陳子全， 寇 昊， 楊文波, *， 何 川， 李永林

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031；2. 四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司， 四川 成都 610000)

0 引言

目前，我國東部地區(qū)的鐵路與公路交通系統(tǒng)日益完善，中西部地區(qū)的鐵路、公路與水利建設(shè)也持續(xù)深入推進[1-2]。我國地勢西高東低，呈3級階梯分布，山區(qū)面積占據(jù)國家領(lǐng)土總面積的2/3。其中，以西南地區(qū)的地勢起伏最大、地形切割最為強烈、分布面積最廣，且該區(qū)域山體受板塊構(gòu)造擠壓，賦存了較高的構(gòu)造應(yīng)力[3]。受我國中西部復(fù)雜艱險的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、水文地質(zhì)條件與地層巖性條件等因素影響，這些區(qū)域的交通隧道工程將面臨高地震烈度、高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險、高地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力與軟弱破碎圍巖、斷層破碎帶、脆弱生態(tài)環(huán)境等困難的挑戰(zhàn)，向“長、大、深、難、險”方向發(fā)展[4-5]。

受我國青藏高原板塊的持續(xù)隆起及其對東部區(qū)域產(chǎn)生的持續(xù)擠壓影響，形成了河西走廊—祁連山脈—秦嶺山系—汶川—大理的弧狀應(yīng)力增高區(qū)域。同時，產(chǎn)生了多條較大的斷裂帶，如龍門山斷裂、鮮水河斷裂、金沙江斷裂等[6]。從而，在我國中西部地區(qū)這樣的復(fù)雜地質(zhì)條件和特殊環(huán)境下修建的鐵路與公路的隧線比極高，且其隧道工程還往往具有“四極三高”的顯著特點?！八臉O”是指地形切割極為強烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應(yīng)極為顯著[7]； “三高”是指高地殼應(yīng)力、高地震烈度、高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險[8]。

我國西南山區(qū)環(huán)境下，以鐵路與高速公路為代表的交通基礎(chǔ)設(shè)施所賦存的地質(zhì)環(huán)境、水文地質(zhì)條件及其穿越的地層巖性都相當(dāng)復(fù)雜[9]。其沿線隧道群面臨的潛在危險源不再單一，施工過程中面臨高地應(yīng)力、軟弱圍巖、高壓富水、以滑坡和泥石流為主的次生地質(zhì)災(zāi)害、瓦斯突出、斷層破碎帶、強震與余震風(fēng)險的挑戰(zhàn)。以軟巖大變形、巖爆、涌水突泥、圍巖坍塌、初期支護開裂與鋼拱架扭曲等為代表的施工災(zāi)害問題頻發(fā)，支護結(jié)構(gòu)體系的承載機制及其受力特性也異常復(fù)雜多變[10]。因此，我國西南部山區(qū)隧道的圍巖穩(wěn)定性分析與支護結(jié)構(gòu)安全性問題愈發(fā)突出，不同類型地質(zhì)環(huán)境下隧道施工過程中與施工完成初期的圍巖變形破壞機制、穩(wěn)定性控制理論技術(shù)與相應(yīng)對策、支護結(jié)構(gòu)體系的承載機制及其力學(xué)行為演化規(guī)律亟待進行深入研究。

鑒于此，本文以我國西南高地震烈度區(qū)、山地災(zāi)害頻發(fā)區(qū)、生態(tài)環(huán)境脆弱敏感區(qū)的雅安—康定(簡稱雅康)、汶川—馬爾康(簡稱汶馬)高速公路為典型案例，選取多座不同類型的復(fù)雜艱險山區(qū)隧道，對其施工完成初期的支護結(jié)構(gòu)體系受力特性進行現(xiàn)場實測，深入分析軟弱圍巖、斷層破碎帶、地形偏壓、高地應(yīng)力、軟巖流變效應(yīng)等因素對隧道支護結(jié)構(gòu)體系力學(xué)行為演化規(guī)律的影響。

1 工程背景及其潛在危險源

1.1 雅康高速與汶馬高速工程概況

四川藏區(qū)高速公路主要由雅康高速和汶馬高速組成(見圖1)。其中雅安至康定高速公路起于雅安市草壩，止于甘孜藏族自治州州府康定，路線全長134 km。線路由東向西海拔為580～2 460 m，受控于二郎山、貢嘎山等極高山地形，共設(shè)隧道57.26 km、29座，隧線比為42.7%。汶馬高速公路位于四川盆地西北邊緣與青藏高原東緣交錯接觸帶，起點順接已建的映秀至汶川高速公路，止于阿壩藏羌族自治州州府馬爾康。線路全長約172.3 km，共設(shè)隧道88.86 km、30座，隧線比為51.6%，工程實施難度大。

雅康高速與汶馬高速位于典型艱險山區(qū)，其地質(zhì)條件與地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地層巖性多變，大量隧道群既穿越了以閃長巖、花崗巖等為主的巖漿巖地層，又穿越了以千枚巖、板巖為代表的變質(zhì)巖地層和以砂巖、泥巖為代表的沉積巖地層。從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造方面來看，2條高速公路均處于板塊擠壓地帶，地形切割極為強烈、構(gòu)造條件極為活躍。眾多隧道賦存于以高地應(yīng)力、高地震烈度、高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險為主的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中。其施工過程除需要面對以巖爆、擠壓性大變形為代表的施工災(zāi)害問題的同時，還會遭遇強震、余震、突增高水壓以及次生地質(zhì)災(zāi)害(如誘發(fā)古滑坡體復(fù)活、強降雨引發(fā)的山區(qū)泥石流等)帶來的種種挑戰(zhàn)。

