田明昱， 王艷磊， 騰俊洋， 舒國(guó)鈞

(1. 葛洲壩集團(tuán)第五工程有限公司， 湖北 宜昌　443002； 2. 重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 重慶　400030)

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地質(zhì)因素對(duì)隧道圍巖松動(dòng)圈的影響分析
——以重慶某隧道為例

田明昱1， 王艷磊2， 騰俊洋2， 舒國(guó)鈞2

(1. 葛洲壩集團(tuán)第五工程有限公司， 湖北 宜昌443002； 2. 重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 重慶400030)

摘要：為了分析地質(zhì)因素對(duì)隧道圍巖松動(dòng)圈的影響，以重慶某深埋特長(zhǎng)隧道為工程背景，根據(jù)該隧道埋深和圍巖級(jí)別多變等特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)值模擬、正交試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，研究該隧道圍巖松動(dòng)圈產(chǎn)生、發(fā)展和分布的規(guī)律。結(jié)果表明： 該隧道圍巖的內(nèi)摩擦角和黏聚力與松動(dòng)圈大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，側(cè)壓系數(shù)和埋深與松動(dòng)圈大小呈正相關(guān)關(guān)系，且內(nèi)摩擦角和埋深是影響該隧道圍巖松動(dòng)圈大小的主要因素。依據(jù)研究結(jié)果，可以確定該隧道不同地質(zhì)條件下的圍巖松動(dòng)圈分布情況，及時(shí)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，以指導(dǎo)隧道安全高效地施工。

關(guān)鍵詞：隧道； 地質(zhì)因素； 圍巖松動(dòng)圈； 數(shù)值模擬； 正交試驗(yàn)； 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

0引言

近年來我國(guó)公路隧道建設(shè)突飛猛進(jìn)，施工技術(shù)水平不斷提高，但是在隧道建設(shè)過程中，時(shí)常會(huì)因隧道圍巖穩(wěn)定性方面的問題而導(dǎo)致施工困難甚至造成運(yùn)營(yíng)事故[1]。因此，研究隧道圍巖的穩(wěn)定性，厘清影響圍巖穩(wěn)定性的因素及其影響機(jī)制，確保隧道圍巖的穩(wěn)定，是隧道工程施工的頭等大事。

松動(dòng)圈是評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，影響隧道圍巖松動(dòng)圈的因素主要有2方面： 一是內(nèi)在因素，即地質(zhì)因素的影響；二是人為因素，即施工帶來的影響[2-3]。大量學(xué)者對(duì)這2方面進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)[4]就巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及初始地應(yīng)力狀態(tài)等地質(zhì)因素對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析研究；文獻(xiàn)[5]分析研究了爆破循環(huán)和采動(dòng)對(duì)圍巖松動(dòng)圈的影響；文獻(xiàn)[6]針對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)和施工參數(shù)等因素對(duì)圍巖松動(dòng)圈的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[7]就不同地質(zhì)條件下的隧道施工變形控制進(jìn)行了分析，并總結(jié)了圍巖大變形的控制措施。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以重慶某隧道特殊地質(zhì)條件為背景，運(yùn)用數(shù)值模擬、正交試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，研究最大松動(dòng)圈厚度及松動(dòng)圈系數(shù)與圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖黏聚力、隧道埋深和側(cè)壓系數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)影響隧道圍巖松動(dòng)圈的地質(zhì)因素進(jìn)行更加深入細(xì)致的分析。

