软岩公路隧道围岩变形影响因素探讨

铁２０１４年第１期　道建筑　４９　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３—１９９５（２０１４）０１・００４９—０４　软岩公路隧道围岩变形影响因素探讨　娄　霜　（安徽交通职业技术学院土木工程系，安徽合肥２３００５１）　摘要：以三个不同地区的软岩隧道为工程背景，依据施工现场对拱顶沉降和水平收敛的监测数据，探讨　软岩隧道围岩变形的影响因素。研究结果表明：围岩的变形与埋深、断面形式、围岩级别以及围岩岩性　密切相关；围岩变形的增量并不一定与隧道的埋深成线性关系；断面形式对围岩变形的影响明显大于施　工方法对围岩变形的影响。由于不同地区的地质条件千差万别，岩石岩性和分布特征也可能存在较大　差异，这种差异往往对围岩变形起到决定性作用。因而在隧道工程设计和施工阶段，不能完全照搬经验　类比法，应依据信息化施工对围岩的稳定性进行监控，进而调整相应的支护参数和施工方法，从而实现　施工安全和工程造价利益的最大化。　关键词：隧道工程　现场监测　软岩隧道　围岩变形　影响因素　中图分类号：Ｕ４５１　．２　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—１９９５．２０１４．０１．１５　近年来，随着我国基础设施建设的持续发展，隧道　工程的规模、数量及其复杂性均显著增加，而关于公路　隧道围岩变形影响因素的探讨一直是业界内所关注的　话题。尤其是针对软岩隧道，这也是保证隧道施工安　全及其稳定性的关键性指标。　鉴于此，不少工程技术人员对此进行了大量的探　同地区的岩性有关　。为此本文选取了三个不同地　区的软岩隧道的现场监控量测数据，分别对不同围岩　级别、不同埋深、以及不同断面形式情况下的监控量测　数据进行了对比分析，以期得到相应的成果，供工程设　计和施工参考。　索和研究。卿三惠等　对隧道区域工程地质环境、软　弱围岩变形力学特性及初期支护破坏规律、围岩变形　的影响因素等进行了分析研究，并讨论了隧道围岩加　固、初期支护预留变形量与二次衬砌施作时机等问题。　张世雄等　结合现场实际，通过对隧道收敛变形数据　的分析，揭示了隧道收敛的变化规律，分析了隧道变形　的影响因素。王广宏　针对在建毛羽山隧道出口发　１　工程概况及测点布置情况　１．１牟尼沟隧道工程概况　牟尼沟隧道位于四川省松潘县境内，属越岭型长　隧道，隧道全长约１　８５０　Ｉｎ，隧道最大埋深约２６０　ｍ。　隧道线形呈直线，设计为单洞双向行驶车道，建筑限界　按４０　ｋｍ／ｈ三级公路标准设计，内轮廓净宽１０．０　ｎｌ，净　高７．５　ｎｌ。　生的大变形情况，对施工控制及变形进行分类，探讨大　变形的影响因素，得出高地应力、地质岩性是变形的主　要因素，地质构造是变形的次要因素。旷文涛　利用　数值模拟、模型试验、现场试验等多种研究手段，对浅　埋大断面隧道超前预加固工法围岩稳定性影响因素进　行了全面系统的研究。　据现场详细调查及工程地质勘察成果，拟建隧道　主要围岩为三叠系上统西康群侏倭组、新都桥组千枚　岩、炭质板岩、砂质板岩、变质砂岩互层及断层破碎带。　