(a) 雅安—康定高速公路

(b) 汶川—馬爾康高速公路

1.2 施工期潛在危險源

雅康高速與汶馬高速在施工過程中，災(zāi)害問題頻發(fā)，如： 鷓鴣山隧道穿越炭質(zhì)千枚巖地層時，其圍巖變形模式與支護結(jié)構(gòu)破壞機制受層狀圍巖各向異性力學(xué)特性控制，遭遇了嚴(yán)重的非對稱擠壓性大變形，沿層理面法線方向兩端位置發(fā)生大面積開裂滲水；二郎山隧道埋深大，巖性主要為以花崗巖與閃長巖為代表的硬脆性巖體，高地應(yīng)力狀態(tài)下隧道巖爆災(zāi)害頻發(fā)；米亞羅隧道埋深小，但巖性以破碎絹云母千枚巖為主，遇水后軟化與泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，圍巖毫無自承載能力，發(fā)生多次坍塌、鋼拱架嚴(yán)重扭曲?？偟膩碚f，以雅康高速與汶馬高速為代表的復(fù)雜艱險山區(qū)隧道施工過程中面臨的潛在危險源主要有以下幾種。

1.2.1 高地應(yīng)力風(fēng)險

復(fù)雜艱險山區(qū)隧道往往埋深較大，高地應(yīng)力引發(fā)的災(zāi)害問題幾乎不可避免。根據(jù)我國西部地區(qū)大量的地應(yīng)力實測結(jié)果[11]，得到水平構(gòu)造應(yīng)力場隨地層深度變化的近乎線性的增長規(guī)律。隧道開挖一旦進入到深部地層，其所處的應(yīng)力狀態(tài)就會轉(zhuǎn)變?yōu)橐运綐?gòu)造應(yīng)力場和巖體自重應(yīng)力場聯(lián)合作用下的高地應(yīng)力環(huán)境中。

雅康高速二郎山隧道全長13 459 m，最大埋深達到1 469 m；鷓鴣山隧道全長8 784 m，最大埋深約1 350 m。兩者的地應(yīng)力場回歸反演結(jié)果揭示的最大主應(yīng)力均高達30～40 MPa。從而，隧道施工過程中不可避免地將會遭遇高地應(yīng)力誘發(fā)的巖爆災(zāi)害與擠壓性大變形問題(見圖2)。

(a) 高地應(yīng)力硬巖巖爆 (b) 擠壓性大變形

圖2高地應(yīng)力隧道施工期巖爆災(zāi)害與擠壓性大變形問題

Fig. 2 Rock burst disaster and large squeezing deformation in high geo-stress tunnel construction

1.2.2 軟弱圍巖風(fēng)險

復(fù)雜艱險山區(qū)地層巖性環(huán)境多變，以泥巖、砂巖、千枚巖等為主的軟巖地層分布面積極廣。典型硬巖與軟巖的的強度參數(shù)與力學(xué)特性截然不同[12]： 軟巖強度低、變形大，硬巖具有顯著的脆性破壞特征； 軟巖富含黏土礦物，遇水后其軟化與泥化現(xiàn)象嚴(yán)重； 軟巖的擴容特性顯著，荷載較小時便進入擴容階段。

當(dāng)巖體條件較好時，圍巖壓力主要由圍巖自身承擔(dān)，即使是高地應(yīng)力深埋狀態(tài)下，支護結(jié)構(gòu)也只需承受小部分荷載。相比之下，軟弱圍巖自穩(wěn)能力差、強度低，使得隧道變形量大且持續(xù)時間長、支護結(jié)構(gòu)體系需要承受較大的圍巖擠壓荷載(見圖3)。雅康高速與汶馬高速沿線隧道群大量穿越絹云母千枚巖、炭質(zhì)板巖、泥巖等軟巖地層，支護結(jié)構(gòu)需要承受較大的擠壓性荷載。如： 周公山隧道圍巖主要以泥巖為主，地下水發(fā)育，圍巖大變形與支護結(jié)構(gòu)開裂情況嚴(yán)重，多次套拱后才能抑制圍巖的持續(xù)擠壓；卓克基隧道穿越破碎炭質(zhì)千枚巖地層，圍巖松散無自穩(wěn)能力，不得不采用超長注漿錨桿加固周邊圍巖與增加二次襯砌厚度，以確保隧道的安全性。

(a) 鋼拱架扭曲 (b) 圍巖失穩(wěn)坍塌

圖3軟弱圍巖隧道施工期支護結(jié)構(gòu)的擠壓破壞

Fig. 3 Squeezing failure of supporting structure in weak surrounding rock tunnel construction

除此以外，軟弱圍巖在高地應(yīng)力狀態(tài)下還具有顯著的時效變形特性。和硬巖的單軸壓縮流變曲線相比(主要以瞬態(tài)變形為主)，當(dāng)應(yīng)力較高時，軟巖具有明顯的穩(wěn)態(tài)蠕變與加速蠕變過程，呈現(xiàn)出一種黏彈塑力學(xué)特性。以往，大多只在分析隧道支護結(jié)構(gòu)在后期運營過程中的力學(xué)行為時才考慮圍巖的流變特性，但目前越來越多的工程實踐表明，高地應(yīng)力軟巖隧道在施工完成初期便呈現(xiàn)出這樣的變形特征(見圖4)。汶馬高速米亞羅隧道、汶川隧道、桃坪隧道均在施工一段時間后，其圍巖的擠壓變形愈發(fā)嚴(yán)重，造成二次襯砌大面積開裂，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性能。

圖4 軟弱圍巖隧道施工完成初期二次襯砌開裂

Fig. 4 Cracking of secondary lining at initial stage of tunnel construction in weak surrounding rock

