背斜核部层状软硬岩区隧道变形时空效应分析

孙智慧， 邢逸航， 唐勇， 刘涛

(1.内江职业技术学院 土木工程系， 四川 内江 641000; 2.长沙理工大学 交通运输工程学院)

随着“泛亚铁路网”、“川藏铁路”、 “川藏高速公路”等西部大开发战略中重大工程的相继启动和实施，带动了中国西部交通运输工程蓬勃发展，隧道建设进入了新高潮。然而，中国西部地形地质条件复杂，地质环境非常极端和异常，隧道建设面临诸多严峻挑战。如隧道穿越背斜核部区域可能集围岩破碎、软硬相间、层状分布、地应力高、地下水等诸多不利因素于一体。且软岩流变性能更使隧道围岩变形复杂多变极易引起掌子面掉块、塌方，初支开裂、脱落、拱架变形等现象，严重影响施工进度和施工安全。研究背斜核部区域隧道围岩变形时空效应，进一步掌握复杂工区围岩变形特征规律，积累相关资料，对西部隧道建设意义明显。

隧道时空效应研究主要基于现有时空效应理论，通过现场监测、室内试验以及数值模拟等方法进行。如，孙元春等认为隧道围岩变形存在3个阶段，且急剧变形阶段空间效应突出，稳定变形阶段是时空效应的过渡段，流变阶段时间效应突出；杨红军等基于收敛限制法对时空效应下隧道变形及二衬支护时机进行了分析；陈孝湘等阐述了关键块体时空效应的概念，认为基于时空效应基本原则可省去部分临时支护，同时可提高隧道施工的安全性和经济性；刘学增等基于大量现场监测数据对公路隧道围岩时间效应进行了统计分析，得到了各类围岩变形稳定时的收敛和拱顶下沉值；张青龙、李志清、何栋梁等通过现场监测对不同条件下隧道围岩变形时空效应进行了分析；李利平等通过对超大断面隧道软弱破碎围岩空间变形的物理模拟得出软弱破碎低强度和流变特性使围岩变形具有更强的时空效应。在数值模拟方面：吴波基于弹-黏塑性模型，分析了浅埋隧道施工性态的时空效应；赵旭峰等通过模拟开挖面空间约束效应和软弱围岩流变时效的耦合作用，得出在作业面影响范围内，开挖面空间效应明显，在此范围外，软弱岩体流变时效明显；杨有海等基于时空效应反分析了乌鞘岭隧道F7断层发生大变形的原因；桂荣等通过数值模拟得出了高应力软岩隧道的时空效应规律。上述成果丰富了时空效应理论及其工程运用，但针对背斜核部区围岩时空效应的研究并不多见。

该文拟以雅康高速公路周公山隧道为例，选取隧道过沙坪背斜核部区域K8+559～K8+527段围岩接触压力、净空收敛等监测成果，结合隧道支护情况对隧道围岩变形时空效应进行分析，以期获得背斜复杂岩区隧道变形规律。

1 工程概况

周公山隧道位于四川省雅(安)康(定)高速公路雅安段，全长4 179 m，隧道主洞设计净宽10.25 m、净高5 m，隧道设计速度80 km/h。

隧址区整体呈河谷低山构造剥蚀地貌，线路穿越突出山脊，山前河流呈“C”形环绕。坡表浅沟发育，沟谷纵横，坡表覆盖坡残积层，局部陡坡地段基岩裸露。区内地形最高点高程为1 660 m，最低点的青衣江高程为580 m，相对高差1 080 m。

隧道围岩主要由粉砂岩、细砂岩夹薄层泥岩组成，强度较高。隧道穿越沙坪背斜，背斜呈SN向展布，轴部向N倾伏，整体宽缓。背斜E翼整体产状290°～300°∠30°～35°，背斜W翼整体产状35°～75°∠18°～28°。背斜核部(K8+520±40 m)倾伏角10°～20°，埋深280～300 m，岩性为中厚层粉砂岩、细砂岩夹泥岩，层状构造，细砂岩厚0.9 m、泥岩夹层厚0.2 m，产状290°∠18°。受构造影响产生扭曲变形，次级节理裂隙面发育，但裂隙面闭合，间距一般为5～10 cm，岩体较为破碎，呈块状～碎块状，开挖后易掉块，塌落。无明显地下水出露，局部有少量渗滴水，现场为Ⅳ级围岩，如图1所示。

图1 隧道过沙坪背斜核部区围岩特征(K8+527)

