１９８ 西部探矿工程 ２０１２年第１期 深埋隧道穿煤段围岩一支护结构变形特征研究 周华东 ，黄 翎，陈 果 （重庆市轨道交通＜集团＞有限公司，重庆４０００４２） 摘要：利用围岩位移、锚杆轴力和钢拱架压力等现场监测和有限元数值模拟分析了通渝隧道穿煤段 隧道穿过煤段围岩一支护结构变形特征及稳定性分析。研究结果表明：穿煤段受高地应力与岩体结 构影响，围岩初期变形剧烈，位移释放量大，整个变形持续时间长，拱顶下沉尤为显著，下沉量约为水 平收敛的３倍；围岩浅部较深部变形快、大，且松动圈为２．５～３．０ｍ；隧道环向受力不均等特征。这为 深埋隧道穿越煤段设计和施工提供了重要科学依据。 关键词：深埋隧道；固岩一支护结构；变形特征；稳定性；数值模拟 中图分类号：Ｕ４５５．７文献标识码：Ａ文章编号：１ｏ０４—５７１６（２０１２）Ｏ１一Ｏ１９８—０４ １概述 岩周边位移、锚杆轴力、围岩内变形、钢拱架压力量测等 通渝隧道位于重庆市城口县与开县交界处，为山岭 项目进行现场监测，其监测断面布置如图１所示。 重丘二级越岭公路隧道，呈“人”字形斜坡，全长４２７９ｍ， 最大埋深１０３０ｍ，属双向行驶的单洞两车道越岭特长隧 道。隧址区位于四川盆地边缘的雪宝山区，属强烈切割 的溶蚀高中山地貌，山岭走向呈ＮＷｗ—ＳＥＥ向，地形 坡度在５Ｏ。左右，槽谷两侧呈“Ｖ”字型冲沟发育。隧道 穿越寒武系一三叠系大冶组（Ｔ１ ）及第四系松散层，地 质构造复杂，自北而南穿越八台山一大宁厂向斜和甘泉 背斜。隧址区岩溶发育，地应力水平高，且煤层发育，对 隧道围岩稳定性有重要的影响［１ 。 通渝隧道Ｋ２２＋１６０￣Ｋ２２＋１９０（Ｃ２煤层）软弱围 岩段埋深达９００多米，煤层厚度为３．０ｍ，该段顶底板岩 图１各种量测断面测点布置图 性为铝土岩和松散的粉砂岩夹泥岩，且岩石较破碎，其 ①拱顶下沉测点（水准仪）；②水平收敛测点（收敛计）；③锚 开挖方法采用上下台阶开挖，支护参数为Ｃ２０喷射混 杆轴向力；④钢拱架压力 凝土厚２５ｃｍ，锚杆为 ２２ｍｍ、长度为Ｌ一３．５ｍ、间距 为ｌＯ０ｃｍ×１００ｃｍ，钢筋网 ６．５ｍｍ、间距为２０ｃｍ× ２．１围岩位移量测 ２０ｃｍ，工字钢间距０．８ｍ。为了分析穿煤段围岩一支护 穿煤层段隧道Ｋ２２＋１８２断面水平收敛和拱顶下 结构变形特征及稳定性，利用现场监测和数值模拟进行 沉位移及速率如图２和图３所示。根据图２与图３，可 分析研究，为类似工程提供重要的设计依据。 看出该断面围岩周边位移变化的特征： ２围岩变形特征 围岩变化可分为３个阶段：①急剧增长阶段，出现 在隧道施工过程中，对围岩变形进行现场量测，可 在开挖后的０￣ｌｌｄ（水平）和０￣１９ｄ（拱顶），当日变形 及时获取围岩变形量的动态信息，并反馈于修正支护参 速率达２．７６ｍｍ／ｄ（水平）和０．１ｍｍ／ｄ（拱顶），该阶段 数及施工措施的预设计。这是新奥法的基本特点，也是 的位移量达位移总量的８０ （水平）和８４ （拱顶）；② 信息化施工的实质［３］。