1.2.3 斷層破碎帶風(fēng)險

斷層破碎帶是長、大隧道建設(shè)過程中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象之一。由于地質(zhì)構(gòu)造原因，斷層破碎帶內(nèi)裂隙發(fā)育、巖體破碎，容易發(fā)生錯臺、結(jié)構(gòu)開裂與圍巖坍塌等問題，且斷層破碎帶往往是地下水的蘊藏場所，在其中開挖隧道容易失穩(wěn)，發(fā)生突涌水災(zāi)害。我國西南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極為活躍、復(fù)雜，以雅康高速與汶馬高速為代表的復(fù)雜艱險山區(qū)隧道施工過程中往往需要穿越各種大型與小型斷層，隧道施工面臨著巨大的風(fēng)險。

1.2.4 次生地質(zhì)災(zāi)害

我國西南地區(qū)區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，次生地質(zhì)災(zāi)害極為發(fā)育[13]。如汶川大地震引發(fā)了大量的滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害，并呈現(xiàn)出分布范圍廣、數(shù)量多、種類全、密度大、強度高、致災(zāi)重的特點(見圖5)，給復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路與高速公路的建設(shè)和安全運營帶來了極大的威脅。以崩塌堆積體、滑坡與泥石流為代表的次生地質(zhì)災(zāi)害主要表現(xiàn)為坡體或坡表的失穩(wěn)現(xiàn)象，危及隧道洞口處結(jié)構(gòu)的安全性能。汶馬高速通化隧道穿越古滑坡體，施工過程中稍有不慎便會引發(fā)滑坡體復(fù)活；雅康高速日地1號隧道穿越滑坡堆積體，支護結(jié)構(gòu)承受較大的偏壓荷載，結(jié)構(gòu)非對稱開裂現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖5 次生地質(zhì)災(zāi)害

2 現(xiàn)場測試方案與典型斷面選取

復(fù)雜艱險山區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性與支護結(jié)構(gòu)受力特性主要取決于應(yīng)力環(huán)境、圍巖強度與變形行為及支護結(jié)構(gòu)體系的狀況。目前，關(guān)于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境隧道支護結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的研究往往是針對某一單體隧道工程。我國中西部地區(qū)的公路與鐵路建設(shè)往往需要穿越各種艱險復(fù)雜地層，潛在危險源眾多。

為揭示不同危險源對隧道支護結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響，依托于雅康高速公路與汶馬高速公路，選取典型的穿越斷層破碎帶隧道、軟弱圍巖隧道、淺埋偏壓隧道、高地應(yīng)力硬巖隧道和高地應(yīng)力軟巖隧道(見表1)，通過現(xiàn)場埋設(shè)鋼弦式傳感器，監(jiān)測隧道在施工階段的受力變化情況。

隧道施工現(xiàn)場埋設(shè)土壓力盒，量測圍巖與初期支護之間、初期支護與二次襯砌之間的壓力，從而計算圍巖壓力、接觸壓力以及二次襯砌的分?jǐn)偙壤?；現(xiàn)場埋設(shè)混凝土應(yīng)變計，量測二次襯砌內(nèi)、外表面的應(yīng)變，從而計算二次襯砌截面內(nèi)的軸力和彎矩；現(xiàn)場埋設(shè)鋼筋計，測量鋼支撐或格柵鋼架中內(nèi)、外鋼筋的軸力和型鋼鋼架內(nèi)、外側(cè)的應(yīng)變，從而計算其所受到的應(yīng)力。

表1 選取典型測試斷面的工程地質(zhì)條件

注： 隧道斷面寬度為8.8 m，高度為11.5 m。

3 支護結(jié)構(gòu)力學(xué)行為演化規(guī)律分析

3.1 軟弱圍巖對支護結(jié)構(gòu)受力特性的影響分析

復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路與高速公路多需穿越軟弱圍巖地層，支護結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為和普通圍巖隧道相比更加復(fù)雜多變，使其施工期間的支護結(jié)構(gòu)災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)。大量工程實踐表明，圍巖強度是決定圍巖變形量與支護結(jié)構(gòu)承受荷載的核心因素。當(dāng)圍巖條件較好時，可主動調(diào)用其自承載能力，以降低支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力。而對于軟巖隧道，其圍巖強度低、自穩(wěn)能力差，需要提高支護結(jié)構(gòu)強度與改善支護結(jié)構(gòu)體系去控制圍巖變形[14]。

對于雅康高速與汶馬高速的普通圍巖隧道，支護結(jié)構(gòu)所承受的荷載相對較?。?圍巖與初期支護間的接觸壓力一般為0～200 kPa，初期支護與二次襯砌間的接觸壓力一般為0～100 kPa，鋼拱架應(yīng)力往往不超過100 MPa，支護結(jié)構(gòu)受力在隧道開挖20 d后便可基本穩(wěn)定。二次襯砌往往多作為安全儲備，其軸力、彎矩一般控制為1 000 kN、30 kN·m。選取雅康高速與汶馬高速普通圍巖隧道典型斷面為例： 汶川隧道K49+715斷面(埋深195 m，砂板巖強度46.2 MPa)最大圍巖壓力與鋼拱架應(yīng)力為46.5 kPa、28.6 MPa，二次襯砌最大軸力、彎矩為465 kN、6.7 kN·m；日地1號隧道洞身段K119+450斷面(埋深403 m，閃長巖強度75.3 MPa)最大圍巖壓力與鋼拱架應(yīng)力為78.3 kPa、46.2 MPa，其二次襯砌最大軸力、彎矩為631 kN、14.6 kN·m，二次襯砌分?jǐn)偤奢d比例為14%。

