季节性冻土区岩土工程研究（考虑余震影响的软岩隧道施工期结构力学特性研究）

杨文波 张航 罗春雨 康海波 杜明杨 林霖 何川 刘子敬西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室 西南交通大学土木工程学院 四川公路桥梁建设集团有限公司公路隧道分公司

摘 要：依托处于强震区复杂应力环境中的典型软岩隧道，通过现场实测数据，首先对静力开挖时隧道结构力学特性进行了分析；并以此为基础结合三维数值仿真分析，进一步研究了不同隧道开挖工法以及在不同施工阶段时隧道余震动力响应规律。研究结果表明：在隧道不同开挖工法下，通过比较余震作用产生的隧道位移差、隧道结构与围岩加速度响应、塑性区和初期支护最小主应力，发现隧道开挖工法对隧道余震动力响应规律影响较小；在隧道开挖不同阶段，即初支单独作用与初支二衬共同作用，二衬的施做使隧道位移差减小17.44%,初支压应力降低16.13%,说明二衬的施做有利于减小余震对隧道造成的不良影响。综合研究结果发现，在复杂应力环境中修建软岩隧道遭遇余震作用时，隧道前方掌子面易发生剪切破坏，隧道结构在拱肩与拱脚处受力较为薄弱，在余震后应为重点观察部位。

关键词：公路隧道;强震区软岩隧道;余震;结构力学特性;动力时程分析;

收稿日期：2021-04-08

基金：国家自然科学基金面上项目，项目编号51678499;

“5·12”汶川地震发生以来，我国西部地区余震频发，隧道因其抗震性能较好，成为了西部地区线路修建的重要选择。但在西部山区公路、铁路建设中不可避免地需穿越位于成都平原与青藏高原之间的龙门山断裂带，而在该断裂带区域分布着大量以千枚岩为代表的层状软岩。千枚岩呈锡丝光泽的变质岩类，常为细粒鳞片变晶结构，千枚岩隧道受复杂应力环境以及自身岩体特性的影响，在建设中出现了大量的工程问题，如施工时遭遇掌子面失稳、支护结构变形、拱架扭曲等病害[1,2,3]。钟宇健等[4]通过现场监测与数值模拟对比分析，结果显示拱顶—右拱腰部位为较为不利部位。郭小龙等[5]根据隧道变形长期监测结果，得出高地应力千枚岩隧道不同变形等级段二衬合理的施做时间。

千枚岩为代表的层状软岩在强震作用下较其他岩体更易遭到破坏，进一步加大了施工难度[5],因此如何保证在余震频繁发生的前提下，降低其对隧道施工的影响具有现实意义，目前有了一定的研究成果。张景等[7]调研了广甘高速公路施工期隧道塌方情况，利用有限差分法，探究了空洞对其在余震作用下动力响应规律的影响。赵卫[8]以杜家山隧道为例，针对施工期间的3个阶段(裸洞、初支施做、二衬施做动力响应)得出其各自的响应特征。凌瑶[9]以广甘高速公路上杜家山隧道为例，研究在二衬施做完成后，余震作用对围岩及其二衬的影响，提出隧道二衬开裂的处治措施。赖炯丞[10]考虑地震作用后，震裂岩体的岩体物理特征以及地下水的作用，对材料力学参数进行折减，研究初期支护作用下和初支二衬共同作用下，初支刚度与二衬刚度对其动力响应规律的影响。许金华[11]针对软岩隧道为研究对象对震裂岩体区软岩隧道施工过程中的失稳破坏模式、成因机制及余震作用下的灾变特性及失稳机理进行了系统研究。