该隧道围岩级别主要为Ⅳ，Ｖ级，其中Ｖ级围岩段占隧　道全长４８％，主要为进出口段以及洞身段的弱风化千　枚岩夹砂质板岩、变质砂岩；１Ｖ级围岩主要分布于出口　边墙部位，基本为弱风化炭质板岩及断层破碎带，且岩　上述研究中，对于公路隧道变形的影响因素进行　了探讨，但这些研究是建立在对某一座隧道研究的基　础之上，尚未对不同隧道之间的变形进行对比分析。　体由于受构造作用影响，次级层间破碎带极发育。　１．２鹊岭隧道工程概况　而根据既有的调研资料表明，围岩的变形不仅同围岩　的分级、隧道的埋深、以及断面形式有关，而且还同不　鹊岭隧道位于皖南地区，设计为单洞双向交通隧　道，建筑限界按６０　ｋｍ／ｈ＿￣．级公路标准设计，隧道净宽　１１．０　ＩＴＩ，净高５．０　ｍ。隧址区所处地貌为侵蚀、溶蚀中　低山地貌，相对高差＞２００　ｍ。山坡坡度４０。～５０。，岩　收稿日期：２ｏ１３—０５—２４；修回日期：２０１３．０９—２３　作者简介：娄霜（１９７９一），女，河南原阳人，讲师。　５０　铁道建筑　层倾向与坡向斜交，隧道轴线沿坡麓穿越。　隧址区地层属寒武系中统杨柳岗组，分为上段和　Ｖ　Ⅳ　Ｖ　下段：①上段为含泥质灰岩，深灰色及灰黑色，隐晶质　结构，中厚层状构造，岩石致密坚硬，主要成份为碳酸　吕　皇　级　级　级　钙及少量泥质，属坚硬岩石类。节理裂隙较发育，岩溶　一匠　．　●　般不发育。②下段为含泥质灰岩夹薄层炭质页岩，　Ｖ　其含泥质灰岩特征同上段，炭质页岩薄夹层为灰黑色，　４　６００　４　７００　４　８００　４　９００　５　ｏｏｏ　５　１ＯＯ　５　２００　５　３００　５　４００　５　５００　岩性较软。此层以硬质岩为主，夹少量较软质岩石类。　里程／ｍ　节理裂隙较发育，地表岩溶不发育。设计中依据隧址　区岩性条件及地下水等发育情况，将隧道内围岩综合　划分为Ⅳ，Ｖ级。　１．３杨家岭隧道工程概况　杨家岭隧道位于“５．１２”地震影响的区域，全线地　形地质条件复杂，地下水较发育，其中以千枚岩为代表　的软岩所占比重较大。且根据施工规范现场揭示的岩　层状况可以看出，千枚岩岩体具有强度低，遇水易软化　等特点，导致隧道施工产生大变形灾害。同时穿越上　加∞　如　∞　∞　加　ｍ　Ｏ　述软岩体的隧道埋深变化较大，深度约在３０～３００　ｍ　范围。　１．４测点布置情况　结合各隧道所穿越的地层情况，主要通过测试隧　道的拱顶沉降、以及水平收敛位移值来对比三座不同　软岩隧道围岩变形的影响因素，其测点布置情况如图　１所示。其中，因拱顶测点易破坏，因而布置了３个测　点，以便对量测数据进行校核。　／　周边收敛测线＼Ｂ　塞　｜　起拱线　　。，路面高程　图１　拱顶下沉及周边收敛测点布置　２　围岩变形影响因素分析　因３座隧道的监测数据量较大，且每座隧道表现　出的规律较为相似，因此本文选取了其中的牟尼沟隧　道作为代表分析。其中牟尼沟隧道出口段的监测数据　如图２、图３所示。可以看出，隧道拱顶沉降、水平位　移收敛的累计变形值与隧道埋深、围岩级别有一定的　关系。　一拱顶沉降最大值—～周边收敛最大值　图２牟尼沟隧道进口段最大变形曲线　Ｔ　一　级　级　级　级　●　’　－　一　－　里程，ｍ　一拱顶沉降最大值一周边收敛最大值　图３　牟尼沟隧道出口段最大变形曲线　２．１埋深的影响　从图４和图５可以得出，隧道的变形量随隧道埋　深的增大，总体趋于增大趋势。