3.1.1 圍巖壓力演化規(guī)律

為進一步深入分析軟弱圍巖對隧道支護結(jié)構(gòu)體系力學(xué)行為的影響，以卓克基隧道為例，對軟巖隧道的圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力與二次襯砌軸力和彎矩進行了現(xiàn)場實測。在卓克基隧道，測試斷面穿越破碎炭質(zhì)千枚巖地層，隧道埋深僅118 m，但開挖后圍巖松散破碎，且遇水泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，變形量大且持續(xù)時間長。卓克基隧道同一監(jiān)測斷面圍巖-初期支護和初期支護-二次襯砌間的接觸壓力時態(tài)演化曲線如圖6所示?？梢钥闯觯?1)隧道埋深較小，圍巖壓力以自重壓力為主，但破碎千枚巖強度低、無法自穩(wěn)，支護結(jié)構(gòu)需要承受較大的松動荷載。最大圍巖-初期支護接觸壓力出現(xiàn)在拱頂位置，達到886 kPa。右拱腰位置的圍巖壓力最小，為293 kPa，顯著高于普通圍巖隧道。2)破碎千枚巖地層因圍巖松動范圍較大(往往能達到8～10 m)，大大超過錨桿長度，使得錨固效果不佳。初期支護需要聯(lián)合二次襯砌共同承受圍巖對支護結(jié)構(gòu)體系的持續(xù)擠壓。初期支護-二次襯砌間接觸壓力分布規(guī)律與圍巖-初期支護間接觸壓力分布規(guī)律基本一致，最大接觸壓力同樣出現(xiàn)在拱頂位置，達到319 kPa。二次襯砌的平均分擔(dān)荷載比例為36%，高于普通圍巖隧道，表明軟弱圍巖效應(yīng)對支護結(jié)構(gòu)受力特性影響顯著。3)軟弱圍巖隧道開挖后，作用在初期支護上的擠壓荷載急速增大。二次襯砌施作后，圍巖壓力逐漸轉(zhuǎn)移到二次襯砌上。此后，初期支護-二次襯砌間的接觸壓力保持持續(xù)增大，約80 d后才能逐漸穩(wěn)定下來。

(a) 圍巖-初期支護間接觸壓力

(b) 初期支護-二次襯砌間接觸壓力

Fig. 6 Evolution law of surrounding rock pressure in Zhuokeji Tunnel

3.1.2 鋼拱架應(yīng)力演化規(guī)律

由于錨桿對破碎千枚巖隧道的加固效果不明顯，不能提高隧道周邊圍巖的承載能力，使得以鋼拱架為承載主體的初期支護受力較大。卓克基隧道左拱腰、拱肩與拱頂位置的鋼拱架應(yīng)力如圖7所示?？梢钥闯觯?1)最大鋼拱架應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂外側(cè)，達到157 MPa，拱腰位置的鋼拱架應(yīng)力相對較小，為80～100 MPa； 2)鋼拱架應(yīng)力的穩(wěn)定時間相對較快，約30 d可以基本穩(wěn)定，但受力較大的拱頂位置在30～150 d仍會緩慢增長。

(a) 左拱腰

(b) 左拱肩

(c) 拱頂

以I20b工字鋼最大允許彎曲應(yīng)力158 MPa、最大擠壓應(yīng)力240 MPa作為判定依據(jù)，卓克基隧道穿越破碎千枚巖地層斷面極有可能在施工完成一段時間后出現(xiàn)鋼拱架扭曲與初期支護開裂災(zāi)害。如果鋼拱架發(fā)生進一步的裂損與退化，圍巖壓力將會進一步向二次襯砌進行轉(zhuǎn)移，從而增加二次襯砌的負擔(dān)。

3.1.3 二次襯砌力學(xué)行為演化規(guī)律

當(dāng)圍巖條件較好時，二次襯砌一般多作為安全儲備，不需要承載，隧道初期支護即可承受全部圍巖荷載。卓克基隧道二次襯砌力學(xué)行為演化規(guī)律曲線如圖8所示。可以看出： 1)對于穿越軟弱圍巖的復(fù)雜艱險山區(qū)隧道工程，二次襯砌在施作后仍需要承受圍巖持續(xù)不斷的擠壓荷載，其軸力與彎矩遠高于普通圍巖隧道，且需70 d左右才能逐漸趨于穩(wěn)定。2)卓克基隧道拱腰位置的二次襯砌軸力較大，最大軸力出現(xiàn)在右拱腰位置，達到3 764 kN。拱頂與左拱肩位置的軸力相對偏小，其中拱頂位置的軸力最小，為1 334 kN。3)隧道拱頂位置的正彎矩最大，達到151.3 kN·m，最大負彎矩出現(xiàn)在右拱肩位置，為 -96.6 kN·m。4)受炭質(zhì)千枚巖的層狀各向異性特性影響(層理傾角63°)，卓克基隧道二次襯砌的受力特性具有一定的非對稱特性。

(a) 二次襯砌軸力

(b) 二次襯砌彎矩

(c) 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

依據(jù)卓克基隧道二次襯砌的軸力與彎矩測試結(jié)果，將二次襯砌的極限承載力與現(xiàn)場實時監(jiān)測內(nèi)力比值作為安全系數(shù)，得到了安全系數(shù)隨時間的變化曲線。其變化規(guī)律(見圖8(c))呈現(xiàn)出3階段演化特性： 1)二次襯砌施工后30 d內(nèi)結(jié)構(gòu)受力不斷增加，安全系數(shù)迅速降低； 2)30 d后結(jié)構(gòu)受力增速變緩，安全系數(shù)仍然持續(xù)下降； 3)約70 d后結(jié)構(gòu)受力達到最大值并基本保持不變，安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。卓克基隧道穿越破碎千枚巖段二次襯砌受力較大，但由于二次襯砌厚度達到了60 cm，目前隧道處于安全狀態(tài)，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在右拱腰，為3.6。