上述研究中，主要考虑了隧道施工中的两个阶段，即初支作用与初支二衬共同作用，但未考虑具体开挖工法对余震作用下软岩隧道动力响应的影响，未考虑掌子面前方土体的挤压作用对于余震响应的影响，且依托的工程较为单一。基于此，本文以穿越大量千枚岩地层的蓝家岩隧道为依托，其具有高地应力、软弱围岩等特点，隧址区频繁发生的余震将使得隧道围岩-支护体系处于更为不利的状态。本文通过现场实测及数值计算等方法，针对处于强震区高地应力状态下的蓝家岩隧道施工期隧道结构内力及围岩-支护动力响应规律进行研究，剖析余震作用下围岩-支护体系的稳定性，为类似工程提出科学、合理的设计施工方案提供参考。

1 工程概况

蓝家岩隧道位于阿坝州茂县境内，是绵竹至茂县公路的重点控制性工程，隧址区位于龙门山推覆构造带后山断裂带，属“5.12”汶川特大地震强烈波及区。2008年5月12日，汶川8.0级大地震后，隧道区余震不断，目前偶然仍有较强烈的余震活动。蓝家岩隧道与龙门山断裂带位置关系如图1所示。

图1 绵(竹)茂(县)公路与龙门山断裂带位置示意

隧道沿线穿越的地层大多为千枚岩，其具有岩性松软、遇水易软化、节理裂隙发育等特点，尤其在经受强震动力作用下较之其他岩体更易产生揉搓损伤及震裂松动等现象，从而加大了在该类岩体中修建隧道的难度。

本文选取蓝家岩隧道高地应力场软岩段作为研究对象，其断面如图2所示，隧道采用的支护参数如表1所示。

2 基于实测数据的蓝家岩隧道二衬结构力学特性分析

穿越千枚岩地层隧道多处于高地应力环境，因此工程中往往出现由围岩挤压变形引起的局部破坏，可能导致严重后果。为了观察隧道施工期间二衬的受力，对蓝家岩隧道的二衬应变进行了监测，以研究此类高地应力软岩隧道施工时二衬结构的力学特征，保证现场施工的顺利进行。

图2 蓝家岩隧道断面

单位：cm

表1 蓝家岩隧道高地应力软岩段支护参数

	初期支护/cm		二次衬砌/厚度(*表示钢筋混凝土)/cm	预留变形量/cm
系统锚杆(长度/间距(纵×环))/m	喷射C20混凝土厚度/cm	钢架(类型/间距)
4.0/1.5×1.2	30	I18/80(全环)	C30混凝土/50*	25

2.1监测方案确定

为了解蓝家岩隧洞二次衬砌的受力状态，检验二次衬砌设计的合理性，判断二次衬砌支护结构长期使用的可靠性及安全程度，在每个量测断面处均以对称方式埋设了8对(16个)混凝土应变计，分别布置于隧道拱顶、左右拱肩、左右拱腰、左右拱脚、拱底的位置处，混凝土应变计需成对埋设，2个混凝土应变计分别位于二衬混凝土内的内侧与外侧，从而计算二次衬砌截面内的轴力和弯矩。元器件断面埋设示意图以及现场照片分别如图3、图4所示。

图3 元器件断面埋设示意

图4 元器件安装

2.2现场监测结果分析2.2.1二衬内力

图5、图6分别为蓝家岩实测二次衬砌轴力与弯矩的时态曲线。由图5、图6可知：二次衬砌施做后，轴力和弯矩在前30 d快速变化， 30～60 d增速逐渐放缓，直至60 d后二次衬砌的受力逐渐趋于稳定。

图5 二次衬砌的轴力时程曲线

图6 二次衬砌的弯矩时程曲线

从图5中可以看出，各位置处的二次衬砌轴力均为负，说明各监测位置的二衬均受压。从轴力看，隧道开挖最大轴力位于右拱腰处，为3 360.82 kN,拱底处轴力最小，为1 226.73 kN。从二衬弯矩来看，拱顶与拱底承受正弯矩(内侧受拉),其余部位承受负弯矩(外侧受拉),最大正弯矩位于拱底处，为38.37 kN·m, 最大负弯矩位于左拱脚处，为-107.58 kN·m。