在穿越煤层段Ｋ２２＋１６０～ 缓慢增长阶段，出现在开挖后的１２～２７ｄ（水平）和２Ｏ～ Ｋ２２＋１９０时，为了分析围岩一支护结构变形特征，从围 ４７ｄ（拱顶），当日变形速率范围为０．３ｍｍ／ｄ（水平）和 ＊收稿日期：２０１１—０３—３１修回日期：２０１１－０４－１４ ． 第一作者简介：周华东（１９７３－），￣（ｔｔＹｔ），陕西汉中人，工程师，现从事城市轨道交通工程管理工作・ ２０１２年第１期 西部探矿工程 １９９ ３０ ２５ ２Ｏ ｌ５ １０ ５ Ｏ ０ ｌＯ ２Ｏ ３Ｏ ４Ｏ ５Ｏ ６Ｏ ７Ｏ ｔ（ｄ） 图２ Ｋ２２＋１８２断面收敛位移特征 １００ １２ ８Ｏ １０ ｇ ６Ｏ ８ 鲁 ６ ４Ｏ ４ ２０ ２ Ｏ Ｏ ０ ｌＯ ２Ｏ ３Ｏ ４０ ５０ ６Ｏ ７０ ｌ（ｄ） 图３ Ｋ２２＋１８２断面拱顶下沉位移特征 １．Ｏｍｍ／ｄ（拱顶），该阶段的位移量达位移总量的１１ （水平）和１４ （拱顶）；③趋向稳定阶段，开挖后２８～ ６０ｄ（水平）和４８～６０ｄ（拱顶），当日变形速率在 ０．１３ｍｍ／ｄ（水平）和０．１Ｏｍｍ／ｄ（拱顶）以下，该阶段的 位移量达位移总量的９ （水平）和２ （拱顶）。水平收 敛位移主要在开挖后前ｌＯｄ产生，当日变形速率降到 ０．１ｍｍ／ｄ以下需要时间为３５ｄ，且总的收敛位移不大。 而拱顶下沉初期变形显著，开挖后的３～４ｄ当日变形速 率达１１．２５ｍｍ／ｄ，且下沉缓慢，当日变形速率降到 ０．１ｍｍ／ｄ以下需要的时间在６０ｄ。拱顶下沉比水平收 敛位移大，而且收敛速度要慢得多，这与隧道的埋深和 围岩的物理力学性质、破碎程度、倾角、倾向、隧道轴线 方向及开挖方法有直接关系。 ２．２锚杆轴力量测 锚杆轴力量测设备采用电测式的钢量测锚杆。根 据经验和文献资料［４］，在拱肩部位锚杆受力显著，故在 Ｋ２２＋１８８断面只布置了左右拱肩，其中５２３＃、５３４＃、 ５５４＃的埋深分别为２．８ｍ、１．６ｍ、０．４ｍ，５９３＃、５８５＃、 ５３５＃的埋深分别为２．８ｍ、１．６ｍ、０．４ｍ，左右锚杆轴力 时程曲线和锚杆轴力分布图如图４和图５所示。 根据图４和图５，该典型断面锚杆轴力变化特征 为：随着时间的增长，浅部和中部测点的轴力都逐渐增 大，深部测点的轴力变化不大。左侧浅部和中部测点的 ： ５ ５３４＃１ 誊 ≈２ ０ ２ ４ ６ ８ Ｊ０ １２ ，（ｄ） 图４ ＩＧ１２＋１８８断面左右侧锚杆轴力时程曲线 ： 喜： Ｏ －２ 围岩深度（ｍ） 图５ Ｋ２２＋１８８断面左右侧锚杆轴力分布图 轴力在开挖后前３ｄ增长很快，第３ｄ时就增大到近 ５ｋＮ，随后呈缓慢增长的趋势，且呈上下波动。浅部测 点的轴力呈快速增长一缓慢增长一趋于平稳的特征，中 部测点的轴力呈平缓一上升一平缓的特征。左侧浅部 和中部测点的轴力值比较接近，右侧浅部和中部测点的 轴力值相差较大。随着埋深的增加，轴力呈由零逐渐增 大，然后逐渐减小到零的变化，即锚杆轴力呈中间大两 端小的分布，最大值靠近浅部的一侧。围岩松动圈约为 ２．