高地应力条件下层状地层隧道围岩挤压变形与支护受力特征_沙鹏

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2 工程背景
兰渝铁路两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左 岸中山区，地形较为陡峻，相对高差为 400 m，隧 道最大埋深为 346 m，全长为 4 922.35 m，为大断 面双线隧道。隧道轴向为 N25° W，通过地层主要 为志留系中、上统千枚岩，局部夹有板岩。试验段以 Ⅴ级围岩为主，岩块的单轴抗压强度仅有 13.6 MPa， 按照国家《工程岩体分级标准》[16]分类属于软岩。 从宏观及微观上看， 围岩的层片状特征显著 （图 1） 。 研究区从寒武纪初至三叠纪长期发育多旋回地槽褶 皱系，后期又接受燕山和喜马拉雅运动的改造，构 造作用强烈并发育有区域活动性断层武都－新寺断 裂[3]。隧道虽未见活动断裂穿越，但断面多呈现次 级小型构造出露，且节理裂隙发育，节理玫瑰花图 （见图 2）揭示试验断面主要发育 5 组节理，岩层 被切割成碎块状，岩体完整性差。断面主要结构面 为千枚岩层理面， 平直光滑无充填或黏土薄膜充填， 走向与洞轴向（图 2 中的 2-2 测线）呈 5°交角， 倾角 65°。 片状层理的集中分布使围岩整体呈现结 构的各向异性。
（1.中国科学院地质与地球物理研究所 页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029； 2.中国科学院大学，北京 100049；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043； 4.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000）
摘
要：西部地区普遍出露层片状岩体。由于强度低、自稳能力差、结构强度呈现各向异性等特点，在隧道开挖过程中常引
起围岩大变形，导致初期支护结构强烈变形失稳而不得不频繁进行拆换。部分洞段二次衬砌混凝土甚至发生劈裂、掉块的破 坏现象，严重影响隧道施工的进度与安全。以兰渝铁路两水隧道为工程背景，采用现场实时监测、数值模拟等手段，获取大 断面隧道围岩与支护系统之间的接触压力， 揭示开挖断面不同位置接触压力随时间发展规律和空间分布特征。 研究结果显示， 受围岩结构强度的各向异性控制，隧道开挖后支护受力极不均匀。空间上与围岩变形集中部位一致，时间上变化历时长，且 由于开挖方式的影响不易稳定。初期支护钢拱架局部荷载过大而发生侧向扭曲失稳，且监测的失稳发生时间与收敛形变稳定 时间相比而明显滞后。根据层状围岩的支护受力特征，提出针对此类岩体更为合理的隧道设计建议。 关 键 词：隧道工程；现场监测；支护体系；受力特征；数值分析 文献识别码：A 文章编号：1000－7598 (2015) 05－1407－08 中图分类号：U 452
（1. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an, Shaanxi 710043, China; 4. College of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000, C设计和施工逐渐成为隧道建
(a) 实拍图片
(b) SEM 微结构图像
图 1 试验段志留系千枚岩及其 SEM 微结构图像 Fig.1 Silurian phyllite of test section and its SEM image of microstructure
Abstract: The layered soft rock is widely distributed in Western China, such as slate, carbonaceous slate, phyllite, and so forth.
During the tunnel excavation, geotechnical problems frequently occur in the surrounding rock, such as excessive overbreak and intense deformation associated with asymmetric squeezing, because of low strength, poor self-stability and intense anisotropy of structural strength in layered surrounding rock. Large deformation can result in intense damage to the primary support, and even splitting of secondary support, significantly influencing the construction and security of tunnels. At the site of Liangshui tunnel in Lanzhou-Chongqing railway, a series of real-time contact pressure monitoring tests is conducted at different positions in section between surrounding rock and support system. Mechanical responses of the support system are analyzed in time and spatial domains using the monitored contact pressure. In-situ monitoring and numerical inversion analyses of displacement are also performed. The results indicate that the contact pressure of support system shows irregular distribution in space, which agrees with the concentrated deformation position of the surrounding rock; and its variation often lasts for a long period of time due to the influence of excavation method. The failure of the steel arch frame takes place in the weak axis plane because of its smaller lateral anti-bending rigidity. Meanwhile, the monitoring data show that their occurrence significantly lags behind the stabilization of convergence deformation. Based on the force characteristics of the support system, a more reasonable design scheme is proposed for tunneling in such a kind of rock.