2.2.2二次衬砌安全系数

依据蓝家岩隧道高地应力软岩断二次衬砌的轴力与弯矩实测结果，根据《公路隧道设计规范 第一册土建工程》[12],计算得到该断面处二衬安全系数的时态曲线，如图7所示。由图7可知，隧道安全系数与隧道二衬内力变化趋势类似，前30 d由于隧道二衬内力增加，安全系数急剧减小，而后逐渐放缓，最终趋于稳定。蓝家岩隧道安全系数均大于规定值，拱腰与拱脚处安全系数较低，最小值为3.37。

图7 二次衬砌安全系数时程曲线

3 基于数值模拟蓝家岩隧道施工期围岩-结构动力响应研究

蓝家岩隧址区频繁发生的余震将使得高地应力软岩隧道围岩-支护体系处于更为不利的状态，基于此，本文采用数值模拟的手段对蓝家岩隧道施工期余震作用下围岩-结构动力响应特性进行研究。主要计算步骤为：首先根据蓝家岩隧道地应力反演结果，计算初始地应力；然后进行隧道开挖与支护；最后在模型底部施加地震波，进行动力求解。

3.1模型参数与输入地震波

本文利用有限差分软件FALC 3D建立如图8所示的数值模型，模型的尺寸为87.5 m×52.5 m×87.5 m(长×宽×高)。模型上表面为自由边界，并约束侧面及底面的法向位移。选用摩尔-库伦本构模型，采用实体单元对围岩进行模拟，并采取提高加固区围岩参数的方法模拟超前加固[13];初期支护采用实体单元，钢拱架通过等效刚度的方法考虑[14];二次衬砌采用壳单元(shell)。具体物理参数如表2所示。为了模拟现场隧道实际埋深，根据蓝家岩隧道地应力反演结果，施加构造应力场[15]。

图8 动力计算模型及边际条件

表2 围岩及支护结构物理力学参数

围岩类别	重度γkN⋅m−3重度γkΝ⋅m-3	弹性模量E/GPa	黏聚力c/kPa	内摩擦角φ/(°)	泊松比
围岩	21.5	5	60	36	0.36
加固区围岩	24.0	12	100	40	0.28
初期支护	22.0	25.69	--	--	0.2
二次衬砌	25.0	28.0	--	--	0.2

力学阻尼采用工程中常用的Rayleigh阻尼，因为岩体为软弱围岩，边界条件模型底部使用黏性边界，将速度时程转化为应力形式输入，四周是自由场边界。因无直接实测余震波，参考文献[11],选择隧址区主震地震波(汶川清平地震波)作为地震动输入。通常情况，获得的地震波记录为加速度时程曲线，本次采用地震波振幅取0.33 g, 如图9所示。通过积分转化为速度时程，再利用式(1)、式(2)转化成应力从模型底部输入。

σn=-2(ρ·CP)vn (1)

σs=-2(ρ·CS)vs (2)

式中：σn为法向应力；σs为剪切应力；ρ为介质密度；CP为介质的P波速度；CS为介质的S波速度；vn为竖直方向的质点速度；vs为水平方向的质点速度。

图9 输入地震波加速度时程曲线

3.2考虑工况与监测方案

首先考虑了3种开挖工法：上下台阶法、上下台阶预留核心土法、三台阶法，以探究开挖工法对余震作用下动力响应的影响，并考虑了掌子面前方土体的挤压作用，其中上台阶开挖至43.5 m, 如图10所示。针对隧道实际采用工法——上下台阶预留核心土法，考虑施工过程中两个过程：初期支护施工完成与二次衬砌施工完成，以比较施工不同阶段，遭遇的地震作用、围岩-支护动力响应以及结构安全性。在余震过程中，监测了10 m断面初期支护与二次衬砌拱顶、拱肩、拱腰、拱脚、仰拱处8个位置，同时监测土体不同高度处测点，如图11所示，其中S1～S8为隧道监测点，T1～T9为土体监测点。

