地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第2期 VOL.10 No.2 1999



二郎山隧道洞壁位移应力测试与信息化施工
靳晓光　王兰生　李天斌　徐进　徐林生
　　摘　要　通过对川藏公路二郎山隧道洞壁收敛位移及围岩岩体二次应力的测试分析，提取信息，并及时反馈信息，从而完善设计、正确指导施工。
　　关键词　收敛位移　二次应力　信息化设计施工
　　中图号　U452.12　TU456
CONVERGENCE DISPLACEMENT OF TUNNEL WALL STRESS MEASUREMENT AND INFORMATIONAL CONSTRUCTION OF ERLANG MOUNTAIN TUNNEL
Jin Xiaoguang　Wang Lansheng　Li Tianbin　Xu Jin　Xu Linsheng
(Insititute of Engineering Geology,Chengdu University of Techno logy,Chengdu　610059)
　　Abstract　Based on the observation and analysis of the con vergence displacement of tunnel wall and of secondary stress surrounding rock ma ss in Erlang mountain tunnel of Sichuan-Tibet highway,the related informations a re abstracted and feedbacked in time to make the design perfect and to guide the construction correctly.
　　Key Words　Convergence displacement　Secondary stress　Inf ormational desigh and construction
　　目前正在施工中的川藏公路二郎山隧道长4.176km，最大埋深700m以上。隧道穿越泥盆系、志留系的砂岩、泥岩和灰岩地层，地质条件复杂。为及时获取信息，反馈信息、确保工程的顺利进行，施工过程中进行了连续的洞壁及收敛位移围岩岩体二次应力测试。
　　自隧道新奥法施工技术问世以来，量测洞室在开挖过程中围岩发生的位移量已逐渐受到重视，目前已被用作反演确定初始地应力和地层材料特性参数的主要依据，对围岩位移量的预报，以及确定合理的支护设置时间，具有重要的理论意义。
　　测试由洞室开挖引起的岩体二次应力，并结合现场岩石点荷载强度试验成果及量测位移信息，来判别围岩类别、预测岩爆及岩体大变形，具有重要的实用价值。
1　洞壁收敛位移特征
1.1　量测信息的数据处理
　　在隧道施工过程中，由现场采集的位移量(用钢弦式收敛计量测)信息是洞壁两点之间发生的相对位移量随时间而变化的曲线。图1是在桩号K260+810获得的位移—时间(U-t)曲线。由图1可以看出，相对位移量随时间而增大，曲线的几何形状可表示为连续的折线。图中位移量的瞬间突跳，通常是由开挖进尺向前延伸引起；而测值偶有下降，是围岩组构中局部范围内的节理裂隙，瞬时出现较大的变形或围岩发生局部破坏的伴生现象。结合量测过程进行分析，将这类连续折线的转折点纵坐标取为这一时刻实际发生的相对位移量，将转折点之间的图形连为直线，对其间变形过程规律的描述带有主观随意性。因此，为了较为客观地反映围岩变形随时间变化的规律，借助回归分析，将连续折线处理为连续光滑的曲线。图2，图3分别是采集典型地段位移信息，经回归分析获得的位移—时间曲线，即U-t曲线。


　　　图1　K260+810处位移-时间(U-t)曲线
　Fig.1　The displacement-time curue of the point K260+810


　　　图2　K260～K261典型地段U－t曲线
Fig.2　The displacement-time curve of the typicsector of K260～K261


　　图3　K262～K263典型地段U－t曲线
　Fig.3　The displacement-time curve of the typic sector of K262～K263
1.2　收敛位移特征
　　从图2，图3位移—时间特性曲线可以看出，位移与时间有密切的关系。其共同规律是：位移在前期随时间增长而迅速加大，位移速率逐渐减低。当到达一定时间后，位移趋向稳定。从图上看，变形大体经历了三个阶段即：增长和急剧增长阶段，其持续时间大约为20～40d，此阶段变形量约占趋向稳定时总变形量的70%左右；慢增长阶段，持续时间大约20～40d；以后是开始趋向稳定阶段。稳定时间基本按Ⅴ—Ⅳ—Ⅲ类围岩的次序递增，这是因为围岩越稳定，位移稳定时间就越快。图2，图3所示的典型曲线位移变化特征如表1所列。由表1可以看出，到缓慢增长变形阶段，变形已释放程度达90%以上，基本趋于稳定状态。
　　　　　　表1　典型地段位移—时间特征
　　　Table 1　The displacement-time characteristic of the typ ic sector

测 点 编 号EZ36EZ42EZ43WZ33WZ30WZ20
地
段
特
性断面里程K260+570K260+810K260+850K262+138K262+260K262+638
围岩类别ⅤⅣⅢⅤⅣⅢ
历经时间 (d)82110100917673
累计位移 (mm)0.500.700.78510.6313.0018.21
增长
和急
剧增
长阶
段　持续时间 (d)255050303040
变形量 (mm)0.30.50.76.510.215.5
变化速率(mm/d)0.0120.010.0140.210.340.021
变形释放程度 (%)607180617885
缓慢
增长
阶段持续时间 (d)554040504030
变形量 (mm)0.150.150.13.52.21.5
变化速率(mm/d)0.0030.00380.00250.070.0 550.05
变形释放程度 (%)909394949593
趋向稳定阶段


