个相对的概念，它是相对于围岩强度(Rb)而言的，当围岩内部的最大地应力(σmax)与围岩强度的比值(Rb/σmax)达到某一水平时，才能称为高地应力或极高应力［1］，即

表1为世界各国围岩强度应力比的分级标准。［2］

表1 各国围岩强度应力比的分级标准

关于软岩的定义国内外一直存在争议，从不同角度有不同定义。国际岩石力学学会(ISRM)规定软岩的单轴抗压强度在0.5～25 MPa，极软岩的单轴抗压强度≤1.25 MPa，极硬黏性土的单轴抗压强度＞ 0.3 MPa。［3］

本文研究的某隧道位于强烈的地质构造带，区域断裂构造发育，正洞通过的区域性断裂有4条，次级断裂共16条，区域地下水发育、分布集中，地层软弱破碎，埋深达800 m以上。围岩强度应力比小于1.0，属于极高地应力。大埋深富水断层区施工中高地应力和突、涌水问题突出，隧道施工难度极大。

2 现场试验分析

通常对地下工程采用的研究方法多种多样，当前主要有理论分析、现场实测、模型试验、有限元数值模拟等。由于地下工程现场条件复杂，影响因素众多，理论分析存在极大困难;模型试验和有限元数值模拟由于对实际情况的简化，使其可信度降低。针对地下工程的特点，最为可信、可作为实践参考的还是来自现场量测的数据。通过对该高地应力隧道的现场实测，揭示岩体变形特征，掌握围岩压力释放规律，为类似工程的设计与施工提供指导。

2.1 量测断面及测点布置

为了掌握该高地应力隧道监测区段内围岩压力的释放规律，以确定隧道支护结构的形式以及选择合理的施工方法，在监测区段内选取多个量测断面，开展现场试验。支护结构形式及参数如表2所示。

表2 试验段支护参数

在选定断面分别进行了以下量测项目:拱顶下沉、水平收敛、锚杆轴力、支护结构压力、松动圈量测等。试验断面及量测项目见图1。

图1 断面形式及测点布置

2.2 现场测试结果分析

2.2.1 变形量测

变形量测包括初支拱顶下沉及水平收敛。拱顶下沉采用精密水准仪量测，用收敛计量测洞周水平收敛变形［4，5］。试验中在隧道顶部布置拱顶下沉测点，在轨顶高程以上2.0 m位置和拱脚位置布置2条水平侧线，称为水平侧线1和水平侧线2，见图1。量测结果曲线见图2。

图2 变形量测时间曲线

由图2可见，水平收敛变形值明显大于拱顶下沉，水平收敛变形最大值为拱顶下沉值的7～8倍，这与常规地应力条件下的变形规律显著不同;且高地应力软岩下隧道开挖变形发展快、持续时间长，15 d后监测变形仍在缓慢发展。说明在高地应力下软岩极具流变性，隧道开挖后围岩压力释放持续时间长。

2.2.2 松动圈测试

松动圈测试是为了解围岩塑性区分布状况，试验采用地震折射层析法。通过对松动圈测试数据的分析，可将隧道开挖后松动圈范围从内向外划分为3个带:松散脱落带、松动带、过渡带。［1］

试验结果显示，松动圈大多集中在隧道底部与边墙部位，该处松动圈分布范围大，深度深，拱顶部位松动圈相对较小，这些特点与变形规律基本是一致的。具体松动圈分布如下:松散脱落带，厚度为0.3～0.4 m;松动带，厚度为0.65～3.05 m;过渡带，厚度为0.55～2.95 m。松动圈厚度为1.45～4.92 m。

2.2.3 锚杆轴力量测

锚杆轴力采用电磁感应式钢筋计进行量测［6～7］，在量测断面内选拱腰、墙腰、墙角3个位置6根锚杆进行试验，以了解锚杆轴力的分布规律，如图1所示。锚杆轴力分布如图3所示，测试结果显示:所测锚杆大部分受拉，最大轴力为107.58 kN，最小轴力72.29 kN。

图3 锚杆轴力分布

由图3可见，高地应力软岩隧道初支锚杆轴力较大且分布相对均匀，锚杆的优势得以充分发挥，在高地应力软岩隧道施工中锚杆是一种有效的支护手段。

2.2.4 围岩压力及二衬接触应力量测

试验仪器采用压力盒［8～9］，试验中随施工的进行将压力盒埋设于初支及二衬背后，以了解他们之间作用力的大小。初支围岩压力量测位置:拱顶，拱底，左右拱腰和左右墙角，共6个测点;二衬接触应力量测位置:左右拱腰和左右墙角，共4个测点，见图1。测试结果如表3所示。实测最大初期支护围岩压力1.274 MPa，最大二次衬砌接触压力0.194 MPa。

表3 支护岩压力量测结果 MPa

由表3可见，拱底和拱顶部位的围岩压力较大，特别是拱底应力集中明显，支护结构极易在这些部位发生破坏，而拱腰和墙脚位置应力逐渐减弱。二衬接触应力较小，变化不明显。

2.3 支护施作时机及刚度对量测结果的影响

现场试验还发现有些因素对量测的变形和应力有较大影响，主要是支护结构的施作时机及其刚度［10］。

(1)支护施作时机的影响

支护结构施作时机主要体现在单重支护和二重支护对量测结果的影响，这里所说的双重支护是指隧道开挖后及时施作一次支护，允许一次支护发生局部屈服，但可保持坑道暂时稳定，根据监测结果及时对一次支护进行补强，即二次支护，使地压和支护反力得到平衡，最终使洞室结构趋于稳定。基本理念就是支护结构分次施作，使围岩压力逐步释放，最终达到控制隧道变形的目的［2］。

试验结果显示，单重支护对约束围岩前期变形效果较好，但支护结构应力增长很快，达到1.9 MPa以上，已超过混凝土抗拉强度，不久初支混凝土出现局部开裂，钢支撑发生扭曲变形，最终对支护结构安全产生不利影响。而二重支护下虽然变形有所增加，但二次支护施作后支护结构应力很小，只有0.3～0.5 MPa，洞周收敛的变形速率逐渐减小，变形趋于稳定。

(2)支护刚度的影响

现场试验发现，钢支撑普遍出现局部扭曲变形，即使开挖后增大钢支撑的支护参数，比如加大工字钢型号到I22a，减小钢支撑间距到0.5 m，钢支撑还是会出现扭曲变形，甚至破坏。由此可见，增大支护结构的刚度并不能有效控制高地应力软岩大变形。