高速公路隧道施工关键技术问题探讨.docx

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高速公路隧道施工关键技术问题探讨

鄂西北软岩段隧道围岩压力监测

1、监测目的

隧道二次衬砌施作时机始终是隧道界讨论的热点问题，对隧道而言特别是在围岩条件较差的情况下，如果二次衬砌施作的过晚，则可能导致初期支护因变形过大而无法控制，以至于隧道结构发生失稳破坏；反之二次衬砌施作过早，则可能会导致二衬结构因承受荷载过大而发生破坏，从而降低了隧道结构稳定性和耐久性。

传统的施工方法均是待初期支护趋于稳定作为二衬施作的时机。

但在鄂西北软岩区隧道的施工过程中发现，隧道初支无法有效遏制围岩的持续变形。

因此，必须通过提前施作二衬，让二衬承担部分围岩压力，才能使隧道洞身变形趋于稳定。

国内公路设计规范也规定，二衬需要分担部分围岩压力，分担比例如表1.1所示。

但根据隧道现场实际施工情况，部分隧道二衬出现开裂甚至垮塌现象。

由于该类现象主要集中在竹山-竹溪一带的隧道内。

因此，有必要对该区隧道进行压力监测，以获取有效数据，进行二衬开裂、垮塌原因分析及二衬支护时机的确定。

表1.1释放荷载分担比例

围岩级别

分担比例

围岩+初期支护

二衬衬砌

Ⅳ

60%~80%

20%~40%

Ⅴ

20%~40%

60%~80%

2、实施途径

整理和分析初支及二衬压力盒的实测数据，并和以往的压力监测数据进行对比分析，初步总结出二衬分担围岩压力比例的规律。

根据监测数据确定与调整应力边界条件，采用有限元荷载-结构模型进行数值分析，以二次衬砌应力量值为已知应力边界荷载反求其内力和结构安全系数，当二次衬砌上某控制点的安全系数等于或接近规范规定的最小安全系数时，对应的结构围岩压力即为允许压力，最终确定二次衬砌允许围岩压力。

然后代入围岩压力变形曲线中，从而确定二次衬砌支护的时机。

3、监测点布置

欧佳垭隧于YK153+470、YK153+505断面布设道压力监测测点。

压力盒分两层布设，每层布设3个。

初衬压力监测将压力盒布设于拱顶及两侧45°拱腰。

布设时机选在隧道立拱之后，用铁丝固定与两拱之间的钢筋上，并喷砼覆盖。

压力盒信号线沿初衬混凝土表面引至拱脚，在二次仰拱施做后，从二衬边墙模板底部引出，作为长期监测之用。

二衬压力监测将压力盒固定于初衬混凝土及防水板之间，用铁定及钢丝固定。

待二衬浇筑时覆盖。

在二衬边墙模板施作之前在二衬边墙底部预留信号线，待二衬台车移至初衬压力盒布设断面时，布设二衬压力盒，并将信号线沿初衬混凝土表面引至拱脚与预留信号线连接。

图3.1压力盒埋设布置示意图

图3.2初衬压力盒布设图图3.3信号线穿越二衬边墙

图3.4预留二衬信号线图3.5二衬压力盒布置

4、压力监测情况

4.1欧佳垭监测断面

4.1.1地质情况

压力盒埋设断面为中风化碳质板岩，具鳞片变晶结构,片状构造,片理面光滑,胶结性差,强度低而软弱，抗风化、抗水软化性能差，微膨胀。

单轴抗压强度小于5MPa,φ值约10~20°,c值一般0~0.01MPa。

围岩整体节理裂隙发育，岩体较破碎，地下水出水状态为点滴状。

YK149+470断面根据围岩观察，压力监测区围岩主要存在两组结构面，一组为层面，产状350°∠30°，另一组为节理面，产状90°∠65°，埋设深度约为45m，岩石风化程度较低，强度较高，[BQ]=354。

YK149+505断面根据围岩观察，压力监测区围岩主要存在两组结构面，一组为层面，产状317°∠47°，另一组为节理面，产状138°∠63°，埋设深度为25m左右，岩石风化程度较高，强度较低，[BQ]=273。