1工程概況

重慶某隧道設(shè)計(jì)為雙向4車道，左線長(zhǎng)3 225 m，右線長(zhǎng)3 197 m。隧道通過段制高點(diǎn)高程約為972 m，隧址區(qū)最低點(diǎn)位于隧道出口的綦江河岸，高程為174 m，相對(duì)高差為798 m。隧道進(jìn)口段埋深為20 m，出口段埋深為80 m，洞身段左線最大埋深為765 m，右線最大埋深為759 m，屬深埋隧道，且埋深變化大。隧址區(qū)地貌屬于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌單元，線路跨越中峰寺向斜，地形坡度較陡，隧道與構(gòu)造線方向近似垂直，無較大的地質(zhì)構(gòu)造，洞身段地下水貧乏，局部洞身段有基巖裂隙水，呈點(diǎn)滴狀滲出；穿越地層為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組和中統(tǒng)遂寧組，主要巖性為泥巖、泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖和石灰?guī)r。洞口段均為Ⅴ級(jí)圍巖，洞身段圍巖以Ⅳ級(jí)為主，局部為Ⅴ級(jí)或Ⅲ級(jí)圍巖，圍巖等級(jí)變化較頻繁。在不同埋深和圍巖條件下，該隧道圍巖松動(dòng)圈范圍差異很大，在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中若不及時(shí)變更支護(hù)方案、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，極易造成拱頂下沉量加劇、周邊收斂量增大、初期支護(hù)和仰拱開裂等現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和施工安全。

2松動(dòng)圈判定指標(biāo)

隧道的爆破開挖會(huì)破壞原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使圍巖應(yīng)力重新分布，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)集中應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時(shí)，隧道圍巖將會(huì)發(fā)生破壞，這一破壞向圍巖內(nèi)部發(fā)展到一定深度后會(huì)取得新的應(yīng)力平衡，這一過程產(chǎn)生的松動(dòng)破壞范圍稱為隧道圍巖松動(dòng)圈[8]。通常將最大松動(dòng)圈厚度與松動(dòng)圈系數(shù)共同作為隧道圍巖松動(dòng)圈的判定指標(biāo)。

2.1最大松動(dòng)圈厚度

現(xiàn)階段使用的圍巖松動(dòng)圈分類標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)開挖斷面的最大松動(dòng)圈厚度來進(jìn)行判斷的，因此將隧道開挖斷面周邊的最大松動(dòng)圈厚度Rs(Rs=r2-r1，見圖1)作為松動(dòng)圈大小的判定指標(biāo)。

2.2松動(dòng)圈系數(shù)

最大松動(dòng)圈厚度判定指標(biāo)雖然簡(jiǎn)單直觀，但不能反映出斷面周邊松動(dòng)圈的整體分布情況，因此還需引入松動(dòng)圈系數(shù)[9]。

圖1　最大松動(dòng)圈厚度示意圖

Fig. 1Schematic diagram of maximum thickness of loose zone of surrounding rock

松動(dòng)圈系數(shù)Fs是開挖斷面松動(dòng)區(qū)面積Ss與開挖斷面面積Sd的比值[10]。假設(shè)開挖斷面是半徑為r1的圓，圍巖為各向同性的均質(zhì)巖體，其松動(dòng)圈半徑為r2，則松動(dòng)圈系數(shù)

(1)

由式(1)得

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)，當(dāng)松動(dòng)圈系數(shù)Fs取0～2時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大松動(dòng)圈厚度Rs與開挖斷面半徑r1的比值如圖2所示。

圖2　松動(dòng)圈系數(shù)Fs 與Rs/r1 的關(guān)系曲線

由圖2可知，松動(dòng)圈系數(shù)Fs與Rs/r1呈線性相關(guān)關(guān)系，說明松動(dòng)圈系數(shù)Fs能較好地反映出開挖斷面周圍松動(dòng)圈的整體分布情況。

3地質(zhì)因素對(duì)松動(dòng)圈的影響

影響隧道圍巖松動(dòng)圈的地質(zhì)因素主要包括地應(yīng)力、巖體強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造及地下水等。根據(jù)重慶某隧道的實(shí)際地質(zhì)條件，即埋深變化大、圍巖等級(jí)變化較頻繁、無較大的地質(zhì)構(gòu)造和地下水貧乏的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析地應(yīng)力和巖體強(qiáng)度對(duì)隧道圍巖松動(dòng)圈的影響。

3.1計(jì)算軟件及圍巖物理力學(xué)參數(shù)