2　围岩二次应力测试
　　在二郎山隧道工程施工中，采用简单、易行、有效的改进应力恢复法测试围岩表面的二次应力，即利用应变仪分别测量X 方向(即洞壁沿洞轴线的水平方向)、Z方向(即洞壁铅直方向)及其间45° 方向上的应变差值，利用点荷载仪配备特制的加载装置，完成应力的恢复，求得二次应力σx及σz。二郎山隧道工程实践证明，改进应力恢复法 是可行的、有效的。
　　通过测试分析，隧道洞壁围岩二次应力由东向西沿洞深呈图4，图5所示的变化。由图4，图5可见，桩号K261+000附近，平行洞轴方向的二次应力最高达到66MPa，其次，在K261+900附近也较高。铅直方向的二次应力在K260+115及K261+940附近为高值影响带，在K261+638及K262+444至K261+740为两个低值区。分析洞壁围岩岩体二次应力的变化，主要与以下因素有关： 


　　　　　　图4　岩体二次应力(平行洞轴)随 洞深变化曲线
　Fig.4　The curve of secondary stress in rockmass(parallel to tunnel axi s) against distance from tunnel portal


　　　图5　岩体二次应力(垂向)随洞深变化曲线
Fig.5　The curve of the secondary stress in rockmass (vertical) against dis tance from tunnel portal
　　(1) 与浅表生改造关系明显。受浅表生改造的影响，在距岸坡(山坡)一定深度范围内形成应 力增高带。如图5中的EBS3，BS4点所示，在距东口1000m，距西口720m左右，有两个二次应力高值带。
　　(2) 受地应力及断层影响。由于断层的影响，造成断层附近的局部应力升高。如图5中的BS9，图4中的EBS6分别受F5，F6及F4断层的影响，引起应力集中。同时，受地应力的影响，当以水平地应力为主时，平行洞轴方向(与地应力方向夹角小)的二次应力与地应力的关系更加 明显。
　　(3) 与地下水及岩体结构、岩性有关。在地下水出露地段及岩体结构质量差、岩石强度小的地段，二次应力较低。
3　信息化设计与施工
　　根据收敛位移及二次应力测试成果，获取信息，并及时反馈信息，结合现场实际，及时修改与完善设计，从而正确指导施工。通过对测试成果的深入分析，及时提出合理的二次支护时间，完善了设计阶段提出的对大变形及岩爆地段的分析。
　　当收敛位移变形速率明显下降，或变形开始趋向稳定时，应及时进行二次支护。否则位移又可能继续发展，特别是附近有开挖影响时更是如此。通过对图2，图3位移—时间曲线及表1所列特征的分析可以得出，在K260+K261及K262～K263地段围岩和支护条件下，两次支护合理的间隔时间应是50～90 d。
　　隧道主洞K261+751至K261+993段，原设计为一级大变形段、Ⅳ类围岩。支护参数：拱部、边墙为10cm 厚的C20混凝土，6钢筋网，20mm×20mm，沿锚杆覆盖范围铺设。二次衬砌，C20混凝土厚35cm，仰拱厚30cm，其中，5cm喷混凝土，25cm混凝土。通过对收敛位移及二次应力测试成果分析，可以得出：
　　(1) 该段整体属于Ⅳ类围岩，局部(K261+980～965)属于Ⅴ类围岩，围岩剥落现象较为严重。通过应力恢复法测得K261+898处围岩表面二次应力σx(平行洞轴)=30.82 MPa，σz(垂向)=32.88MPa，二次应力较高。该处岩性为砂质泥岩，平行层理的岩石点荷载抗压、抗拉强度分别为26.62MPa和2.6MPa，垂直层理的岩石点荷载抗压、抗拉强度分别为46.86MPa和4.58MPa。
　　(2) 该段为砂质泥岩，岩石平均强度约为36 MPa，从二次应力值和岩石的强度来看，属于一级岩爆区，但是该强度正好在划分软硬岩的临界值30MPa附近。因此，建议可将原设计的仰拱二次衬砌由原来的厚30cm变更为厚20cm，甚至更小。其中，喷混凝土厚5cm，混凝土厚15cm，多出的10cm以片石填充。
4　结论
　　通过川藏公路二郎山隧道洞壁收敛位移—时间特征、洞壁表面二次应力及其沿洞深变化特征的分析，提出合理的二次支护时间，完善了设计对大变形地段的分析，并及时向有关部门提出建议，以正确指导施工。实践证明施工过程中的测试→提取信息→反馈信息→指导设计、施工，即信息控制法的正确性。
　　在本研究进行中，得到铁道部隧道局、铁道部第十六工程局、铁道科学研究院西南分院有关同志及监理工程师等的帮助，在此深表感谢。
作者简介：靳晓光，男，32岁。成都理工学院在读博士研究生。主研方向：地下工程、地质灾害防治等方面的科研与生产工作。
作者单位：成都理工学院工程地质研究所，成都　610059
参考文献
　1　徐祯祥.地下工程试验与测试技术.北京：中国铁道出版社，1984
　2　金川有色金属公司井巷公司，北京钢铁学院.用BM-1型多点位移计研究金川矿巷 道围岩的位移.见：地下工程经验交流会论文选集.北京：地质出版社，1986
(收稿日期：1999－03－22)