图4.1压力监测断面布置图

图4.2YK149+470断面掌子面素描图图4.3YK149+505断面掌子面素描图

4.1.2监测数据特点

YK149+470断面：

（1）初衬压力监测曲线特点：

1、单个压力盒监测数据分为3个阶段，从初衬施作至二衬施作完成，压力监测数据变化极小，二衬施作后10日左右，初衬压力数据变化量快速增加，最大变化速率为0.0183MPa/d，之后，初衬压力趋于稳定，拱顶压力趋于0.190MPa，左拱腰压力趋于0.134MPa，右拱腰压力趋于0.160MPa，左边墙压力趋于0.066MPa，右边墙压力趋于0.104MPa。

2、从断面内压力盒对比情况，拱顶围岩压力要明显高于拱腰及边墙压力，隧道右侧压力要略高于左侧。

（2）二衬压力监测曲线特点：

二衬拱顶压力增加量要明显高于拱腰及边墙，拱顶压力盒监测数据可以分为3阶段，在二衬施作3~4日内变化量较小，之后10日左右二衬压力显著增加，增加可速率最大达到0.0314MPa/d。

10日之后变形速率增加速率变缓，拱顶压力趋于0.160MPa，左拱腰压力趋于0.099MPa，右拱腰压力趋于0.117MPa，左边墙压力趋于0.023MPa，右边墙压力趋于0.084MPa。

图4.4YK149+470断面初衬压力曲线

图4.5YK149+470断面二衬压力曲线

YK149+505断面：

（1）初衬压力监测曲线特点：

1、单个压力盒监测数据分为3个阶段，从初衬施作至二衬施作完成，压力监测数据变化极小，二衬施作后10日内，初衬压力数据变化量快速增加，最大变化速率为0.00392MPa/d，之后，初衬压力趋于稳定，拱顶压力趋于0.085MPa，左拱腰压力趋于0.033MPa，右拱腰压力趋于0.048MPa，左边墙压力趋于0.027MPa，右边墙压力趋于0.045MPa。

2、从断面内压力盒对比情况，拱顶围岩压力要明显高于拱腰及边墙压力，隧道右侧压力要略高于左侧。

（2）二衬压力监测曲线特点：

二衬拱顶压力增加量要明显高于拱腰及边墙，拱顶压力盒监测数据可以分为3阶段，在二衬施作6日内变化量较小，之后10日后二衬压力显著增加，增加可速率最大达到0.0557MPa/d。

10日之后变形速率增加速率变缓，拱顶压力趋于0.093MPa，左拱腰压力趋于0.024MPa，右拱腰压力趋于0049MPa，左边墙压力趋于0.024MPa，右边墙压力趋于0.041MPa。

图4.6YK149+505断面初衬压力曲线

图4.7YK149+510断面二衬压力曲线

4.1.3监测结果分析

根据该地段碳质板岩特性，其对隧道结构的压力主要分为两方面。

①由于岩体开挖形成临空面后，岩体易发生塑性变形而挤入隧道，加大支护结构的荷载，从而诱发大变形的发生。

结合隧道该处埋深，采用太沙基模型对围岩压力进行分析：

（1）

式中Py为拱顶围岩压力；

为岩体容重；b为隧道跨度；

为内摩擦角；H为隧道埋深；c为粘聚力，K为侧压力系数，按下式计算:

）

（2）

隧道侧向荷载采用彼那得侧向荷载经验公式进行计算，计算公式如下：

（3）

式中K为侧压力系数；

为内摩擦角；Px为侧压力；H为隧道埋深；

为岩体容重；c为粘聚力。

板岩岩容重取γ=2.5，隧道宽度b=12m。

YK149+470断面围岩内摩擦角

取20°，c取0.01MPa，压力盒监测断面埋深约为40m。

由式

（1）

（2）计算得拱顶荷载约为0.059MPa左右，由式（3）围岩侧压力为0.070MPa。

初衬压力盒数据明显比计算值大，推测由于隧道埋深较大，存在较大的弹性势能，在隧道开挖后产生能量释放，使压力明显偏大。

另外由于该断面埋深较大，可近似看成厚壁桶模型，而太沙基模型适用于土质地层，因此也使计算结果存在偏差。

YK149+505断面围岩内摩擦角

取15°，c取0.01MPa，压力盒监测断面埋深约为25m。

由式

（1）

（2）计算得拱顶荷载约为0.0872MPa左右，式（3）围岩侧压力为0.0368MPa。

初衬压力盒的拱顶压力、拱腰及边墙收敛后压力数据与计算压力值相符，二衬拱顶压力明显偏大，推测存在局部接触，存在应力集中。

②YK149+470断面、YK149+505断面右侧围岩压力均要高于左侧。

主要是由于围岩走向与隧道近平行，且存在一定倾角。

隧道开挖产生临空面，使一侧岩体向隧道空间挤入，产生单侧的围岩压力，形成构造偏压。

根据现场地质编录，隧道右侧岩体容易向隧道空间挤入，且右侧衬砌出水严重，围岩强度较低，手捏可碎。

隧道右侧易产生附加围岩压力，产生偏压。

4.2竹溪隧道监测断面情况

4.2.1地质情况

压力盒埋设断面为弱风化泥质板岩，云母含量较高，片状~鳞片状构造，埋深较深，节理裂隙较发育，岩体较破碎。

地下水出水状态为点滴状。

单轴抗压强度约为5MPa,φ值约20~25°,c值一般0~0.01MPa。

YK206+498断面埋深约为92m，岩层产状为317°∠47°，BQ=355。

4.2.2监测数据特点

YK206+498断面：

（1）初衬压力监测曲线特点：

1、单个压力盒监测数据分为3个阶段，从初衬施作至二衬施作完成，压力监测数据变化极小，二衬施作后20日左右，初衬压力数据变化量快速增加，最大变化速率为0.0115MPa/d，之后，初衬压力趋于稳定，变化量极小。

2、从断面内压力盒对比情况，隧道右侧压力要明显高于左侧及拱顶，

（2）二衬压力监测曲线特点：

二衬拱顶压力增加量要明显高于拱腰及边墙，拱顶压力盒监测数据可以分为3阶段，在二衬施作3日内变化量较小，之后15日左右二衬压力显著增加，增加可速率最大达到0.0304MPa/d。

15日之后变形速率增加速率变缓，区域稳定。

图3.8竹溪隧道初支压力监测数据曲线

图3.9竹溪隧道初支压力监测数据曲线

4.3土公岭监测断面情况

4.3.1地质情况

压力盒埋设断面为强~中风化绢云母片岩，薄层状结构，埋深浅，节理裂隙较发育，岩体较破碎。

地下水出水状态为点滴状。

φ值约10~15°,c值一般0~0.01MPa。

岩层产状为350°∠41°。

BQ=305。

4.3.2监测数据特点

ZK153+189断面：

该压力监测断面在3日内压力达到最大，左拱腰压力值稳定在0.32~0.58，拱顶压力值稳定在0.10~0.25，右拱腰压力值接近于0。

最大压力在左拱腰侧，其次为拱顶，右拱腰压力最小。

图3.10土公岭隧道ZK153+189断面初支压力监测数据曲线

YK153+272断面：

该压力监测断面在3日内压力达到最大，左拱腰压力值稳定在0.35~0.58，拱顶压力值稳定在0.20~0.30，右拱腰压力值稳定在0.10~0.20。

最大压力在左拱腰侧，拱顶及右拱腰压力基本相同。

图3.11土公岭隧道ZK153+272断面初支压力监测数据曲线

ZK154+207断面：

该压力监测断面在3日内压力达到最大，拱顶压力值稳定在0.15~0.23，右拱腰压力值稳定在0.15~0.20，左拱腰压力值稳定在0.02~0.03。

最大压力在拱顶，其次为右拱腰，左拱腰压力最小。

图3.12土公岭隧道ZK154+207断面初支压力监测数据曲线

4.4竹山隧道监测断面情况

4.4.1地质情况

压力盒埋设断面为强风化绢云母片岩，片状~鳞片状构造，埋深浅，节理裂隙较发育，岩体较破碎。

地下水出水状态为点滴状。

φ值约10~15°,c值一般0~0.01MPa。

岩层产状为10°∠32°。

BQ=376。

4.4.2监测数据特点

ZK156+533断面：

压力盒监测数据分为3个阶段，压力数据在10日内变化较小，二衬施作后，压力迅速增大，左拱腰压力值稳定在0.33~0.38，拱顶压力值稳定在0.24~0.25，右拱腰压力值稳定在0.02~0.03。