綜上，雖以卓克基隧道為代表的軟弱圍巖隧道埋深較小，幾乎不存在構(gòu)造應(yīng)力場作用，但由于軟弱圍巖強度低、自穩(wěn)能力差、結(jié)構(gòu)松散破碎，使得支護結(jié)構(gòu)體系需要承受圍巖的持續(xù)性擠壓作用，二次襯砌分?jǐn)偤奢d比例顯著上升，需要承受較大軸力與彎矩，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低?？梢?，隧道開挖后的圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與地層巖性關(guān)系密切。當(dāng)復(fù)雜艱險山區(qū)隧道施工進入軟弱圍巖地層時，需要加強支護結(jié)構(gòu)體系剛度，可采用管棚、長錨桿注漿等方法加固隧道周邊圍巖。

3.2 斷層破碎帶對支護結(jié)構(gòu)受力特性的影響分析

斷層破碎帶是我國西部復(fù)雜艱險山區(qū)長、大隧道建設(shè)過程中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象。為揭示斷層破碎帶對支護結(jié)構(gòu)受力特性的影響，對紫石隧道穿越F1斷層的支護結(jié)構(gòu)力學(xué)行為進行了現(xiàn)場測試。該斷層為壓扭性小型斷裂，巖性以白云巖為主，巖體結(jié)構(gòu)較為破碎，且存在風(fēng)化蝕變現(xiàn)象。限于文章篇幅，以下僅分析圍巖-初期支護接觸壓力與二次襯砌受力特性。

3.2.1 圍巖壓力演化規(guī)律

紫石隧道圍巖-初期支護接觸壓力的變化曲線如圖9所示?？梢钥闯觯?1)斷層破碎帶二次應(yīng)力場調(diào)整時間較長，再加上圍巖松散破碎，使得圍巖壓力在隧道開挖后持續(xù)增長，約120 d后圍巖與初期支護間的接觸壓力才逐漸趨于穩(wěn)定； 2)圍巖對支護結(jié)構(gòu)的擠壓作用主要體現(xiàn)在拱頂與左右拱肩位置，兩側(cè)邊墻的圍巖壓力相對較??； 3)最大接觸壓力出現(xiàn)在拱頂位置，達到547.4 kPa，左拱腰位置的圍巖壓力最小，但也達到了311.3 kPa。這進一步說明穿越斷層破碎帶隧道圍巖自穩(wěn)能力差，使得支護結(jié)構(gòu)在隧道開挖后需要承受圍巖持續(xù)不斷的擠壓作用。從荷載分擔(dān)比例方面看，紫石隧道二次襯砌需要承受約52.8%的圍巖壓力，表明隧道在穿越斷層破碎帶影響范圍時，二次襯砌也需要承受較大荷載。因此，穿越斷層破碎帶隧道開挖施工過程中，二次襯砌需要及時跟進施作，才能確保圍巖穩(wěn)定性與初期支護結(jié)構(gòu)的安全性。

圖9 紫石隧道圍巖壓力演化規(guī)律

3.2.2 二次襯砌力學(xué)行為演化規(guī)律

紫石隧道二次襯砌力學(xué)行為的演化曲線如圖10所示。可以看出： 1)二次襯砌施作后，受到圍巖的擠壓作用，其受力快速增長，約40 d后增速開始逐漸降低，在120 d后二次襯砌受力才能逐漸趨于穩(wěn)定。2)最大軸力出現(xiàn)在右拱腰，為2 367 kN； 左拱肩軸力最小，為1 861 kN。3)最大正彎矩出現(xiàn)在拱頂，達到130.5 kN·m； 最大負彎矩出現(xiàn)在左右拱腰位置，為 -93.9 kN·m。

和紫石隧道普通圍巖斷面相比(圍巖壓力不超過150 kPa)，穿越F1斷層時的圍巖壓力與二次襯砌受力顯著增大，且需要更長的時間才能逐漸趨于穩(wěn)定。測試斷面僅為小型斷裂，可見復(fù)雜艱險山區(qū)隧道在穿越大型斷裂帶時的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險極大。由紫石隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的演化規(guī)律(見圖10(c))可知： 左右拱肩的安全系數(shù)相對較高，左右拱腰與拱頂位置的安全系數(shù)相對較小，最小安全系數(shù)為3.63。因此，當(dāng)隧道穿越斷層破碎帶時，需要加強超前地質(zhì)預(yù)報，盡早預(yù)測前方圍巖性質(zhì)變化，同時提高與優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)體系?？刹捎贸爸ёo、注漿堵水等方案，從而避免圍巖發(fā)生碎裂坍塌。

3.3 地形偏壓對支護結(jié)構(gòu)受力特性的影響分析

復(fù)雜艱險山區(qū)隧道施工常常受地質(zhì)地形及線路走向的限制，隧道洞口及傍山、河谷地段常面臨淺埋偏壓問題。加之在我國西部地區(qū)地形起伏較大、構(gòu)造活動強烈，特別是汶川地震后的次生災(zāi)害相當(dāng)發(fā)育，大多以滑坡、崩塌、泥石流的形式表現(xiàn)。其中由松散的土體、碎石組成的堆積體坡體結(jié)構(gòu)疏松、內(nèi)聚力低，是滑坡形成的高危災(zāi)害體，隧道施工時更易誘發(fā)松散堆積體的失穩(wěn)破壞。