相对而言，拱顶增大的　埋深，ｍ　（ａ）拱顶沉降随埋深变化曲线　吕　ｇ　辐　珂器　＊　埋深，ｍ　（ｂ）水平收敛随埋深变化曲线　图４　Ⅳ级围岩变形随埋深的变化曲线及拟合曲线　２０１４年第１期　娄霜：软岩公路隧道围岩变形影响因素探讨　５１　埋深，ｍ　（ａ）拱顶沉降随埋深变化曲线　埋深，ｍ　（ｂ）水平收敛随埋深变化曲线　图５　Ｖ级围岩变形随埋深的变化曲线及拟合曲线　趋势更明显，而水平收敛位移增大的趋势逐步趋于缓　和。根据普氏理论关于隧道承载拱的定义，在岩土体　处于匀质体时，当隧道埋深超过一定的极限后，会在隧　道拱顶一定区域内形成一定的自然平衡拱，而此时隧　道埋深的增加，对围岩的位移影响不大。但根据隧址　区这种以千枚岩为主要成分的软岩地质条件下的隧道　的变形趋势图可以看出，在Ⅳ级围岩中，当埋深　＜２００　ｍ时，拱顶沉降最大值的增长处于较为平缓的　线性关系，而当埋深＞２００　ｍ时，拱顶沉降最大值增加　较为显著。在Ｖ级围岩中，当埋深＜１５０　ｍ时，拱顶沉　降最大值的增长处于较为平缓的线性关系，而当埋深　＞１５０　ｍ时，拱顶沉降最大值也增加较多，但隧道围岩　变形增加量并不与埋深成线性关系。　造成上述现象的原因，应是类似牟尼沟隧道这种　特殊复杂地质条件下的软岩隧道，因围岩总体强度较　弱，自承载能力不强，隧道开挖后深埋隧道的拱效应作　用不显著。加之软岩隧道的流变现象及地下水软化作　用等综合作用，导致变形随埋深增加而进一步加大。　２．２断面形式的影响　为了研究隧道断面形式对隧道围岩变形的影响，　特选取了隧道埋深近似相同、围岩级别相同、断面形式　不同的４个断面，各数据如表１所示，以及不同断面形　式的柱状对比图，如图６和图７所示。　从表１、图６和图７的围岩变形量可以看出，加宽　断面和加强断面的变形量大于标准断面。就变形的绝　表１　不同断面形式条件下围岩变形监测数据统计　奏　标准断面加强断面　标准断面加强断面　（ａ）拱顶沉降　（ｂ）水平收敛　图７　Ｖ级围岩不同断面形式情况下围岩变形　对量值而言，其变化的量值总体幅度并不大。相对而　言，因断面形式的变化导致施工工法发生变化时，对拱　顶沉降的影响明显大于对围岩周边位移收敛的影响。　加宽断面和加强断面的拱顶沉降累计值是标准断面拱　顶沉降累计值的１．２５～１．６０倍，而加宽断面和加强断　面的周边收敛累计值是标准断面周边收敛累计值的　１．１～１．２倍。　加宽断面采用ＣＤ工法，标准断面采用的是上下　台阶法，且一般情况而言，ＣＤ施工方法优于上下台阶　法，更能抑制隧道围岩的变形。但施工方法同时也受　到隧道断面形式、围岩地质状况的影响，且从以上数据　可以看出，隧道断面形式对围岩变形的影响明显大于　施工方法的影响。同时也可以说明，对于隧道加宽断　面和加强断面，采用ＣＤ施工方法明显抑制了隧道围　岩过大的变形。　２．３围岩级别的影响　为了研究隧道围岩级别对围岩变形的影响，特选　取了隧道地质状况相似、埋深近似、且断面形式相同的　２个断面进行对比分析，数据如表２所示，对比柱状图　如图８所示。　５２　铁道建筑　表２　不同围岩级别条件下围岩变形监测数据统计　体现在物质成分、岩石强度、遇水软化性、地质构造特　征等方面，相应隧道在施工过程中的工法及支护参数　也差异较大。　