５ｍ与围岩内变量测出的松动圈约为２．７ｍ相差较 小。 ２．３钢拱架压力量测 钢拱架压力量测设备采用钢弦测压力计。根据经 验和文献资料［４］，在肩部位和拱顶钢拱架显著，故在 Ｋ２２＋１７９断面的右拱肩、拱顶和左拱肩分别布置了 ９０４＃、８９１＃、１２４＃钢弦测压仪，量测结果如图６所示。 根据图８钢拱架变化特征为：拱顶和拱肩的压力都 比较大，说明深埋煤层段围岩隧道的地压是很大的，而 截面积和惯性矩都不大的钢拱架能承受如此大的压力 表明地下结构的受力性能好与地面结构。拱肩比拱顶 的压力大，主要原因是拱顶的围岩存在一定的松弛，使 得其对钢拱架的抗力刚度比拱肩部位小以及钢拱架存 ２００ 西部探矿工程 ２０１２年第１期 Ｏ．８ Ｏ．６ 皇ｏ＿４ ０．２ ０ ０ ４ ８ １２ １６ ２Ｏ ２４ ２８ ｔ（ｄ） 图６ Ｋ２２＋１７９断面钢拱架压力时程曲线 在一定的安装质量，导致拱顶发生相对较大的变形而钢 拱架的受力相对较小。右侧拱肩的压力右比左侧的大， 出现此现象的主要原因是右侧的地下水比左侧的丰富 而使右侧围岩的地质状况比左侧差。拱顶和拱肩的压 力随时间的变化呈快速增长一缓慢增长一快速增长一 缓慢增长的变化，表明钢拱架压力受施工作业影响较 大。 ３围岩一支护结构数值模拟 为了检验穿煤段监测资料的正确性，分析穿煤段围 岩变形、应力特征，进行了模拟隧道施工动态的有限元 数值分析［引。 ． ３．Ｉ计算模型与参数取值 根据通渝隧道隧址区地貌和工程地质特征，建立如 图７所示有限元分析模型［６］。模型的上边界取至地表， 为隧道实际埋深，左、右侧边界和底部边界取隧道宽度 的１Ｏ倍；模型的边界条件采用位移边界条件，顶部无约 束，左、右侧受水平方向约束，底部受竖向方向约束。 模型中的有限元单元采用二维等参四边形单元；网 格划分采用四边形，在开洞部位及周围密分；屈服条件 采用摩尔一库仑破坏准则。计算参数：岩石力学参数： Ｅ—Ｉ１００ＭＰａ， 一０．３５，ｙ一２６．２ｋＮ／ｍ￣， 一３２。，Ｃ一 ０．８ＭＰａ，测压系数Ｋ一１．０；Ｃ２０喷射混凝土Ｅ－－２．５× １０ ＭＰａ， 一０．１６６７，ｙ一２４ｋＮ／ｍ３， —５２．６４。，Ｃ一 １．８ＭＰａ。锚杆参数为：Ｅ＝２．０×１０８ＭＰａ，ｊ２『＝２２ｍｍ， 长度Ｌ＿－３．５０ｍ。钢支撑参数：Ｅ一２．０×１０８ＭＰａ，／ｚ＝ ０．２６，Ｉ＝３．０×１０～。ｍ ，Ａ一１．５２×１０一。ｔｎ２。 由于通渝隧道埋深大，地应力高，围岩相对软弱，故 采用上、下台阶法开挖 ３．２围岩周边位移 现对上下台阶法开挖方式下围岩内表面的周边位 移进行分析。由于对称性，只对左侧的围岩表面进行位 圈７有限元计算模型及网格划分 移采样，如图８所示，采样点的水平位移 和“，竖向 位移值如表１所列。 图８采样点位置图 表ｌ采样点周边位移 水平方向 最大值在采样点３起拱线处： ３６．５８ｍｍ，拱顶下沉 最大值在采样点６拱顶处： ２０１２年第１期 西部探矿工程 ２０１ １６０．