摘要：通过岩溶区全断面开挖隧道围岩变形监测，并运用相似模型试验和现场监测数据分析成果，分析岩溶区公路隧道在全断面开挖过程中的围岩变形特性，提出了岩溶区全断面开挖隧道围岩变形时空曲线的一般模式，在此基础上，建立了岩溶区围岩稳定性判别标准，给出超前支护和二次衬砌的最佳时机。
　　关键词：岩溶；全断面开挖；监测；隧道；围岩；变形特性
　　Abstract: through the karst area excavation, whole section of surrounding rock deformation monitoring, and using similarity model test and field monitoring data analysis results, analysis the karst area highway tunnel excavation in whole section in the process of rock deformation characteristics, puts forward the whole section in the karst area excavation of surrounding rock of the general pattern time and space curve deformation, and based on this, the stability of surrounding rock in the karst area established the judgment standard, give support and advance the second lining optimal opportunity.
　　Keywords: karst; Whole section excavation; Monitoring; Tunnel; Surrounding rock; Deformation characteristics
　　
　　
　　中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
　　目前，在工程中主要采用施工中的监控量测来研究围岩的稳定性。判断支护结构的合理性，进而调整设计和指导施工。通过监控量测数据准确评判围岩的稳定性，不论采用经验资料、还是进行反分析或数理模型等最终都要对隧道开挖过程中围岩变形的时空关系有清楚的认识。对岩溶区的隧道开挖同样要弄清围岩变形受到岩溶的影响而表现出的变化规律，方能在施工量测中准确评价围岩稳定性，进而对其进行控制。
　　当岩溶地区修建隧道时，常常遇到大小不等、部位不同、充填物及充填程度不同、含水量不同的溶洞，这些溶洞的存在都给隧道的施工和围岩稳定的控制带来不同程度的困难[1]。不同位置、不同大小的溶洞对隧道开挖过程中围岩稳定性的影响是各不相同的[2]。本文根据沪蓉国道主干线宜昌至恩施段上夹活岩隧道岩溶发育段监控量测数值分析的成果，对岩溶区隧道围岩的变形特性进行分析，根据变形规律提出监控量测中评价围岩稳定性的方法、超前支护和二次衬砌时间、岩溶处理的界限与标准。
　　1夹活岩隧道施工监控量测
　　1.1工程概况
　　夹活岩隧道位于宜昌市长阳县境内，是沪蓉国道主干线宜昌—恩施高速公路中的第二特长隧道，该隧道是一座上下分离式特长隧道，左线长5107m，右线长5228m，单线总长10335m，开挖断面面积达110ｍ2，属于大断面隧道。隧道开挖主要采用全断面光面爆破开挖方法。在隧道施工过程中，多处出现溶洞，其中对围岩稳定性造成影响并需要进行处理的有2段，分别位于左线段的ZK48+168～ZK48+190及ZK46+995～ZK46+920段。
　　1.2监控量测结果
　　在施工中重点对岩溶发育区进行监测，监测的项目主要是拱顶下沉位移和收敛位移，周边收敛位移量测采用一条基线。现选择溶洞前后测试断面ZK48+175、ZK48+190、ZK46+995，ZK46+975，ZK46+970及ZK46+930， (如图1所示)的数据进行分析。图2为各所选断面实测拱顶下沉位移曲线和收敛位移曲线。从图2ａ可以看出，拱顶下沉位移的最大变形速率为2mm•d-1，6d以后变形速率降为零；对于收敛位移开挖后的最大变形速率9.73mm•d-1， 10d以后降为0.08mm•d-1；最终收敛位图1被选测试断面与溶洞位置关系
　　约为移拱顶下沉位移量的2倍。