第 36 卷第 5 期 2015 年 5 月
DOI：10.16285/j.rsm.2015.05.024
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.36 No.5 May 2015
高地应力条件下层状地层隧道围岩 挤压变形与支护受力特征
沙 鹏 1, 2，伍法权 1，李 响 3，梁 宁 1, 2，常金源 4
Squeezing deformation in layered surrounding rock and force characteristics of support system of a tunnel under high in-situ stress
SHA Peng1, 2, WU Fa-quan1, LI Xiang3, LIANG Ning1, 2, CHANG Jin-yuan4
Keywords: tunneling engineering; in-situ monitoring; support system; mechanical characteristics; numerical analysis
收稿日期：2014-11-03 基金项目：国家自然科学基金重点项目（No. 41030749） ；铁一院科研开发计划（院科 12-06-1）资助。 第一作者简介：沙鹏，男，1985 年生，博士研究生，主要从事地下工程稳定性分析方面的研究工作。E-mail：shapeng@
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引 言
20 世纪 50 年代奥地利学者拉布塞维兹 Rabcewicz
路两水隧道为例， 通过实测值与模拟值的对比分析， 本文讨论层片围岩在挤压变形条件下支护体系的受 力特性及形成机制，并对此类围岩的形变控制提出 相应的支护建议。
提出新奥法（NATM）以来，这一方法在国内外地 下工程建设中得到了极为广泛的发展，如今已经成 为现代隧道工程新技术的重要标志。新奥法采用复 合衬砌来修建隧道洞身，内层为初次柔性支护，使 围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥，外层 二次衬砌主要是起安全储备和装饰美化作用。 因此， 在复合衬砌结构中，围岩与初期支护以及初期支护 与二次衬砌的作用关系一直是隧道工程稳定性研究 的热点问题之一。尤其是随着我国西部地区公路、 铁路建设规模不断加大，越来越多的长大深埋隧道 出现，软弱围岩挤压变形现象越来越普遍 [1 设中的难题[5]。 总结国内外学者的研究成果，对于隧道支护体 系受力特性的研究大致可以分为原位测试、模型试 验与数值模拟分析 3 个方面。欧洲学者针对阿尔卑 斯山区深埋隧道挤压变形问题，提出采用柔性支护 措施[6]。针对随着围岩变形愈大，围岩压力逐渐降 低的规律，提出一系列柔性支护结构以降低支护失 李鹏飞等[8]采用现场监测的方法， 得到 稳的几率[7]。 大断面黄土隧道初期支护与二次衬砌之间的接触压 力，得出接触压力的时空分布规律。王石光等 [9]针 对软岩大变形的特点，根据现场围岩压监测分析优 化了相同地质条件下的隧道支护系统。针对不同地 质条件、不同洞型的支护结构设计，不少学者采用 相似材料隧道工程模型试验研究其渐进破坏特征， 并给出相应的支护建议[10－12]。此外，不同边界条件 下围岩与支护相互作用的数值模拟也是有效的研究 手段。Wang 等[13]采用极限分析上界法，对大跨度 浅埋隧道松动区破坏进行数值分析，研究不同破坏 模式下的支护压力特征。Scussel 等[14]改进 Singh 提 出的多轴强度准则用于计算隧道支护压力，并利用 FLAC3D 进行验证。靳晓光等 [15] 针对深埋公路隧道 不同施工过程， 进行围岩-支护结构的有限元数值模 拟，提出隧道施工的优化方案。总之，由于地质条 件以及围岩力学特征的复杂性，隧道支护系统的研 究仍然具有挑战性。 结合前人的研究成果，在现场监控量测数据的 基础上， 作者在兰渝线多条隧道进行了开挖后围岩初期支护以及初期支护-二次衬砌之间接触压力的 实时监测。同时，本文利用 3DEC 离散元软件对隧 道断面开挖后的形变特征进行数值模拟。以兰渝铁