３　结论　通过上述分析，可以得出如下结论：　Ⅳ级围岩Ｖ级围岩　（ａ）拱顶沉降　一　Ⅳ级围岩Ｖ级围岩　（ｂ）水平收敛　１）隧道埋深、隧道断面形式、围岩级别，以及围岩　岩性，均对隧道围岩变形起到关键性作用。　２）隧道围岩变形的增量并不一定同隧道的埋深　成线性关系，即当埋深不超过一定量值时，围岩变形随　隧道埋深的增加呈线性增长，而当埋深超过一定量值　时，围岩的变形量值明显增大。　图８不同围岩级别情况下围岩变形　３）隧道断面形式对围岩变形的影响明显大于施　Ｋ４＋８４５和Ｋ５＋９００的埋深较为接近，断面形式　工方法对围岩变形的影响。　均为标准断面，但两者分别属于Ⅳ级围岩和Ｖ级围岩。　４）围岩岩性对围岩变形的影响十分显著。这是　由于不同地区的地质条件千差万别，岩石岩性和分布　特征也可能存在较大差异，这种差异往往对围岩变形　起到决定性作用。因而在隧道工程设计和施工阶段，　通过图８的对比可以看出，Ｖ级围岩的拱顶沉降是Ⅳ　级围岩拱顶沉降的３．２倍，Ｖ级围岩的水平收敛是Ⅳ　级围岩水平收敛的２倍。由此可见，不同的围岩级别　对围岩的变形影响较大。究其原因在于，围岩越差，隧　道的开挖对洞周围岩的扰动就越强烈，在对围岩应力　不能完全照搬经验类比法，应依据信息化施工对围岩　的稳定性进行监控，进而调整相应的支护参数和施工　方法，从而实现施工安全和工程造价利益的最大化。　参　考　文　献　释放一定的情况下，围岩的变形也就越大。另外，由于　围岩越软弱，一般设计及施工中对围岩的应力释放也　越充分，因而其变形必然就越大。　２．４围岩岩性的影响　［１］卿三惠，黄润秋．乌鞘岭特长隧道软弱围岩大变形特性研究　［Ｊ］．现代隧道技术，２００５，４２（２）：１３４—１３６．　［２］张世雄，任高峰，张松．某人防工程隧道收敛变形的影响因　素分析［Ｊ］．岩土工程界，２００４，７（１２）：３５—３７．　［３］王广宏．毛羽山隧道出口大变形影响因素探讨［Ｊ］．现代隧　道技术，２０１０，４８（２）：２８—３２．　围岩的变形情况同围岩级别、埋深、断面形式密切　相关，但对比以上３座隧道在相同围岩级别，近似埋深　以及类似断面形式的情况下，鹊岭隧道的围岩变形范　围为１～７　ｍｍ，牟尼沟隧道的围岩变形范围为１０～　４０　ｍｍ，杨家岭隧道的围岩变形范围为２０～７０　ｍｍ，３　座隧道的变形却相差不小。　［４］旷文涛．超前预加固大断面隧道围岩稳定性影响因素研究　［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１０．　由此可见，即使隧道的围岩级别相同，但由于地质　条件的千差万别，岩石岩性和分布特征也可能存在较　大差异，从而造成了围岩变形的差异性，对开挖洞室的　［５］左清军，吴立，张良刚，等．隧道围岩变形特征及其影响因素　的数值模拟［Ｊ］．铁道建筑，２０１２（８）：５８—６０．　［６］张海彬．软岩隧道围岩的应力应变分析［Ｊ］．铁道建筑，２０１１　（１２）：７２—７４．　稳定性构成一定的影响。例如，牟尼沟隧道和杨家岭　隧道均属于软岩，隧道岩性均主要以千枚岩为主。但　是由于在形成过程中受地质构造等变质作用差异性较　大，造成了其岩体性状上存在较大差异，这种差异可能　［７］李章树，张金凤．骡坪隧道施工围岩变形监测与分析［Ｊ］．铁　道建筑，２０１０（１１）：４３—４５．　（责任审编赵其文）