日地1號隧道洞身段穿越巖性較為單一，以花崗巖與閃長巖為主，圍巖穩(wěn)定性較高。但進出口位置均需穿越松散堆積體(不穩(wěn)定斜坡)，其中出口覆蓋層為第四系全新統(tǒng)崩塌坡積層與日地溝溝底的洪積堆積體，富含卵礫石，厚度較大，自然坡度為38°～46°。施工過程中揭示的松散堆積體密實程度較差，拱部圍巖自穩(wěn)能力差、自穩(wěn)時間短，無支護或支護不到位時，曾多次出現(xiàn)掉塊與小范圍坍塌，且二次襯砌澆筑后普遍產(chǎn)生了縱向、環(huán)向與斜向裂紋。

(a) 二次襯砌軸力

(b) 二次襯砌彎矩

(c) 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

3.3.1 圍巖壓力演化規(guī)律

日地1號隧道圍巖-初期支護接觸壓力的變化曲線如圖11所示?？梢钥闯觯?1)隧道開挖后，松散堆積體穩(wěn)定性受到擾動，支護結(jié)構(gòu)需要承受較大圍巖壓力以抵抗坡體變形； 2)隧道深埋左側(cè)圍巖壓力較大(需要近100 d才能穩(wěn)定)，淺埋右側(cè)圍巖壓力較小(30 d左右能夠逐漸穩(wěn)定)，存在明顯的偏壓特性； 3)左拱肩位置圍巖壓力最大，達到1 173 kPa，淺埋側(cè)右側(cè)圍巖壓力為433 kPa，非對稱系數(shù)達到2.71； 4)隧道下臺階開挖后，呈現(xiàn)出明顯的偏壓特征，右拱腰的接觸壓力為左拱腰的2.29倍。

圖11 日地1號隧道圍巖壓力演化規(guī)律

3.3.2 二次襯砌力學(xué)行為演化規(guī)律

日地1號隧道二次襯砌力學(xué)行為的演化曲線如圖12所示?？梢钥闯觯?1)由于圍巖壓力主要集中在深埋左側(cè)，導(dǎo)致日地1號隧道左拱肩與右拱腰位置的彎矩較大，左拱腰與右拱肩位置的軸力較大。2)隧道二次襯砌的非對稱受力特性顯著，最大軸力出現(xiàn)在右拱肩，達到4 893 kN；左拱肩的軸力相對較小，為1 034 kN，其非對稱系數(shù)達到4.16。3)最大正彎矩出現(xiàn)在左拱肩，為186.1 kN·m； 最大負彎矩出現(xiàn)在右拱肩，為 -140.4 kN·m。

由于松散堆積體中開挖隧道容易破壞坡體穩(wěn)定性，坍塌失穩(wěn)風(fēng)險高，圍巖對施工擾動極為敏感，使得日地1號隧道支護結(jié)構(gòu)受力具有波動性增長特征，多次趨于穩(wěn)定后又快速上升，二次襯砌施工約120 d后才能基本穩(wěn)定下來。由結(jié)構(gòu)安全系數(shù)演化規(guī)律(見圖12(c))可知： 1)淺埋偏壓隧道二次襯砌受力較大，偏壓荷載主要集中在深埋左側(cè)，隧道開挖后其安全系數(shù)降速最快，但隨其軸力的持續(xù)增長，該位置的安全系數(shù)在40～70 d有所提升。2)二次襯砌施作60 d后，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)才逐漸趨于穩(wěn)定，120 d后可基本穩(wěn)定。由于右拱肩的軸力較大，導(dǎo)致該位置的安全系數(shù)最低，僅為1.85?？傊?dāng)隧道洞口穿越淺埋偏壓松散堆積體時，支護結(jié)構(gòu)受力較大，且具有顯著的偏壓特性，有必要增加二次襯砌厚度與加固周邊松散圍巖，同時減少對堆積體的擾動，以確保支護結(jié)構(gòu)的安全性能。

(a) 二次襯砌軸力

(b) 二次襯砌彎矩

(c) 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

3.4 高地應(yīng)力對支護結(jié)構(gòu)受力特性的影響分析

淺部地層，圍巖變形主要受自重應(yīng)力場控制，進入深部地區(qū)，水平構(gòu)造應(yīng)力場將隨著地層埋深的增大而逐漸升高。越來越多的工程實踐表明，高地應(yīng)力區(qū)的初始地應(yīng)力場不僅對巖體的力學(xué)性質(zhì)及其變形破壞機制具有顯著影響，也改變著支護結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為。但地應(yīng)力場一般不能獨立決定支護結(jié)構(gòu)的受力特性，深埋硬巖與軟巖隧道的圍巖變形特征與結(jié)構(gòu)力學(xué)行為具有巨大差異。如圖13所示，隧道開挖后的圍巖變形量與圍巖強度應(yīng)力比存在冪指數(shù)變化規(guī)律，也就是說高地應(yīng)力一般與圍巖強度聯(lián)合控制著圍巖變形與支護結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為[15]。分別選取2座典型的高地應(yīng)力硬巖隧道(二郎山隧道)與高地應(yīng)力軟巖隧道(鷓鴣山隧道)，開展支護結(jié)構(gòu)受力現(xiàn)場測試，從而揭示高地應(yīng)力對隧道受力特性的影響。

圖13 圍巖變形量與強度應(yīng)力比的關(guān)系曲線

Fig. 13 Relationship curve between deformation and strength-stress ratio

3.4.1 高地應(yīng)力硬巖隧道(二郞山隧道)

