陈锦涛，韩爱果，任光明
（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）
摘 要：为研究铁路隧道开挖过程中的岩体力学行为，评价隧道稳定性，以西南地区某隧道软岩为研究对象，对其支护结构进行应力监测。根据现场施工状况与监测结果，分析围岩和支护结构的应力状态等信息，进而可以修正设计、优化施工方案，从而确保结构稳定性和隧道安全；同时采用二维有限元Phase进行数值模拟，计算钢拱架及钢筋混凝土的安全系数，判断支护结构的稳定状态。研究的方法、结论可为类似条件下隧道工程的设计、施工、监测和进一步的理论研究提供参考和借鉴，具有一定的工程应用价值。
关键词：地下工程；软岩隧道；应力监测；支护结构；安全系数
随着我国资源开发和基础设施建设的不断发展，隧道建设进入了快速发展时代。在软弱围岩地区修建铁路隧道也屡见不鲜，隧道施工在种种恶劣条件下给研究人员和施工人员提出更高的要求。近年来，在软弱围岩隧道的施工和运营过程中不断出现各种围岩失稳问题，对软岩隧道围岩的应力监测、研究十分必要。Karmen F B等［1］采用三维收敛测量方法对斯洛文尼亚某公路隧道断面衬砌和围岩应力及位移监测，分析NATM施工支护的稳定性。陈耕野等［2］对喷层应力与锚杆轴力进行了监测，基于此对韩家岭隧道围岩稳定性进行评估。雷军等［3］对乌鞘岭隧道围岩及衬砌结构进行了多项应力及变形监测，监测成果有效反映了围岩—衬砌系统应力和位移的变化规律，基于监测成果初步探讨了该隧道围岩挤压大变形的形成机制。黄强［4］综合采用监测技术和数值模拟对江西某公路隧道围岩及初衬的应力变化规律进行了研究。周艺等［5］基于支护参数优化，对5种方案施工过程进行三维数值模拟，并与现场监测值对比分析，研究施工过程中隧道结构的安全性和围岩稳定性。熊安祥等［6］通过对相邻已建隧道的监测，对其进行支护加固及施工方案的优化，确保新杨柳湾隧道安全的施工。李维华等［7］从隧道设计、施工工艺方面分析喷锚衬砌在无二衬支护的卡迈尔公路隧道中的应用。陈远志等［8］通过对河北省某高速公路隧道围岩多项应力监测，基于监测成果分析发现初支结构和围岩相互协调，共同制约围岩变形。王树英等［9］针对围岩流变大变形，对支护结构参数进行了调整，通过支护结构应力监测分析结构稳定性。刘建美等［10］基于数值计算，并根据工程地质情况对照监测数据分析深圳某地铁隧道下穿既有地铁站变形规律。宋桂锋等［11］根据现场监测结果分析云南某上穿公路隧道的围岩和支护结构的变形及受力特点。邓洪亮等［12］通过有限元分析软件和现场监测，研究了黄董坡隧道围岩位移及应力变化规律，并总结出隧道开挖过程中重点支护部位。魏龙等［13］运用FLAC3D软件及现场应力量测，对甘肃省某隧道支护结构多项应力、位移变化规律进行研究，从而分析破碎围岩支护结构稳定性。隧道围岩开挖后应力释放，在应力重分布的影响下，围岩应力、应变表现出各种变化状态，所以在施工过程中进行适时的应力监测并及时进行数据整理、分析、反馈是动态设计和动态施工的主要依据。本文根据西南地区某铁路隧道现场应力监测工作，对在建隧道施工洞段支护结构的受力发展规律进行研究，从而分析支护结构稳定性，其成果可为本隧道后续的设计变更和安全施工提供科学依据，也可为今后类似工程的深入研究提供参考。
该隧道为一傍山隧道（见图1），最大埋深约750 m，地处川西北高山峡谷区，地势总体北高南低；隧道段出露三叠统杂谷脑组（T2z）、侏倭组（T3zh）、新都桥组（T3x）地层，主要岩性为砂岩、板岩及千枚岩。区域构造复杂，地处由龙门山断裂、西秦岭褶皱断裂和岷江断裂组成的“A”字形构造地带；地下水类型为基岩裂隙水及少量岩溶水，受大气降水及地表水补给；应力实测结果表明：隧址区以NW—SE向挤压应力为主，洞身附近最大水平主应力约15 MPa，隧址区属于典型的高地应力区。复杂的地质背景，多期强烈构造活动的先后作用，加之汶川地震的显著影响，使隧道软硬互层围岩极为破碎，围岩完整性差、强度低、自稳能力弱。
图1 隧道纵断面图
为研究施工期间隧道软弱围岩稳定性，支护结构是否安全、合理，在隧道Ⅴ级围岩洞段布设6组断面进行现场监测，限于篇幅，本文选择最具有代表性的DK220＋580断面进行分析研究，测点布置如图2所示。隧道支护结构的受力状态是围岩稳定性的直接表现，因此在支护结构方面开展的监测项目有围岩压力、锚杆轴力、初支喷射混凝土应力、钢拱架应力和二衬混凝土应力，除围岩压力其余项目数据均表现为拉正压负。量测仪器采用四川金马科技有限公司SCJM振弦测试仪，各监测项目均每天一次，直至基本稳定为止。
图2 各项目测点布置图
2．2．1 围岩压力