　　图2c和图2d为ZK46+995～ZK46+975处溶洞两端的测试断面的量测曲线，图2e和图2f为ZK46+970～ZK46+930处溶洞两端的测试断面的量测曲线。从曲线上可以看出围岩的变形速率很快减小并趋于零,说明围岩趋于稳定状态。
　　
　　
　　图2溶洞附近各断面拱顶下沉与收敛位移实测曲线
　　根据《公路隧道施工技术规范》规定,隧道周壁任意点的实测相对位移或回归分析推算的总相对位移值(对于夹岩岩隧道)应小于0.6～1.2cm。对于夹活岩隧道开挖跨径12ｍ而言，由上述曲线中的收敛位移求得的相对位移小于0.007ｍ，显然满足围岩稳定性的要求。
　　1.3围岩变形规律的对比分析
　　根据监测数值分析结果，有溶洞的围岩在开挖前有较大的前期变形，特别是接近溶洞的断面在开挖时的释放位移明显比后续断面要大，最大差值可达到30%，反映出围岩变形规律具有明显的超前释放性。而从监控量测结果(图2c，2d，2e，2f)来看，两处溶洞前后的释放位移曲线均显示出，在开挖断面临近溶洞时的位移释放量比开挖溶洞前方断面的位移释放量大。
　　2岩溶对隧道围岩变形特性的影响
　　围岩变形特性的主要表述内容是变形速率、变形量和变形的时空效应。下面根据试验研究和数值分析成果就岩溶对隧道围岩变形特性的影响进行分析。
　　试验及计算结果表明[2]，在开挖进程到达测试断面之前，溶洞的存在使围岩的变形增大，有溶洞的负空间效应位移释放率为15%～35%，无溶洞的为10%～25%；对于图3所示正空间效应段实际上是由开挖瞬时释放位移和后续相邻几个断面（间距一般为2～3倍隧道直径）的释放位移组成，试验和数值分析结果显示，在有溶洞的断面正空间效应段主要是开挖瞬时释放位移，其开挖瞬时位移释放率为40%～50%，而无溶洞的断面开挖瞬时位移释放率一般 在30%～40%之间。根据上述规律，给出如图3所示的含溶洞断面的围岩变形特性。
　　图3ａ中曲线1表示无溶洞的时空曲线；如果围岩中存在溶洞，则围岩变形速率将增大，变形历时曲线将变陡；如果溶洞尺寸再增大或溶洞与隧道周边的距离减小，则围岩变形速率继续增大，变形历时曲线也将继续变陡；但当溶洞尺寸增大到一定值时，围岩变形速率反而减小，此时变形历时曲线将有所减缓。这3种情况反映了溶洞尺寸和溶洞与隧道周边的距离对围岩的变形历时曲线形态的影响，分别用曲线2,3,4表示，其影响规律为：
　　(1)当溶洞尺寸不变,溶洞与隧道周边的距离增大时，溶洞断面的位移曲线将从曲线3逐渐向曲线1過渡，变形速率由大变小。
　　(2)当溶洞与隧道周边的距离不变，溶洞尺寸不断增大时，溶洞断面的位移曲线将从曲线1逐渐向曲线3过渡，变形速率由大变小；但当溶洞尺寸增加到一定值时，位移曲线又开始变缓(如曲线4)，变形速率由大变小，此时的曲线和无溶洞的曲线的主要差别是在开挖前释放的位移很大。
　　隧道围岩的变形速率是进行围岩稳定性推断的主要参数之一。前述已知含溶洞的变形速率明显比无溶洞的变形速率要大。为了进一步定量分析，由监测数值分析和模型试验结果分别对隧道周边不同距离、不同大小的溶洞断面的平均变形速率进行计算，如表1所示。
　　表1含溶洞断面在开挖瞬间和开挖后的最大变形速率
　　
　　
　　表1中的数据表明含溶洞断面的围岩变形速率在开挖瞬间为最大，并随溶洞直径的增大而增大，而随溶洞与隧道间距离的增大而减小；开挖后的变形速率较小，与开挖瞬间的变形速率相比，最大比值可达到5倍。
　　对于无溶洞的变形速率在整个正空间效应段为最大，试验与数值分析的平均最大位移速率约为0.29～0.34mm•ｄ-1。
　　在实际工程中由于空间效应段的变形曲线是无法测到的，对于含溶洞的断面只能测到断面开挖后的变形曲线，因此对开挖后的变形速率研究更具有实际意
　　图4有溶洞和无溶洞的最大变形速率的比值与溶洞与隧道的距离和溶洞直径的关系曲线
　　义。为此利用模型试验和三维数值分析结果给出断面开挖后的有溶洞和无溶洞的最大变形速率的比值与溶洞直径和溶洞与隧道距离的关系曲线，如图4所示。
　　图4ａ中曲线是根据试验与数值分析结果按照对数关系拟合的曲线，可以看出，开挖瞬间有溶洞和无溶洞的最大变形速率的比值与溶洞与隧道的距离成反比关系，而开挖后与溶洞的直径成正比关系，在溶洞与隧道的距离达到12m时，比值趋近于1，这表明隧道与溶洞之间的岩体厚度达到1倍的隧道直径时，溶洞对围岩的变形速率几乎没有影响。
　　图4ｂ中曲线是根据试验与数值分析结果[2]，按照二次函数关系拟合的曲线，可以看出，开挖瞬间和开挖后的有溶洞和无溶洞的最大变形速率的比值与溶洞的直径成二次函数关系；在溶洞的直径达到5.5～6.0m时，比值趋近于极值。这说明当溶洞的直径为隧道直径的一半时，开挖后的位移速率受溶洞的影响最小。