3.4.1.1 圍巖壓力演化規(guī)律

二郎山隧道圍巖以二長花崗巖為主，單軸壓縮強度為86.3 MPa。一般在這樣的硬質(zhì)地層開挖隧道，支護結(jié)構(gòu)基本不需要承擔(dān)荷載。但測試斷面埋深1 013 m，現(xiàn)場實測最大主應(yīng)力高達25.6 MPa，為典型的高地應(yīng)力硬巖隧道，施工過程中多次發(fā)生以巖爆為代表的非線性動力災(zāi)害。二郎山隧道圍巖壓力演化規(guī)律如圖14所示。可以看出： 1)以花崗巖為代表的硬脆性巖體具有較高的自穩(wěn)能力，但高地應(yīng)力狀態(tài)下，支護結(jié)構(gòu)也會面臨圍巖的持續(xù)擠壓； 2)最大圍巖壓力發(fā)生在左右拱腰位置，為164.9 kPa，其次是拱頂位置，拱肩最小。

圖14 二郎山隧道圍巖壓力演化規(guī)律

Fig. 14 Evolution law of surrounding rock pressure in Erlangshan Tunnel

和軟弱圍巖隧道的持續(xù)擠壓與強流變特性相比，二郎山隧道的圍巖壓力在30 d后可基本穩(wěn)定下來，但在30～300 d，左右拱腰的接觸壓力又分別增加了16.9%和23.4%(其他位置基本不變)，表明硬巖隧道在高地應(yīng)力狀態(tài)下也具有時效破裂機制，也會像軟巖隧道一樣存在一定程度的流變特性[16]。雖然其圍巖壓力較小、支護結(jié)構(gòu)受擠壓程度較低，但在后期服役狀態(tài)下仍然存在波動的可能。

3.4.1.2 二次襯砌力學(xué)行為演化規(guī)律

二郎山隧道二次襯砌力學(xué)行為的演化曲線如圖15所示?？梢钥闯觯?1)最大軸力位于拱頂位置，為735.1 kN；彎矩最大值位于左拱腰位置，為30.8 kN·m。2)二次襯砌軸力穩(wěn)定較快，施作40 d后便可基本穩(wěn)定，但二次襯砌彎矩需要約150 d才能逐漸穩(wěn)定。3)根據(jù)其結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的變化規(guī)律，可以分為0～30 d以較快速度降低，30～100 d逐級穩(wěn)定， 100 d后基本不再變化3個階段。

(a) 二次襯砌軸力

(b) 二次襯砌彎矩

(c) 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

Fig. 15 Mechanical behavior of secondary lining in Erlangshan Tunnel

綜上，由于硬質(zhì)圍巖的強度較大、穩(wěn)定性較好，支護結(jié)構(gòu)受力往往不大，使其安全儲備較高(最小安全系數(shù)為13.5)。但高地應(yīng)力狀態(tài)下，支護結(jié)構(gòu)受力特性也存在一定的時效特性，在后期服役狀態(tài)下也不可輕視。

3.4.2 高地應(yīng)力軟巖隧道(鷓鴣山隧道)

3.4.2.1 圍巖壓力演化規(guī)律

和二郎山隧道類似，鷓鴣山隧道測試斷面的埋深也高達848 m，現(xiàn)場實測的最大主應(yīng)力為26.3 MPa。但其圍巖以炭質(zhì)千枚巖為主，單軸壓縮強度為17.9 MPa，僅為二郎山花崗巖的20.7%，且層理極為發(fā)育，呈薄片狀構(gòu)造，具有顯著的各向異性力學(xué)特性與各向異性破壞機制。鷓鴣山隧道開挖過程中揭示的千枚巖傾角約48°，圍巖變形與支護結(jié)構(gòu)破壞呈現(xiàn)出明顯的非對稱特征，主要集中在沿層理面法線方向兩端的左拱肩與右拱腳位置。

鷓鴣山隧道圍巖壓力變化曲線如圖16所示?？梢钥闯觯?1)其演化規(guī)律與高地應(yīng)力硬巖隧道截然不同。高地應(yīng)力軟巖隧道由于圍巖力學(xué)性質(zhì)較差且具有顯著的流變特性，導(dǎo)致隧道開挖后圍巖往往不能自穩(wěn)，對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生持續(xù)擠壓作用。使得隧道支護結(jié)構(gòu)常常需要承受較大的擠壓荷載，且需要很長的時間才能逐漸穩(wěn)定下來。2)隧道開挖200 d后，圍巖對初期支護的擠壓荷載仍然在緩慢增長。3)受層狀千枚巖巖體各向異性力學(xué)特性影響，沿層理面法線方向兩端的左拱肩與右拱腰的圍巖壓力最大，達到658 kPa。4)在層理面兩端的右拱肩與左拱腰的圍巖壓力相對較小，為173 kPa。5)對比左右拱肩的圍巖-初期支護接觸壓力，其不均勻系數(shù)為1.81，而左右拱腰圍巖壓力不均勻系數(shù)達到3.64。

圖16 鷓鴣山隧道圍巖壓力演化規(guī)律

Fig. 16 Evolution law of surrounding rock pressure in Zhegushan Tunnel

3.4.2.2 二次襯砌力學(xué)行為演化規(guī)律

高地應(yīng)力軟巖隧道施工過程中初期支護往往不能承受全部的圍巖荷載，二次襯砌也需成為主要的承載結(jié)構(gòu)。且隧道施工完成后會受到高應(yīng)力的強烈擠壓作用，加上軟巖本身具有的流變力學(xué)特性，使得二次襯砌在施作后其受力會一直持續(xù)增長。鷓鴣山隧道二次襯砌力學(xué)行為的演化曲線如圖17所示。