采用有限差分計(jì)算軟件FLAC3D，對(duì)不同地質(zhì)條件下重慶某隧道三心圓斷面進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算模型建立在拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用彈塑性材料，運(yùn)用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞[10]。

根據(jù)該隧道相關(guān)地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分別對(duì)不同等級(jí)和不同類別圍巖進(jìn)行鉆孔取樣。巖樣加工完畢后，采用MTS815.03電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、島津AGI-250 kN型巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)和PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)來測(cè)定巖樣的基本力學(xué)參數(shù)、原巖應(yīng)力及側(cè)壓系數(shù)。巖樣的物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　各類圍巖物理力學(xué)特性參數(shù)表

由試驗(yàn)結(jié)果可知： 在該隧道各級(jí)和各類圍巖中，黏聚力最小為0.9 MPa，最大為1.8 MPa；內(nèi)摩擦角最小為24.7°，最大為48.3°。原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，隧道中部洞身段地應(yīng)力高達(dá)25～31 MPa，且以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹31°～38°E，與隧道軸線方向 (N35°E)呈小角度相交；不同埋深情況下圍巖的側(cè)壓系數(shù)最小為0.4，最大為1.6。

3.2巖體強(qiáng)度影響

巖體強(qiáng)度包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。巖體的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，所以在此只考慮巖體抗壓強(qiáng)度對(duì)圍巖松動(dòng)圈的影響。根據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則，巖體的抗壓強(qiáng)度σc可以用內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c來計(jì)算，見式(3)[11-12]；因而轉(zhuǎn)為隧道圍巖內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c對(duì)松動(dòng)圈影響的分析。

σc=2c/(1-sinφ)。

(3)

該隧道洞身段以Ⅳ級(jí)泥質(zhì)砂巖為主，平均埋深約400 m，結(jié)合隧道設(shè)計(jì)尺寸和開挖施工工藝，最終確定模擬隧道埋深為400 m，三心圓斷面。模型邊界取大于3倍隧道跨度，由于開挖斷面跨度為12 m，因此模型大小確定為100 m×60 m×100 m。模型共275 320個(gè)單元，284 790個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元分析模型見圖3。

圖3　有限元分析模型

模型上邊界為自由面，下邊界固定，四周邊界限制水平方向的位移。同時(shí)在上邊界施加均布載荷，大小為上覆巖層自重(取10 MPa)，側(cè)壓系數(shù)取1.0，開挖進(jìn)尺為3 m，開挖后取距掌子面1.5 m處剖面進(jìn)行塑性區(qū)分析。

在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，把模型圍巖全部簡(jiǎn)化為泥質(zhì)砂巖，其物理力學(xué)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，模型的物理力學(xué)參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2　模型的參數(shù)

選擇黏聚力和內(nèi)摩擦角2因素進(jìn)行正交分析，各因素取值見表3。按照正交試驗(yàn)法采用2因素4水平的實(shí)驗(yàn)，共需要進(jìn)行16次實(shí)驗(yàn)。

表3　黏聚力和內(nèi)摩擦角取值表

將模擬所得數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行匯總，結(jié)果見表4。

根據(jù)表4繪制松動(dòng)圈與內(nèi)摩擦角、黏聚力的關(guān)系曲線，見圖4和圖5。

由圖4和圖5可知： 在黏聚力不變的情況下，內(nèi)摩擦角與最大松動(dòng)圈厚度及松動(dòng)圈系數(shù)呈線性減小關(guān)系，即內(nèi)摩擦角越大，最大松動(dòng)圈厚度越小，松動(dòng)圈在開挖斷面周邊分布的范圍也越??；在內(nèi)摩擦角不變的情況下，黏聚力與最大松動(dòng)圈厚度及松動(dòng)圈系數(shù)同樣呈線性減小關(guān)系，黏聚力越大，最大松動(dòng)圈厚度越小，松動(dòng)圈在開挖斷面周邊分布的范圍也越小。