　　3岩溶区隧道围岩稳定性控制技术
　　3.1围岩稳定性判别标准
　　由于在实际隧道开挖过程中能够监测到的围岩变形数据仅是反映开挖后的围岩变形的阻尼段和后期流变段，因此只能利用阻尼变形段和后期的流变段的变形特征建立围岩稳定性判别标准。根据对岩溶区隧道围岩的变形特性分析可以看出，有溶洞的断面在开挖后很快趋于稳定，围岩的阻尼变形段极短，围岩的变形速率快速降低(一般在后续2～3个断面后完全进入流变段)并趋近于零。由此结合我国《公路隧道施工技术规范》和岩溶区隧道围岩变形特征，给出岩溶区隧道围岩稳定性判别标准为：
　　(1)当隧道在开挖后围岩的变形长时间保持匀速增加或变形速率出现增加趋势，则表明围岩有失稳的可能。
　　(2)而当开挖后围岩的变形速率降低,并很快趋近于零或小于某一个值(0.1mm•ｄ-1)时，则围岩处于稳定状态.根据该标准，可以利用现场监测资料，绘制出隧道的变形特性曲线，并通过变形速率分析，对围岩稳定状况进行判断，进而指导施工。
　　3.2开挖过程中的超前支护
　　模型试验和数值分析研究结果均表明[2]，根据溶洞直径和距隧道距离的不同，有溶洞的断面在开挖前和开挖瞬间均有较大的位移释放率，开挖前有溶洞的位移释放率为20%～40%，无溶洞的为15%～30%；开挖瞬时有溶洞的位移释放率为40%～50%，而无溶洞的断面开挖瞬时位移释放率一般在20%～30%之间，平均高出20%左右。为了使在开挖有溶洞断面的瞬间围岩稳定，保证施工及隧道结构的安全，隧道开挖接近溶洞的前一个开挖断面时，采取必要的超前支护措施是非常必要的。对于顶部溶洞，超前支护重点在拱顶附近；对于侧面的溶洞，超前支护从拱顶到侧墙，若溶洞在底部则视围岩情况实施超前支护。
　　3.3施作二次衬砌的最佳时机
　　根据新奥法原理，其最佳施作时机应在阻尼段结束之后，因为阻尼段变形结束后，初期支护后的应力调整已基本结束，此时进行二次衬砌不承受空间效应和阻尼变形的变形压力，只承受流变变形的压力，使二次衬砌的受力达到最小。同时在现阶段初期支护的抗力已充分发挥，达到围岩变形压力与支护抗力的动态平衡。根据岩溶区围岩的变形特征，含溶洞的断面围岩变形的阻尼段在开挖向前推进2～3个断面(开挖长度约为隧道直径的1.0～1.5倍)后趋于完成，此时变形速率趋于零或小于0.1mm•ｄ-1，并且变形量也达到总变形量的80%～90%,此时是施做二次衬砌的最佳时机。如果此时不及时施做二次衬砌，就不能及时对围岩的流变提供足够的约束应力，从而可能导致初期支护开裂，出现流变不收敛甚至加速的情况。
　　在实际工程中，根据监控量测获得的围岩变形曲线的特征按照上述原则准确确定二次衬砌的时间。特别是对于隧道侧面溶洞引起偏压效应时，更应紧密结合监控量测资料。
　　3.4隧道距岩溶的安全距离确定
　　模型试验和数值分析研究表明[2],当隧道顶部或正侧面有溶洞存在时，隧道径向位移随溶洞与隧道周边的距离的增大而减小，当隧道与溶洞之间的岩体厚度达到2～3倍的溶洞直径时，溶洞对围岩的变形的影响甚微，可以忽略不计。而对于隧道侧45°方向的溶洞,当溶洞离隧道的距离达到4倍的溶洞直径时，其对围岩的影响可以忽略不计。
　　有溶洞和无溶洞的最大变形速率的比值与溶洞与隧道的距离的关系曲线表明隧道与溶洞之間的岩体厚度达到1倍的隧道直径时，溶洞对围岩的变形几乎没有影响。综合考虑上述2种因素，给出如下溶洞安全距离的确定依据：(1)对于隧道顶部和正侧面的溶洞，当溶洞离隧道的距离达到2～3倍的溶洞直径，并且隧道与溶洞之间的岩体厚度达到1倍的隧道直径时，可以不考虑溶洞对隧道的影响。(2)对于隧道侧45°方向的溶洞，当溶洞离隧道的距离达到4倍的溶洞直径，并且隧道与溶洞之间岩体厚度达到1倍的隧道直径时，可以不考虑溶洞对隧道的影响。
　　5结语
　　根据现场量测结果分析了溶洞使隧道围岩开挖变形具有超前释放的特征，其监测结果与模型试验和数值分析所获得的溶洞引起的围岩开挖位移超前释放规律是完全一致，要有效控制溶洞引起的围岩变形，应在开挖至溶洞断面时加强超前支护。并初步提出了岩溶区围岩稳定性判别标准，给出了超前支护和二次衬砌的时机。
　　参考文献:
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　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。