变形严重桩号为K8+610～K8+542，长68 m。K8+600断面拱顶出现脱落掉块，掉块区延续长度约6 m，厚度约7 cm，宽度约20 cm，见图2(a)。K8+559断面初支右侧混凝土出现局部剥落、掉块，工字钢变形现象。剥落区面积约0.3 m2，厚度1～3 cm，工字钢向外挤出变形，施作复拱后埋设土压力盒进行接触压力监测，见图2(b)。

图2 支护变形特征

背斜核部区域原设计Ⅳ级围岩支护为格栅钢架10×15@1 m，钢筋网采用φ6.5@25 cm，φ22 mm砂浆锚杆长3 m、纵×环间距为1.0 m×1.2 m，喷射混凝土厚18 cm，预留变形量6 cm，二次衬砌C30模筑混凝土厚40 cm。

鉴于前期K8+600～K8+580段变形突出，为保证隧道顺利通过沙坪背斜核部区域，于背斜核部区桩号K8+550处适当调整了设计参数和施工工序。

支护参数调整：采用“先让后抗”的方法。将单层支护调整为双层支护(图3)。第1层支护参数：Ⅰ18@1.0 m型钢拱架，钢筋网采用φ8@20 cm，φ22 mm砂浆锚杆长3 m、纵×环间距为0.8 m×1.0 m。为允许围岩在第一层支护后变形，达到“先让”的目的，波浪形喷混凝土，拱间喷混凝土厚15 cm，拱架处喷混凝土厚15 cm。当第一层支护拱架变形、初支开裂或接触压力初期稳定后再急剧上升时，施作第2层支护，Ⅰ18@1.0 m型钢拱架，两层喷混凝土总厚45 cm。预留变形量由6 cm调整至10 cm。

图3 双层拱架纵断面示意图(单位：cm)

施工工序调整：严格贯彻“短开挖、弱爆破、强支护、早封闭、快成环”的原则。将上下台阶开挖调整为环形预留核心土法开挖。开挖进尺由3.2 m调整为1.6 m，核心土面积为断面面积的60%。

2 监测简介

选择K8+559、K8+527断面上布设接触压力和净空收敛监测点；K8+551、K8+543、K8+535等每间隔8 m布设净空监测。同一断面接触压力和净空监测观测点位于相同部位，测点布置见图4。

图4 监测断面及测点布置

3 围岩变形时空效应分析

3.1 时间效应分析

(1) 初支压力-时间关系

对K8+559进行了为期33 d的初支与围岩接触压力观测，最大值出现在拱顶，量值为760.7 kPa；对K8+527进行了为期52 d的观测，最大值出现在右边墙，量值为680.1 kPa，见图5、6。

图5 K8+559接触压力监测结果

图6 K8+527接触压力监测结果

由图5可知：① K8+559施作复拱后，复拱与原支护之间的接触压力在开始4 d内迅速增加。尤其是拱顶第4 d的压力值达760.7 kPa。且其拱顶下沉也较明显，最大沉降速率为4.8 mm/d，最终下沉36.7 mm。其后，拱顶压力值有所降低，在第14 d进入基本稳定状态；② 其他部位接触压力也是前4 d内增值较快，量值上较拱顶低，但均于第14 d进入稳定状态。

由图6可知：K8+527开挖后，立即施作第1层支护，允许围岩和前期临时支护协同变形。接触压力表现为在前8 d内以较均匀速率稳步增长，第8 d后，压力值增长缓慢。在12 d时，压力值逐渐进入稳定状态，并于第17 d时施作第2层支护，支护后，形成双层支护体系。在17～21 d内，除左边墙变化较小外，其他部位接触压力值迅速增长。尤其是右边墙，于第32 d时达到最大值680.1 kPa。之后进入稳定状态。

(2) 净空变化-时间关系

K8+559、K8+527净空收敛监测结果分别见图7、8。

图7 K8+559净空收敛监测结果

图8 K8+527净空收敛监测结果

由图7可知：K8+559施作复拱后，其净空变化在前期以较大速率呈线性增长。在第8 d时，累积拱顶下沉、拱腰水平收敛、边墙水平收敛量值分别为29.7、40.6、45.7 mm。在第8～13 d，净空变化速率逐步减小，各位移增长缓慢，在第13 d时，累积拱顶下沉、拱腰水平收敛、边墙水平收敛量值分别为34.7、40.9、46.2 mm。之后，拱腰以及边墙水平收敛趋于稳定，最终变形量值分别为44.3、46.7 mm。在第13～18 d，拱顶下沉量值有一定的减小趋势，这可能与当时监测环境相关。在第18 d之后，拱顶下沉逐渐趋于稳定状态，最终下沉量为36.1 mm。