4 数值计算结果与分析4.1不同开挖工法下围岩—支护动力响应特征4.1.1位移特征分析

结构相邻部分位移差是结构地震响应的重要评判依据，在地震过程中，监测了洞周10 m断面8个测点的位移，结果显示，其在隧道拱顶与仰拱中心之间产生最大的位移差，绘制不同开挖工法的位移差时程曲线，如图12所示。不同开挖工法下隧道洞周位移差变化曲线相似，最大位移差均出现位置接近12.35 s(地震波正加速度峰值点),上下台阶法、上下台阶预留核心土法、三台阶法3种工法最大位移差分别为1.00 cm、0.86 cm、1.04 cm,说明在余震作用下，隧道整体位移差较小，3种工法位移差相差不大，位移差呈现三台阶法>上下台阶法>上下台阶预留核心土法的趋势。

4.1.2加速度特征分析

在地震过程中监测隧道10 m断面的X方向加速度，提取隧道拱顶与同高度土体加速度时程曲线，如图13所示。从图13中可以看出，隧道拱顶与同高度围岩加速度时程曲线几乎相同，且与输入加速度时程曲线相似，说明隧道结构的施做对围岩地震动力响应影响较小，这与赖炯丞[10]得到的结论相同，即隧道结构对地层加速度响应有明显的追随性。

图10 开挖工法示意

图11 监测点布置

图12 不同开挖工法下隧道位移差时程曲线

图13 不同开挖工法下初支与围岩X方向加速度时程曲线

为比较围岩不同高程加速度峰值响应，在余震作用下，将不同位置处土体监测点的X方向加速度峰值记录，如图14所示。从图14中可以看出，随着与土体底部(地震波施加位置)距离的增加，加速度响应逐渐增大，不同开挖工法对加速度响应峰值影响不大，说明土体加速度响应主要受入射地震波与岩体自身性质影响。

图14 不同开挖工法下土体X方向加速度峰值

4.1.3塑性区

3种开挖工法余震作用过后塑性区分布如图15所示。从图15中看出，地震造成岩体破坏以剪切破坏为主，且掌子面前方土体大量破坏，不同开挖工法塑性区面积呈现上下台阶预留核心土法>三台阶法>上下台阶法的趋势，但整体相差不大。

图15 不同开挖工法塑性区

4.1.4初支应力分布

余震作用下，初支应力主要承受压应力，过程中监测了初期支护的8个测点主应力，提取其最小主应力，如图16所示。从图16中可以看出，不同开挖工法下，初支应力分布相似，在拱肩拱脚处初支压应力较大，其中拱脚处上下台阶法、上下台阶预留核心土法、三台阶法初支最大压应力分别为34.29 MPa、33.53 MPa、33.35 MPa, 说明开挖工法对余震作用下初期支护受力影响不大，但超过了混凝土抗压强度，说明在地震作用下，初期支护处于较不利的受力状态，可能发生混凝土掉落。

图16 不同开挖工法下初支应力分布

4.2不同施工阶段围岩—支护动力响应特征4.2.1位移及加速度特征分析

绘制不同施工阶段隧道洞周位移差时程图，如图17所示。不同施工阶段下隧道洞周位移差变化曲线相似，初期支护作用与初期二衬共同作用最大位移差分别为0.86 cm、0.61 cm, 二衬的施加使隧道位移差减少了17.44%,说明二衬的施做有利于减小隧道洞周因地震作用产生的位移差。

图17 不同施工阶段隧道位移差时程曲线

与开挖工法相同，提取围岩不同位置X方向峰值加速度(围岩测点见图11),如表3所示。由表3可以看出，二衬施加对围岩加速度响应几乎没有影响，说明隧道结构的施加对围岩加速度响应没有影响，这与前文得出的结论相同。