表4黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)松動(dòng)圈的影響分析結(jié)果

Table 4Simulation results of influence of cohesion and internal friction angle on loose zone of surrounding rock

黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)最大松動(dòng)圈厚度/m松動(dòng)圈系數(shù)最大松動(dòng)圈位置0.9259.22.33兩側(cè)拱肩0.9336.41.39拱頂拱肩0.9414.60.88兩側(cè)拱肩0.9502.90.49仰拱中部1.2258.32.04兩側(cè)拱肩1.2335.61.23拱頂拱肩1.2413.90.72仰拱中部1.2502.60.41仰拱中部1.5257.61.65拱頂拱肩1.5334.80.93兩側(cè)拱肩1.5413.20.61兩側(cè)拱肩1.5502.40.41仰拱中部1.8256.81.32拱頂拱肩1.8334.20.85兩側(cè)拱肩1.8412.60.37仰拱中部1.8502.00.20仰拱中部

圖4　松動(dòng)圈與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

Fig. 4Curves showing relationship between loose zone of surrounding rock and internal friction angle

圖5　松動(dòng)圈與黏聚力的關(guān)系曲線

Fig. 5Curves showing relationship between loose zone of surrounding rock and cohesion

最大松動(dòng)圈通常出現(xiàn)在仰拱中部、拱頂或兩側(cè)拱肩位置，最大松動(dòng)圈厚度與松動(dòng)圈系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。在最大松動(dòng)圈厚度接近或相同的情況下，松動(dòng)圈系數(shù)越大，松動(dòng)圈在開挖斷面周邊的分布越廣，隨著松動(dòng)圈系數(shù)的增大，松動(dòng)圈逐漸在全斷面周邊出現(xiàn)，并最終呈近似環(huán)狀分布。

內(nèi)摩擦角與黏聚力2因素的極差分析結(jié)果見表5和表6。

表5黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)最大松動(dòng)圈厚度的極差分析

Table 5Range analysis of influence of cohesion and internal friction angle on maximum thickness of loose zone of surrounding rock

名稱內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/MPa均值18.005.78均值25.355.20均值33.504.45均值42.403.85極差5.601.93

表6黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)松動(dòng)圈系數(shù)的極差分析

Table 6Range analysis of influence of cohesion and internal friction angle on coefficient of loose zone of surrounding rock

名稱內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/MPa均值11.831.27均值21.091.10均值30.650.88均值40.370.67極差1.460.60

由表5和表6極差分析結(jié)果可知，內(nèi)摩擦角對(duì)于最大松動(dòng)圈厚度和松動(dòng)圈系數(shù)的影響程度均大于黏聚力。

3.3地應(yīng)力影響

地應(yīng)力是存在于地殼中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或原巖應(yīng)力，主要包括2方面： 一是上部巖層的自重應(yīng)力；二是構(gòu)造應(yīng)力[13-15]。在研究地應(yīng)力分布特性時(shí)，通常采用側(cè)壓系數(shù)來描述。地應(yīng)力沿埋深的變化規(guī)律也表明，一般情況下垂直應(yīng)力等于上覆巖體自重，即可作為1個(gè)主應(yīng)力，另2個(gè)水平主應(yīng)力也可作為主應(yīng)力，尤其是對(duì)于深部巖體，用水平應(yīng)力與巖體自重之比來表述巖體的應(yīng)力狀態(tài)具有一定的合理性和可行性；因此，在數(shù)值模擬分析時(shí)，采用埋深和側(cè)壓系數(shù)分別模擬自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用。

采用圖3模型，在上邊界施加均布載荷，大小為上覆巖層自重(視埋深而定)。模型圍巖全部簡(jiǎn)化為泥質(zhì)砂巖，其物理力學(xué)參數(shù)見表7。

表7　模型的物理力學(xué)參數(shù)

選擇埋深與側(cè)壓系數(shù)2因素進(jìn)行正交分析，各因素取值見表8。按照正交試驗(yàn)法采用2因素4水平的實(shí)驗(yàn)，共需要進(jìn)行16次實(shí)驗(yàn)。