６０ｍｍ，与实际量测值水平收敛相差了１１．０８ｍｍ， 拱顶下沉相差了７６．３３ｍｍ，它们接近实际量测值，水平 收敛值均较小，拱顶均较大。计算的位移比实测的要 大，其原因是实际量测时围岩已经释放了一部份位移而 模拟的结果是累加了整个过程的全部位移，也存在围岩 参数的取值与实际情况有出入的可能。 ・ ３．３屈服接近度分布 根据弹塑性力学理论［７］，材料进入塑性的程度， 即屈服接近度或破坏接近度。当破坏接近度 １， 通渝隧道穿煤层段现场监测了围岩变形及应力特 征，并用有限元数值模拟验证了监测数据的正确性，其 结果表明： （１）围岩位移变形分急剧增长阶段、缓慢增长阶段 和趋向稳定阶段三个阶段；拱顶下沉与水平收敛相比 较，初期变形显著，变形量约为水平收敛的３倍，下沉缓 慢，收敛时间长达６０ｄ。 （２）根据锚杆轴力变化得出，围岩浅部变形呈快速 增长一缓慢增长一趋于平稳的特征；围岩深部呈平缓一 表示材料发生塑性破坏。隧道分台阶开挖支护完成 上升一平缓的特征；围岩松动圈为２．５～３．Ｏｍ。 后，即第８步施工步时，围岩及支护结构的屈服接近 （３）隧道环向受力不均，应力集中主要在拱肩、拱脚 度分布特征如图９所示，据此图可以得出塑性区主 和上下台阶分界处。且呈拱肩大于拱顶的趋势。 要在拱肩及曲墙底脚部位呈４５。方向扩展；开挖的最 这为深埋隧道穿越煤段的设计和施工提供了重要 大屈服接近度值出现在上下断面结合部位即起拱线 的科学依据。 附近；开挖的屈服区沿环向分布很不均匀，在拱肩、 曲墙和拱脚处分布较深，大约为３．０ｍ，这验证了锚 参考文献： 杆轴力得出的围岩松动圈。 ［１］靳晓光，李晓红，艾吉人，等．某深埋长隧道地应力演化及 围岩应力位移模拟研究ｒＪ］．水文地质工程地质，２００４，３１ （１）：４０－４３． ［２］靳晓光，李晓红，杨春和，等．深埋隧道围岩一支护结构稳 定性研究［Ｊ］．岩土力学，２００５，２６（９）：１４７３—１４７６． ［３］李世辉，吴向阳，李振明．新奥法设计新技术——典型类比 分析法［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９９，１８（增）：８４７—８５１． ［４］李晓红．隧道新奥法及其量测技术［Ｍ］．北京：科学出版 社，２００１． ［５］李晓红，靳晓光，卢义玉，等．西山坪隧道穿煤及采空区围 岩变形特性与数值模拟研究Ｉ－Ｊ］．岩石力学与工程学报， ２００２，２１（５）：６６７－６７０． Ｅ６－１王建华．深埋隧道软弱围岩与初期支护相互作用研究［Ｄ］． 重庆：重庆大学硕士论文，２００４． 图９屈服接近度分布图 ［５］焦斌权，靳晓光，李晓红，等．岩溶区隧道围岩一支护体系 稳定性研究Ｄ］．中国地质灾害与防治学报，２００４，１５（２）： ７８—８２． ４结论 （上接第１９７页） 参考文献： 践证明是有效的。采用该方法，不仅同样能够按设计规 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