4.2.2初支应力分析

由前文可知，地震作用下，初期支护以受压为主，主，初期支护压应力在拱脚处取最大值，因此，绘制不同施工阶段初期支护左拱脚最小主应力时程曲线，如图18所示。从图18中可以看出，施工不同阶段初期支护压应力变化规律类似，初期支护作用与初支二衬共同作用下初支左拱脚最大压应力分别为33.53 MPa、28.12 MPa, 二次衬砌的施加使初期支护应力降低了16.13%,说明二衬有利于分摊初期支护的受力。

表3 围岩X方向峰值加速度

m·s-2

测点	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9
初支作用	5.10	5.06	4.83	4.80	4.72	4.64	4.61	4.39	4.04
初支二衬共同作用	5.11	5.06	4.83	4.80	4.73	4.65	4.62	4.38	4.04

图18 不同施工阶段初支左拱脚最小主应力时程曲线

4.3衬砌结构内力响应分析

在隧道初支二衬共同作用工况下，提取隧道二衬内力峰值，并于隧道开挖至该断面二衬内力结果比较，如图19、图20所示。由图19、图20可知，静动力作用下隧道弯矩沿隧道轴线呈现对称分布，在左右拱脚处取得极值；轴力沿隧道45°方向对称分布，在左拱脚与右拱肩处取得极值。动力情况下弯矩最大值为278.09 kN·m, 轴力最大值为4 129.73 kN。动力作用下，隧道弯矩急剧增大，在拱肩处最明显，动弯矩为静弯矩的8.19～8.49倍，其余部位增大量在0～2倍，动轴力增长值在1倍以内，容易产生较大的偏心距，失稳破坏。

图19 二衬弯矩峰值

单位：kN·m

图20 二衬轴力峰值

单位：kN

根据二衬内力值求得隧道地震过程中二衬各部分的安全系数，提取其最小值，如图21所示。隧道安全系数在右拱肩与左拱脚处取得较小值，分别为2.83、2.80,均大于《公路隧道抗震设计规范》[16]中规定的安全系数，与静力作用相比，安全系数最小值降低了16.91%,说明在此余震作用下，隧道已施工的二衬结构较安全，但应在拱肩与拱脚处注重抗震设防。

图21 隧道二衬安全系数

5 结语

本文依托蓝家岩高地应力软岩隧道，首先通过现场实测数据对隧道二衬内力及其安全性进行了分析，然后针对不同开挖工法：上下台阶法、上下台阶预留核心土法、三台阶法，通过数值模拟的手段，研究隧道开挖工法对余震作用下围岩-支护动力响应的影响，得出以下结论。

(1)隧道二衬内力与其安全系数变化趋势相似，前30 d隧道二衬内力极速增长，使得隧道二衬安全系数降低，30～60 d变化速率逐渐放缓，60 d后二衬内力与安全系数趋于稳定。

(2)余震作用下，隧道整体位移差较小，位移差呈现三台阶法>上下台阶法>上下台阶预留核心土法的趋势。隧道结构加速度响应对地层加速度响应有明显的追随性，围岩加速度响应主要受入射地震波与土体自身性质影响，与开挖工法与隧道结构的施做无关。

(3)地震造成岩体破坏以剪切破坏为主，且掌子面前方土体大量破坏，不同开挖工法塑性区面积呈现上下台阶预留核心土法>三台阶法>上下台阶法的趋势，但整体相差不大。地震作用下，初期支护承受较大的压应力，可能发生混凝土掉落。

(4)初支二衬共同作用与初支单独作用相比，隧道位移差减少了17.44%,初期支护最大压应力降低了16.13%,说明二衬的施做有利于减小隧道洞周因地震作用产生的位移差，分摊初期支护的受力。

(5)余震作用下，隧道弯矩急剧增大，在拱肩处最明显，动弯矩为静弯矩的8.19～8.49倍，其余部位增大量在0～2倍，动轴力增长值在1倍以内，容易产生较大的偏心距，失稳破坏。与静力作用相比，余震作用使得安全系数最小值降低了16.91%,在右拱肩与左拱脚处取得较小值，需注重抗震设防。

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