表8　埋深和側(cè)壓系數(shù)取值表

將模擬所得數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行匯總，結(jié)果見表9。

表9　數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)表9繪制松動(dòng)圈與埋深、側(cè)壓系數(shù)的關(guān)系曲線，見圖6和圖7。

圖6　松動(dòng)圈與側(cè)壓系數(shù)的關(guān)系曲線

Fig. 6Curves showing relationship between loose zone of surrounding rock and side pressure coefficient

圖7　松動(dòng)圈與埋深的關(guān)系曲線

Fig. 7Curves showing relationship between loose zone of surrounding rock and buried depth

由表9、圖6和圖7可知： 側(cè)壓系數(shù)和埋深與松動(dòng)圈大小呈線性增加關(guān)系，即側(cè)壓系數(shù)或埋深越大，最大松動(dòng)圈厚度和范圍也越大；在埋深較小(200 m)的時(shí)候，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，最大松動(dòng)圈厚度增加的幅度較小，但松動(dòng)圈分布范圍逐漸增大；同一埋深下，側(cè)壓系數(shù)增大，松動(dòng)圈系數(shù)也增大，即松動(dòng)圈的分布范圍擴(kuò)大，通常由局部向全斷面擴(kuò)展；側(cè)壓系數(shù)小于1時(shí)，最大松動(dòng)圈厚度隨埋深的增大而逐漸增大，但隧道埋深的變化對(duì)最大松動(dòng)圈厚度影響較小，且松動(dòng)圈主要集中在兩側(cè)拱肩位置；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1時(shí)，埋深對(duì)最大松動(dòng)圈厚度的影響增大，且隨著埋深的增加，松動(dòng)圈開始向斷面頂部和底部擴(kuò)展。

埋深與側(cè)壓系數(shù)2因素的極差分析結(jié)果見表10和表11。

由表10和表11極差分析結(jié)果可知，埋深對(duì)于最大松動(dòng)圈厚度和松動(dòng)圈系數(shù)的影響程度均大于側(cè)壓系數(shù)。

4結(jié)果驗(yàn)證及施工方案優(yōu)化

在該隧道施工過程中，除了要按規(guī)范要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布置監(jiān)控量測(cè)斷面外，還要在各等級(jí)圍巖段布置選測(cè)斷面。每個(gè)選測(cè)斷面中布置6組機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)，每組機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)含5個(gè)測(cè)點(diǎn)，孔深5 m，用來監(jiān)測(cè)隧道圍巖的位移情況。根據(jù)每組機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)的位移讀數(shù)，就可以確定隧道圍巖松動(dòng)圈的分布情況。隧道K9+128斷面圍巖松動(dòng)圈的實(shí)測(cè)結(jié)果見圖8。

表10側(cè)壓系數(shù)和埋深對(duì)最大松動(dòng)圈厚度的極差分析

Table 10Range analysis of side pressure coefficient and buried depth on maximum thickness of loose zone of surrounding rock

名稱側(cè)壓系數(shù)埋深/m均值12.931.50均值22.383.50均值34.054.30均值44.754.80極差2.373.30

表11側(cè)壓系數(shù)和埋深對(duì)松動(dòng)圈系數(shù)的極差分析

Table 11Range analysis of side pressure coefficient and buried depth on coefficient of loose zone of surrounding rock

名稱側(cè)壓系數(shù)埋深/m均值10.310.06均值20.350.46均值30.600.64均值40.660.77極差0.350.71

圖8　K9+128斷面圍巖松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果示意圖

將現(xiàn)場(chǎng)各選測(cè)斷面實(shí)測(cè)得到的圍巖松動(dòng)圈與相同地質(zhì)條件下數(shù)值模擬得到的圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表12。