围岩压力监测是为了判断随着隧道围岩开挖的进行，围岩与喷射混凝土之间的相互作用，分析初期支护的承载作用。如上图2所示，分别在拱顶，左右拱肩、边墙、拱脚及仰拱埋设8个测点，根据监测数据做出围岩压力图（见图3），由图3分析可知：围岩初期支护接触压力的最大值为1．82 MPa；围岩初期支护接触压力分布不均匀，拱肩及拱顶相对较大，左拱肩约为 1．06 MPa，右拱肩约为 1．82 MPa，存在偏压；围岩初期支护接触压力在边墙和仰拱底部较小，因此现阶段不存在仰拱鼓起现象。
图3 围岩压力图（单位：MPa）
2．2．2 锚杆轴力
隧道施工中采用锚杆能最大限度的利用和发挥围岩的自承能力。由锚杆轴力图4分析可知：拱顶及右拱肩处锚杆基本受压，左拱肩及两侧边墙处锚杆基本受拉；左边墙处锚杆最大拉应力约为18．63 MPa，右拱肩处锚杆最大压应力约为12．1 MPa，均在锚杆安全强度值范围内；左拱肩及边墙锚杆处于受拉状态，右拱肩处锚杆处于受压状态，能够有效阻止支护结构变形。同时由锚杆受拉和受压，可以看出围岩变形的拉压性质随深度的变化规律。
图4 锚杆轴力图（单位：MPa）
2．2．3 钢拱架应力
钢拱架的施作能够在喷射混凝土作用前支撑围岩、对喷射混凝土进行补强，同时与锚杆、喷射混凝土共同发挥初期支护作用。由钢拱架受力图5分析可知：钢拱架应力分布不均匀，拱顶及右墙角应力较大，均为受压状态；钢拱架外侧压应力较大，拱顶处压应力约为 363．28 MPa，右墙脚处压应力约为388．25 MPa；钢拱架内侧压应力大，拱顶处内侧压应力约为206．41 MPa，右墙脚处内侧压应力约为 490．77 MPa，由此可知钢拱架支护结构右墙脚处压应力大于《钢结构设计规范》［14］（GB 50017—2003）中规定的 Q235 钢材的抗拉、抗压极限强度375 MPa；在施工过程中，钢拱架除左墙脚一个测点为较小拉应力外，其余全部为压应力，由此可知钢拱架结构处于受压状态。
图5 钢拱架受力图（单位：MPa）
2．2．4 初支喷射混凝土应力
初支喷射混凝土可以和锚杆在隧道开挖后对围岩变形起到及时的控制约束作用。由图6分析可知：初期支护主要为受压状态，拱部混凝土压应力较大，两拱肩处最大压应力约为31．57 MPa，压应力相对较大，喷射混凝土可能有压溃、剥落等现象发生，因此需要增加监测频率，注意观察，仰拱处初期支护喷射混凝土压应力较小。
图6 初支喷射混凝土应力图（单位：MPa）
2．2．5 二次衬砌内力
二次衬砌主要是加固支护，美化外观。由二次衬砌内力图7分析可知，拱部混凝土为受拉应力，两拱肩处及仰拱处为受压应力，最大拉应力1．1 MPa，最大压应力1．75 MPa，均较小，因此二次衬砌结构受力安全。
图7 二次衬砌内力图（单位：MPa）
根据隧道工程围岩的性质与特点，隧道围岩变形稳定性的研究可简化为平面应变问题，由于研究段隧道围岩产生变形的主体是软质岩体，故模型材料选用塑性材料，采用Mohr－Coulomb强度破坏准则进行计算。模型建立时，其边界选取距隧道中心4倍洞径（降低边界效应的影响），约束模型的四周边界，应力场考虑隧道天然应力量值特征选取恒定场，近似模拟开挖隧道的力学响应特征。隧道的初期支护主要考虑锚杆、钢筋网、混凝土及钢拱架，二衬统一考虑钢筋混凝土。根据实际情况，模型中锚杆选用Bolt支护单元，钢筋网、钢拱架、混凝土、二衬支护均选用Liner支护单元，同时根据实际施工组合成不同的复合式衬砌（Composite Liner），施加顺序为：钢筋网，钢拱架，混凝土。由岩石力学试验及工程地质类比得到围岩物理力学参数，支护结构参数根据《铁路隧道设计规范》［15］（TB 10003—2016）进行取值，具体参数如表1所示。
表1 围岩和支护物理力学参数
材料名称 重度／（N·m－3）弹性模量／GPa 泊松比 黏聚力／MPa摩擦角／（°）抗拉强度／MPa抗压强度σt／MPa截面积／m2惯性矩／m4围岩 25．5 1．05 0．3 0．36 30 0．25 2 — —锚杆 — 200．00 — — — 345．00 — — —C30混凝土 — 30．00 0．2 — — 3．00 30 — —I20b型钢钢架 — 200．00 0．2 — — 345．00 345 3．9600×10－3 2．500×10－5钢筋网（HPB235） — 200．00 0．2 — — 235．00 235 0．1006×10－3 1．006×10－6
支护结构除了应满足有效控制围岩变形要求外，其本身也应满足一定的安全要求。由《铁路隧道设计规范》［15］（TB 10003—2016）中关于支护结构受荷载组合选用的安全系数的规定，结合本工程特点，选取的安全系数应满足 K≥1．5的要求，接下来将对支护结构进行数值验算。考虑到钢拱架及钢筋混凝土在支护作用中的主导作用，只对二者的安全系数计算分析。如图为计算得到的钢筋混凝土（左钢筋右混凝土）及钢拱架的安全状态图，图中包含安全系数为 K＝1．3和 K＝1．5两条包络圈，当模型中某点计算得到的相应系数位于某包络圈内，表示该点的安全系数大于或等于该包络圈安全系数，即处于安全状态。由图8可知，钢筋及混凝土的弯矩和剪力点均全部落在 K＝1．5包络圈范围内，同时由图9可知，钢拱架受剪力安全系数和弯矩安全系数均在K＝1．5包络圈范围内。综上所述，此支护结构的安全系数均大于等于1．5，满足规范的设计要求。