最大压力在左拱腰，其次为拱顶，右拱腰压力最小。

图3.13竹山隧道ZK156+533断面初支压力监测数据曲线

ZK156+527断面：

该压力监测断面在2日内压力达到最大，右拱腰压力值稳定在0.032~0.035，拱顶压力值稳定在0.013~0.018。

图3.14竹山隧道ZK156+527断面初支压力监测数据曲线

YK157+355断面：

压力盒监测数据分为3个阶段，压力数据在3日内变化较小，二衬施作后，压力迅速增大，右拱腰压力值稳定在0.051~0.068，拱顶压力值及左拱腰压力值趋于0。

图3.15竹山隧道ZK156+355断面初支压力监测数据曲线

4.5结果分析

根据两个断面的数据分析，可以对鄂西北软岩区的围岩压力特点总结出以下结论：

1、初衬及二衬压力数据曲线均存在3个阶段：

①在二次衬砌施作之前，由于仅施加柔性支护，衬砌和围岩产生协同变形，隧道围岩岩体的弹性能和重力势能以做功的形势逐渐耗散或从新分布。

使初次衬砌与围岩之间的压力变化较小；

②在二衬施作完成后，支护刚度有明显的提升，支护结构几乎不产生变形。

隧道围岩岩体的弹性能和重力势能以弹性能的形势集中储存在支护结构以及其周围岩体内，使洞身附近岩体产生局部应力集中，使围岩与支护结构之间的压力短时间内产生较大的增幅，隧道埋深越深，地应力越高，存在的弹性能越强，产生的增幅以及增速都较大，相应的围岩压力曲线第一、二持续时间就越短；

③当围岩压力增大到一定程度后，支护结构对围岩产生的抗力，使隧道围岩产生应力平衡，阻止围岩进一步变形，围岩压力趋于稳定。

2、隧道深埋段，岩体完整性较高，因此，可近似看成无限空间厚壁桶模型，拱顶及拱腰处压力相差较小。

浅埋段围岩较为松散破碎，拱顶围岩压力要明显高于两侧。

另外，片岩隧道深埋段储存的弹性势能较高，测得的围岩压力要明显高于计算值。

3、深埋段支护结构承担荷载主要来自于前期弹性能释放，浅埋段围岩荷载主要来自于围岩劣化产生的松动荷载。

因此，深埋段初衬承担的围岩压力较浅埋段高。

隧道浅埋段拱顶二衬承担的围岩压力比例要高于拱腰及边墙。

5、支护结构压力分担比例

5.1隧道压力分担比例

根据压力盒埋设情况，可将初衬压力盒最终读数视为围岩对支护结构的整体压力，将二衬压力盒读数视为二衬承受的压力，因此可根据下式计算初支及二衬承受的压力。

5.1.1欧佳垭隧道围岩压力分担比例：

表5.1YK149+470断面压力监测数据

拱顶

左拱腰

右拱腰

左边墙

右边墙

平均分担比例

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

初衬

0.190

15.8

0.134

25.4

0.160

25.6

0.066

65.2

0.104

19.2

25.7

二衬

0.160

84.2

0.100

74.6

0.119

74.4

0.023

34.8

0.084

80.8

74.3

表5.2YK149+505断面压力监测数据

拱顶

左拱腰

右拱腰

左边墙

右边墙

平均分担比例

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

初衬

0.085

0.0

0.033

27.3

0.048

0.0

0.027

11.1

0.045

6.7

3.4

二衬

0.092

100.0

0.024

72.7

0.049

100.0

0.024

88.9

0.041

93.3

96.6

5.1.2竹溪隧道围岩压力分担比例：

表5.3YK206+498断面压力监测数据

拱顶

左拱腰

右拱腰

左拱脚

右拱脚

平均分担比例

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

压力/Mpa

分担比例/%

初衬

0.197

异常

0.237

0

2.522

21.7

1.515

60.0

0.125

异常

34.9

二衬

-0.082

0.241

100

1.975

78.3

0.611

40.0

0.714

65.1

5.2围岩压力分担比例分析

表5.4监测断面统计表

监测断面

断面埋深/m

BQ/[BQ]

岩层产状

岩性

平均压力

二衬平均分担压力/%

欧佳垭YK149+470

45

354

350°∠30°

中风化碳质板岩

0.131

74.3

欧佳垭YK149+505

25

273

317°∠47°

0.048

96.6

竹溪隧道YK206+498

92

375/[355]