由表12可知，選測(cè)斷面實(shí)測(cè)得到的圍巖松動(dòng)圈與相同地質(zhì)條件下數(shù)值模擬得到的圍巖松動(dòng)圈在最大松動(dòng)圈厚度、出現(xiàn)位置及松動(dòng)圈分布情況上基本相同，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性和可靠性。

表12　各選測(cè)斷面實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬所得圍巖松動(dòng)圈的對(duì)比分析

注： 平均松動(dòng)圈厚度為6組測(cè)點(diǎn)位置松動(dòng)圈厚度的平均值。

在該隧道以后的施工過程中，通過對(duì)圍巖的現(xiàn)場(chǎng)觀察分析，對(duì)照物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，可得出其內(nèi)摩擦角、黏聚力、埋深和側(cè)壓系數(shù)，再結(jié)合相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果和關(guān)系曲線圖，就可得到相應(yīng)地質(zhì)條件下的圍巖松動(dòng)圈大小及分布情況，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。

隧道支護(hù)優(yōu)化方案主要包括變更鋼拱架材料、改變局部錨桿長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度、調(diào)整初期支護(hù)混凝土厚度和強(qiáng)度等。下面將對(duì)上文提到的K9+128斷面進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果可知，K9+128斷面圍巖最大松動(dòng)圈厚度為2.5 m，出現(xiàn)在兩側(cè)拱肩位置，平均松動(dòng)圈厚度為2.0 m。因此，在支護(hù)優(yōu)化方案中，根據(jù)所得松動(dòng)圈的分布情況，將兩側(cè)拱肩及拱頂位置的錨桿長(zhǎng)度由原來的2.5 m增至3.5 m，錨固長(zhǎng)度由50 cm增至100 cm，初期支護(hù)混凝土厚度由18 cm增至23 cm；其余位置的支護(hù)參數(shù)均不變。K9+128斷面的支護(hù)優(yōu)化見圖9。

圖9　K9+128斷面支護(hù)優(yōu)化示意圖

該隧道在施工過程中根據(jù)圍巖條件及時(shí)優(yōu)化支護(hù)方案后，由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，其初期支護(hù)混凝土噴層沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，周邊收斂量和拱頂下沉量明顯減小。這一結(jié)果說明，優(yōu)化支護(hù)方案可以確保圍巖的穩(wěn)定性，控制圍巖松動(dòng)圈的大小，保障隧道施工的安全。

5結(jié)論與建議

1)重慶某隧道圍巖內(nèi)摩擦角和黏聚力與最大松動(dòng)圈厚度及松動(dòng)圈系數(shù)呈線性減小關(guān)系，且內(nèi)摩擦角對(duì)最大松動(dòng)圈厚度和松動(dòng)圈系數(shù)的影響程度均大于黏聚力；側(cè)壓系數(shù)和埋深與松動(dòng)圈大小呈線性增加關(guān)系，但埋深對(duì)于最大松動(dòng)圈厚度和松動(dòng)圈系數(shù)的影響程度均大于側(cè)壓系數(shù)。圍巖內(nèi)摩擦角和隧道埋深是影響該隧道圍巖松動(dòng)圈的主要因素。

2)該隧道圍巖松動(dòng)圈多呈環(huán)狀分布，最大松動(dòng)圈通常出現(xiàn)在拱頂、兩側(cè)拱肩或仰拱中部位置，在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)拱頂及兩側(cè)拱肩位置的支護(hù)，同時(shí)在隧道開挖后及早施作仰拱。在可能的情況下，應(yīng)盡量縮短各工序作業(yè)時(shí)間，及時(shí)使初期支護(hù)封閉成環(huán)，可有效控制圍巖變形。

3)根據(jù)該隧道圍巖內(nèi)摩擦角、黏聚力、埋深和側(cè)壓系數(shù)與圍巖松動(dòng)圈大小的關(guān)系，可以確定該隧道不同地質(zhì)條件下的圍巖松動(dòng)圈分布情況，從而優(yōu)化支護(hù)方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，有效控制圍巖的穩(wěn)定性，保障隧道安全高效施工。