本文依据现场应力监测资料，结合二维有限元数值计算，分析得到以下三点结论：
（1）从现场应力监测数据可以看出，围岩压力、锚杆轴力较小，钢拱架应力大；最大围岩压力为1．82 MPa，最大锚杆轴力为18．63 MPa，最大钢拱架应力外侧为 388．25 MPa，压应力，内侧为 490．77 MPa，压应力，表明初期支护在围岩变形的支撑过程中，喷射混凝土和锚杆起到协助作用，而钢拱架和围岩自承能力起到主要作用，二次衬砌内力小。
（2）通过数值模拟计算钢筋混凝土及钢拱架的安全系数，结果均满足本工程安全系数 K≥1．5的要求，综合前面的应力监测数值分析，本隧道结构受力基本处于安全状态，支护适当。
（3）加强初期支护的应力监测工作，及时整理、分析数据，科学、准确地评价支护结构的稳定性，为隧道的安全施工保驾护航。
图8 钢筋混凝土安全状态图
图9 钢拱架安全状态图
参考文献：
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Stability Analysis of Soft Rock Tunnel Support Structure Based on Stress Monitoring
CHEN Jintao，HAN Aiguo，REN Guangming
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China）
Abstract：In order to analyze the mechanical behavior of rock mass during excavation of railway tunnel and evaluate the stability of tunnel，we analyzed the stress monitoring data of a soft rock tunnel support structure in southwest China．The results were adopted to evaluate the state of surrounding rock and supporting structure，which is very useful to improve the design scheme and optimize the construction scheme and ensure the structural stability and security of tunnels．The safety coefficient of steel arch frame and reinforced concrete is calculated by using two dimensional finite element of phase，the stable state of the support structure is also verified．The method and conclusion of this paper can provide reference for the design，construction，monitoring and further theoretical study of tunnel engineering under similar conditions，which has certain engineering application value．
Keywords：underground engineering；soft rock tunnel；stress monitoring；supporting structure；safety factor
中图分类号：U45
文献标识码：A
文章编号：1672—1144（2018）01—0178—05
DOI：10．3969 ／j．issn．1672 － 1144．2018．01．032
收稿日期：2017-10-03
修稿日期：2017-11-04
作者简介：陈锦涛（1991—），男，安徽舒城人，硕士研究生，研究方向为岩土工程及地质工程。E-mail：247850648＠qq．com
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