(a) 二次襯砌軸力

(b) 二次襯砌彎矩

(c) 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

Fig. 17 Mechanical behavior of secondary lining in Zhegushan Tunnel

由圖17可以看出： 1)最大軸力出現(xiàn)在沿層理方向端部的右拱肩位置，達到3 850 kN； 最小軸力位于層理面法線方向端部的左拱肩位置，為1 160 kN。受到沿層理面法線方向的非對稱擠壓荷載作用，鷓鴣山隧道二次襯砌需要承受較大彎矩。最大正彎矩在左拱肩，為172 kN·m，最大負彎矩位于右拱肩，為-129 kN·m。2)二次襯砌施作后其軸力與彎矩快速增長，約20 d后增速減緩，但仍然保持快速增長。截至到200 d，由于高應(yīng)力軟弱圍巖的持續(xù)擠壓作用，其受力仍然在緩慢增長，說明高地應(yīng)力軟巖隧道在施工完成初期就需要考慮圍巖的流變特性。3)與高地應(yīng)力硬巖隧道相比，高地應(yīng)力軟巖隧道二次襯砌的安全系數(shù)大幅下降。鷓鴣山隧道左拱肩位置由于受千枚巖層理面法線方向擠壓荷載的強烈作用，其二次襯砌安全系數(shù)最低，為3.50，拱頂與左拱腰的安全系數(shù)相對較高。但由于二次襯砌軸力與彎矩的收斂時間長，施工200 d后仍然在逐漸增長，使其安全系數(shù)在后期一定還會持續(xù)下降。

綜上，高地應(yīng)力軟巖隧道對支護結(jié)構(gòu)的擠壓作用強烈，且層狀地層中還具有顯著的非對稱特征。施工過程中，可采用定向錨固、局部注漿等方案加固圍巖，以提高其自承載能力。在降低支護結(jié)構(gòu)受力的同時，也需要進一步提高與優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)體系。在后期營運過程中，高地應(yīng)力軟巖隧道更是面臨圍巖流變效應(yīng)、支護結(jié)構(gòu)劣化、強震與余震等風(fēng)險因素的挑戰(zhàn)，更需密切關(guān)注支護結(jié)構(gòu)的安全性能狀態(tài)。

4 結(jié)論與建議

選取我國西南部山區(qū)多座不同危險源環(huán)境下的隧道工程，對其施工期支護結(jié)構(gòu)的受力特征進行了現(xiàn)場實測，重點分析了軟弱圍巖、斷層破碎帶、地形偏壓、高地應(yīng)力、軟巖流變效應(yīng)等因素對隧道支護結(jié)構(gòu)體系力學(xué)行為演化規(guī)律的影響，主要結(jié)論與建議如下。

1)當(dāng)隧道穿越軟弱圍巖時，由于軟巖強度低、自承載能力差，接觸壓力、鋼拱架應(yīng)力均顯著高于普通圍巖隧道，二次襯砌分?jǐn)偤奢d比例也明顯較高，承受著較大的軸力和彎矩，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)較低。建議當(dāng)隧道施工進入軟弱圍巖地層時，加強支護結(jié)構(gòu)體系剛度，可采用管棚、長錨桿注漿等方法加固隧道周邊圍巖，以降低二次襯砌的分?jǐn)偙壤Ｕ纤淼腊踩┕ぁ?/p>

2)當(dāng)隧道穿越斷層破碎帶時，二次應(yīng)力場調(diào)整時間較長，再加上圍巖松散破碎，面臨持續(xù)擠壓，支護結(jié)構(gòu)受力需要較長時間才能穩(wěn)定下來。其力學(xué)行為呈現(xiàn)出3階段演化規(guī)律： 前期快速降低、中期緩慢降低、后期基本穩(wěn)定。建議當(dāng)隧道穿越斷層破碎帶時，加強超前地質(zhì)預(yù)報，盡早預(yù)測前方圍巖性質(zhì)變化，同時提高和優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)體系。可采用超前支護、注漿堵水等方案，從而避免圍巖發(fā)生碎裂坍塌。

3)當(dāng)隧道洞口穿越松散堆積體時，坡體穩(wěn)定性易受到擾動，支護結(jié)構(gòu)承受巨大圍巖壓力以抑制坡體變形。同時，其支護結(jié)構(gòu)力學(xué)行為具有顯著的偏壓特性，圍巖壓力主要集中在深埋側(cè)，二次襯砌軸力與彎矩的非對稱系數(shù)最高可達4.16，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低。建議當(dāng)隧道洞口穿越淺埋偏壓松散堆積體時，增加二次襯砌厚度并加固周邊松散圍巖，同時減少對堆積體的擾動，以確保支護結(jié)構(gòu)的安全性能。

4)高地應(yīng)力與圍巖強度聯(lián)合控制著圍巖變形與支護結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為。高地應(yīng)力硬巖隧道也具有一定的流變時間效應(yīng)，但由于硬質(zhì)圍巖的強度較大、穩(wěn)定性較好，支護結(jié)構(gòu)受力相對較小，安全儲備較高(最小安全系數(shù)為13.5)。高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力與結(jié)構(gòu)受力則顯著升高，且由層狀巖體層理弱面效應(yīng)控制，具有顯著的非對稱特征，圍巖壓力與支護結(jié)構(gòu)破壞主要集中在層理面法線方向兩端。其支護結(jié)構(gòu)力學(xué)行為在施工期便呈現(xiàn)出明顯的流變特性，開挖約200 d后，仍然保持緩慢增長。建議當(dāng)隧道穿越高地應(yīng)力圍巖(尤其是軟弱圍巖)時，施工過程中可采用定向錨固、局部注漿等方案加固圍巖，以提高其自承載能力。在降低支護結(jié)構(gòu)受力的同時，也需要進一步提高與優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)體系。

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