由于客觀條件的限制，本文僅對(duì)重慶某隧道進(jìn)行了研究，今后在有條件的情況下，還應(yīng)對(duì)其他地質(zhì)條件下的隧道開展試驗(yàn)研究，尤其是地質(zhì)條件更為復(fù)雜的隧道，以獲取更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，更深入揭示地質(zhì)因素對(duì)隧道圍巖松動(dòng)圈的影響，使研究成果更加豐富，對(duì)隧道施工更加具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]葛傳峰.影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素分析[J].公路,2012(5): 329-334.(GE Chuanfeng.Factors analysis affecting stability of tunnel surrounding rock[J]. Highway,2012(5): 329-334. (in Chinese))

[2]沈峰,鐘威,劉桂兵,等.通省隧道大變形圍巖松動(dòng)圈測(cè)試與分析[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2011,8(3): 366-369.(SHEN Feng,ZHONG Wei,LIU Guibing,et al. Test and analysis of loose circle of surrounding rock to large distortion region of Tongsheng Tunnel[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics,2011,8(3): 366-369. (in Chinese))

[3]黃生文,周浩,鄧小釗,等.層狀巖體大跨度隧道圍巖松動(dòng)圈實(shí)測(cè)分析及應(yīng)用[J].中外公路, 2014, 34(4): 246-249.(HUANG Shengwen,ZHOU Hao,DENG Xiaozhao,et al. Analysis of surrounding rock zone of large span tunnel in layered rock mass and its application[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2014, 34(4): 246-249. (in Chinese))

[4]王睿,黨發(fā)寧,劉云賀,等.公路隧道圍巖松動(dòng)圈的測(cè)定研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,40(2): 331-337.(WANG Rui, DANG Faning, LIU Yunhe, et al. Research on determination of loose zone of surrounding rock in highway tunnel [J]. Journal of Guangxi University(Nature Science Edition),2015,40(2): 331-337. (in Chinese))

[5]肖建清,馮夏庭,林大能.爆破循環(huán)對(duì)圍巖松動(dòng)圈的影響[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(11): 2248-2252.(XIAO Jianqing, FENG Xiating, LIN Daneng. Influence of blasting round on excavation damaged zone of surrounding rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(11): 2248-2252. (in Chinese))

[6]張向東,黃開勇,楚金祎.采動(dòng)影響下軟巖巷道松動(dòng)圈的聯(lián)合測(cè)試方法研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2012,23(5): 11-14.(ZHANG Xiangdong, HUANG Kaiyong, CHU Jinyi. Research on combined test methods of soft rock roadway released circle under the mining influence [J]. Journal of Water Resources & Water Engineering,2012,23(5): 11-14. (in Chinese))

[7]鄒翀,張民慶,李沿宗,等.高地應(yīng)力軟巖隧道施工變形控制方法試驗(yàn)研究[J].隧道建設(shè),2012,32(1): 5-11．(ZOU Chong, ZHANG Minqing, LI Yanzong, et al. Trial research on deformation control during tunneling in soft ground with high geo-stress[J]. Tunnel Construction,2012,32(1): 5-11. (in Chinese))

[8]李炎延,鄭穎人,康楠. 隧洞穩(wěn)定性影響因素的敏感性分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2015,11(2): 491-498.(LI Yanyan,ZHENG Yingren,KANG Nan. Sensitivity analysis of influencing factors of tunnel stability[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2015,11(2): 491-498. (in Chinese))

[9]李光揚(yáng),胡旭輝,鄔剛?cè)?隧道松動(dòng)圈影響因素的權(quán)值分析[J].公路,2013(2): 202-206.(LI Guangyang, HU Xuhui, WU Gangrou. Analysis of influencing factors weights of tunnel surrounding rock loose zone[J]. Highway,2013(2): 202-206. (in Chinese))