235°∠35°

强风化炭质片岩夹泥质片

1.425

65.1

土公岭进口ZK153+189

2

<250

350°∠41°

强~中风化绢云母片岩

0.26

土公岭进口YK153+272

5

<250

0.3

土公岭出口ZK154+207

14

<250

0.15

竹山进口ZK156+533

13

<250

10°∠32°

强风化绢云母片岩

0.21

竹山进口ZK156+527

12

<250

0.03

竹山出口YK157+355

55

265

0.03

根据上表5.1、表5.2、表5.3、表5.4数据，二衬分担围岩压力比例在34.8%~100%。

根据监测结果可以总结出以下规律：

1、二衬分担与断面深埋有关，断面埋深越大二衬分担

由于隧道深埋段开挖存在弹性能释放的过程，初始围岩压力较大，作为柔性支护的初次衬砌，在隧道开挖到二衬施作的过程中存在较大的变形，因此也相应产生较大的抗力。

而且，由于深埋段岩体强度较高，容易与初衬形成整体，能较好的帮助初衬发挥自承能力，因此，深埋段初次衬砌承担的围岩压力较高。

对于浅埋段，初衬在施作初期没有承受太大的围岩压力，但在围岩劣化的过程中，围岩压力增大较为明显，导致二衬承担大部分的松散荷载，尤其在在拱顶，荷载增加更明显。

现场表现为，深埋段初衬容易发生变形开裂，支护困难，浅埋段二衬容易发生开裂变形。

对于岩体破碎，地下水发育的深埋段，围岩容易通过不断劣化，形成漏斗性塌落柱，行成二衬的开裂。

因此可将易发生二衬开裂的地段归纳为隧道浅埋段与破碎的、富水带。

2、初期受较大局部荷载部位，二衬分担较大围岩压力

对于初期支护在前期受到较大的局部荷载部位（偏压隧道与σ1垂直的衬砌部位、浅埋段拱顶衬砌等）二衬分担的压力都相对较大。

主要因为较大的围岩压力容易使初期支护拱架变形，混凝土破坏，在二衬施作后，无法提供较大的支撑抗力，使初期支护在局部压力较大区域无法发挥较好的作用。

6、二衬支护时机分析

6.1围岩与支护结构相互作用原理

隧道支护原理可以表示为：

PT=PDR+PS=PD+PR+PS

（1）

式中：

PT为隧道开挖后使围岩向临空区运动的等效合力，包括重力、膨胀力、构造应力、水作用力和工程偏应力等；PS为隧道支护所提供的支护抗力；PDR为围岩所提供的等效作用力。

PDR=PD+PR

（2）

式中：

PD为围岩以变形的形式转化的等效工程力，主要是塑性能以变形的方式释放；PR为围岩自承力，即围岩本身具有一定的强度，可承担部分或全部的荷载。

隧道开挖后所引起围岩向临空区运动的合力PT是由围岩和支护结构共同分担。

围岩所承担的等效作用力PDR则是由等效工程力（即PD）和围岩体本身自承力所承担（即PR）共同承担。

如果围岩强度很高，PR>PT-PD，则隧道本身可以自稳。

但对于一般的岩石，PR较小，一般PR

二衬支护结构只起增加安全系数，以及表面的装饰和保护作用，一般不承担或承担小部分荷载。

对于软弱围岩，PR很小，甚至为0。

对于支护结构承担的荷载PD：

PD=P1+P2（3）

式中：

P1为初期支护承担荷载；P2为二衬承担荷载。

对于初期的柔性支护，P1并不能有效抵抗围岩的变形，变形难以趋于收敛。

故软岩区的隧道不能照搬新奥法的理论，要让二衬承担荷载P2增加。

6.2最佳支护时间和最佳支护时段

通常围岩的最佳支护时机就是指在围岩变形能释放完全的情况下，最大程度的发挥围岩自承载能力，充分调动支护体系的作用，使支护系统的抗力降为最低，同时保证支护材料的使用最为经济合理。

因此一个优化的隧洞设计及支护设计应该同时满足以下三个条件：

（1）PD→max；

（2）PR→max；（3）PS→min。

在软岩隧道，PR→0，PD=P1+P2。

因此合理的支护时机的选择即是在变形能释放之后到围岩变形破坏加剧之前的时间段内选择一个合理的时机。

最佳支护时间是指在确保隧道安全稳定的前提下，使PDR达到最大的支护时间，其所表示的意义如下图1所示。

图1表明，最佳支护时间就是PDR-t曲线峰值点对应的时间T0。

此时，支护使PD充分地达到最大，使其强度损失达到充分小，亦即其本身自承力PR达到充分大。

最佳支护时间点的确定，在工程实践中是难以办到的，为了满足工程需要，所以就引出了最佳支护时段的概念。

最佳支护时段的概念如图2所示。

图中所示的时段[T01，T02]即为最佳支护时段。

在实际情况中时，只要在图2所示的T0时间的附近时段[T01，T02]进行支护，基本上可以使PD、PR同时达到优化意义上的最大，此时，PDR→max，PS→min也就自动满足。

对于软岩隧道，

图1最佳支护时间的含义图2最佳支护时段的含义