综上认为，K8+559断面在前期1～8 d内处于急剧变形状态，8～14 d处于缓慢变形状态，并于14 d左右趋于平稳。

由图8可知：K8+527开挖后，立即施作第1层支护，允许围岩和前期临时支护协同变形。同样，净空变化在前8 d内以较大速率稳步增长，第8 d后，增长缓慢。在12 d时，净空位移逐渐进入前期稳定状态。随着围岩内部应力的调整，围岩于第16 d进入新的变形阶段。在第17 d时施作了第2层支护，形成了双层支护体系。在17～21 d内，净空位移迅速增长。随着第2层支护逐渐产生效力，净空收敛在27 d时逐渐趋于平稳，并进入稳定状态，最终量值分别为48.6、60.3、62.8 mm。

综上认为，K8+527断面在前期1～8 d内处于急剧变形状态，8～13 d处于缓慢变形状态，并趋于前期稳定；但在第16 d时，进入新的变形阶段，且在17～21 d内拱顶下沉迅速增长，在27 d时逐渐进入稳定状态。且由于支护效力，后期变化不如前期强烈。

(3) 时间效应分析

K8+559断面接触压力和变形在初始4 d内增值较快，第8 d后均趋于平稳，于14 d进入稳定状态。K8+527断面第1层支护后，接触压力和变形在初始4 d内增值较快，4～8 d间缓慢变形，在8～14 d间趋于稳定；因泥岩的流变，断面于16 d时进入新变形阶段，在17～21 d间急剧变形，21～27 d间缓慢变形，于31 d趋于稳定，存在两个变形周期。

综上发现，该文隧道变形周期为14 d，初始4 d变形明显，可能由岩石开挖卸荷瞬时回弹造成；4～8 d缓慢变形，可能由岩体内部应力调整造成；8～14 d趋于稳定状态。而针对K8+527断面的第2次变形，分析认为由于内部泥岩流变引起。

3.2 空间效应分析

(1) 接触压力随空间分布规律

断面K8+559轴线右边接触压力较左边大，拱顶最大，为760.7 kPa[图9(a)]；断面K8+527在右边墙处接触压力最大，为680.1 kPa[图9(b)]。

图9 围岩-初期支护接触压力空间分布图(单位:kPa)

(2) 净空变化随空间分布规律

监测断面净空变化总体情况为：累积拱顶下沉量为36～51 mm，拱腰水平收敛44～61 mm，边墙水平收敛46～66 mm，见图10。

图10 背斜核部区域初支后净空变化

在空间分布上：净空变化量值沿隧洞开挖方向逐渐增大，表现为越靠近背斜核部变形越大。同一断面边墙水平收敛量值最大，拱顶下沉量值最小。虽然拱腰、边墙水平收敛位移较拱顶下沉大，但拱腰、边墙水平收敛为双向变形，而拱顶下沉为单向变形。相对而言，拱顶变形更严重。

4 支护效果分析及建议

支护效果分析：对比分析K8+559和K8+527断面接触压力，认为通过双层支护，先让“第1层支护+围岩”协同变形，然后第2层支护有效控制围岩进一步变形，而不是即时就采用强支护，使开挖后围岩压力得到逐步释放，最终作用在支护结构上的压力有所降低，说明调整后的双层支护、增加预留变形量方案合理。

支护建议：针对隧道经过背斜核部软硬岩区，应充分考虑软岩的时效变形。在围岩变形严重区段，应加强隧道监控量测，并结合监测结果合理选择支护时机和支护措施，可考虑“先让后抗”、适当增大预留变形量的方式支护或采用双层支护。

5 结论

结合雅康高速公路周公山隧道经过沙坪背斜核部软硬岩区域的围岩接触压力、净空变形资料、设计施工情况，对围岩变形时空效应进行了分析，得到以下结论：

(1) 接触压力监测中：断面K8+559拱顶接触压力最大，为760.7 kPa；断面K8+527在右边墙处接触压力最大，为680.1 kPa。净空监测中：累积拱顶下沉36～51 mm，拱腰水平收敛44～61 mm，边墙水平收敛46～66 mm。

(2) 时间效应方面：隧道变形周期为14 d，初始4 d变形明显，为岩石卸荷瞬时回弹变形；4～8 d缓慢变形，为岩体内部应力调整塑性变形；8～14 d趋于稳定状态。因泥岩流变特性围岩有二次变形的可能，二次变形规律和第一次相同，周期亦为14 d。

(3) 空间效应方面：净空变化量值沿隧洞开挖方向逐渐增大，表现为越靠近背斜核部变形越大。同一断面边墙水平收敛量最大，拱顶下沉量最小。

(4) 针对软硬岩相间区围岩，应充分考虑软岩的时效变形。该隧道中监测结果证明了调整后“先让后抗”、适当增大预留变形量双层支护的方案合理，为周公山隧道顺利穿越沙坪背斜提供了依据。