[10]王超林,王興宏,段艷平.淺埋大斷面隧道塌方處治與數(shù)值模擬對(duì)比分析[J].采礦技術(shù),2014,14(5): 25-27.(WANG Chaolin,WANG Xinghong,DUAN Yanping. Comparative analysis between collapse treatment of shallow buried large section tunnel and numerical simulation result[J]. Mining Technology,2014,14(5): 25-27. (in Chinese))

[11]高召寧,孟祥瑞,王廣地. 考慮滲流、非軸對(duì)稱荷載作用的隧道圍巖塑性區(qū)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(2): 70-75.(GAO Zhaoning, MENG Xiangrui, WANG Guangdi. Analysis of the plastic zone of surrounding rock under seepage and a non-axisymmetric load[J]. Modern Tunnelling Technology,2014,51(2): 70-75. (in Chinese))

[12]王棟,李永生,茍紅松.隧道水射流開挖技術(shù)的可行性研究與探討[J].隧道建設(shè),2014,34(11): 1042-1048.(WANG Dong, LI Yongsheng, GOU Hongsong. Feasibility study and discussion on tunnel excavation by water jet technology[J]. Tunnel Construction,2014,34 (11) : 1042-1048. (in Chinese))

[13]劉煥新,郭奇峰,郭喬盛.考慮地應(yīng)力損傷的巖體質(zhì)量分級(jí)和巖體力學(xué)參數(shù)的確定[J].中國(guó)礦業(yè),2013,22(6): 114-117.(LIU Huanxin,GUO Qifeng,GUO Qiaosheng. Rock mass quality classification based on in-situ stress damage and determination of mechanical parameters[J]. China Mining Magazine, 2013,22(6): 114-117. (in Chinese))

[14]束宇,陳福生.圍巖松動(dòng)圈與錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)系[J].江西煤炭科技,2010(1): 52-53.(SHU Yu, CHEN Fusheng. Supporting parameter design with knowledge of rock loose ring [J]. Jiangxi Coal Science & Technology,2010(1): 52-53. (in Chinese))

[15]沙鵬,伍法權(quán),李響,等.高地應(yīng)力條件下層狀地層隧道圍巖擠壓變形與支護(hù)受力特征[J].巖土力學(xué),2015,36(5): 1407-1414.(SHA Peng,WU Faquan,LI Xiang,et al. Squeezing deformation in layered surrounding rock and force characteristics of support system of a tunnel under high in-situ stress [J]. Rock and Soil Mechanics,2015,36(5): 1407 -1414. (in Chinese))

Analysis of Influence of Geological Factors on Loose Zone of Surrounding Rock: A Case Study of A Tunnel in Chongqing

TIAN Mingyu1, WANG Yanlei2, TENG Junyang2, SHU Guojun2

(1.TheFifthEngineeringCo.,Ltd.,CGGC,Yichang443002,Hubei,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

Abstract:The influence of geological factors on loose zone of surrounding rock is analyzed by taking an extra-long deep tunnel in Chongqing for example. The formation, development and distribution of loose zone of surrounding rock of tunnel are studied by means of numerical simulation method, orthogonal test and field test. The results show that: 1) The internal friction angle and cohesion of the tunnel surrounding rock have a negative correlation with loose zone of surrounding rock. 2) The side pressure coefficient and buried depth have a positive correlation with loose zone of surrounding rock. 3) The internal friction angle and buried depth are the main factors of loose zone of surrounding rock. The distribution of loose zone of surrounding rock of tunnel under different geological conditions can be aware of; and then the tunnel support parameters can be optimized timely so as to guide the tunnel constrution with safety and efficiency according to the study results.

Keywords:tunnel; geological factors; surrounding rock loose zone; numerical simulation; orthogonal test; field test

中圖分類號(hào)：U 451

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)04-0390-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.004

第一作者簡(jiǎn)介：田明昱(1974—)，男，四川遂寧人，1997年畢業(yè)于重慶大學(xué)，采礦工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程與交通土建等方面的研究工作。E-mail: 860024333@qq.com。

收稿日期：2015-09-08; 修回日期: 2015-11-09