隧道围岩松动圈的现场测试与理论分析

第37卷增刊1岩土力学Vol.37Supp.12016年6月RockandSoilMechanicsJun.2016收稿日期：2015-09-15基金项目：国家自然科学基金（No.51308574）；中国博士后科学基金（No.2014M562286）；重庆市科委基础与前沿研究项目（No.cstc2013jcyjA30007）；重庆市教委科学技术研究项目（No.KJ130404）。ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51308574),ChinaPostdoctoralScienceFoundation(2014M562286),ChongqingMunicipalScienceandTechnologyFoundationandFundedFrontierResearchProjects(cstc2013jcyjA30007),andChongqingMunicipalEducationCommissionScientificAndTechnologicalResearchProjects(KJ130404).第一作者简介：黄锋，男，1982年生，博士，副教授，主要从事隧道及地下工程领域的教学与研究工作。E-mail:[e-mail]：10.16285/j.rsm.2016.S1.019隧道围岩松动圈的现场测试与理论分析黄锋1,2，朱合华3，李秋实3，李恩璞3（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067；3.同济大学土木工程学院，上海20009）摘要：围岩松动圈是制定隧道支护措施和整体稳定性评价的重要参数和依据，如何快速准确地确定松动圈范围已备受关注。以张-石（张家口至石家庄）高速公路上的多条隧道工程为背景，采用声波探测和理论计算相结合的方法，对不同埋深、围岩等级条件下的隧道松动圈进行了研究。基于D-P准则推导了围岩应力松动圈的弹塑性理论和损伤理论计算方法，其计算结果均小于单孔声波法测试结果，但两者变化规律类似。由于考虑了岩体的峰后软化特性，损伤理论分析法计算结果比弹塑性理论更加接近于实测值，运用损伤理论对围岩（特别是低级别围岩）松动圈进行预测是可行的，研究结果对其他类似工程具有借鉴作用。关键词：隧道围岩；松动圈；超声探测；损伤理论；解析公式中图分类号：U452文献识别码：A文章编号：1000－7598(2016)增1－0145－06FielddetectionandtheoreticanalysisofloosecircleofrockmasssurroundingtunnelHUANGFeng1,2,ZHUHe-hua3,LIQiu-shi3,LIEn-pu3(1.SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;2.ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.,Ltd.,Chongqing400067,China;3.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Becausetheloosecircleisanimportantbasisandparameterfordesigningthetunnelsupportandestimatingwholestability,howtodetermineitsareaaccuratelyandfasthasbecomeallissuesofconcern.BytakingthetunnelsinnerhighwayfromZhangjiakoutoShijiazhuangasstudybackground,theloosecircleoftunnelswithdifferentoverburdendepthandrockmassgradewasstudiedbycombinationofultrasonicdetectionandtheoryanalysis.BasedonthecriterionofDrucker-Prager,thecalculationmethodoftheoreticanalysisfortheloosecircleofsurroundingrockmassisfounded,whosecalculatedresultsislowerthanthosefromultrasonicdetectionofsingleholebuthassimilarvariationruleseachother.Forconsideringthestrainsofteningafterpeakstrength,theanalysismethodbasedondamagetheorymoreapproachtoresultsfromthefieldtestthantheonesofelastoplasticity.Theestimationofloosecircleofsurroundingrockmasswithdamagetheory,especiallyforlowgradedrockmass,isfeasible.Besides,thestudyresultshavesomeconsulteffectsonthesimilarengineering.Keywords:tunnelsurroundingrockmass;loosecircle;ultrasonicdetection;damagetheory;analyticalequations1引言隧道开挖后围岩发生卸荷回弹和应力重新分布，径向应力减小，切向应力剧增，如果调整后的应力大于岩体强度，围岩将产生变形破坏，从而形成围绕隧道开挖面的环状破裂带，习惯上称之为松动圈[12]。松动岩体主要表现为微裂隙增多，变形增大，黏聚力、内摩擦角和变形模量降低[3]。围岩松动圈的判别是评价隧道整体稳定性和制定隧道工程支护参数的重要依据[4]，如何准确快速地确定松动圈范围，更好地为工程服务，已成为研究者所关注的问题。国外对于松动圈的研究起步较早，实践及理论成果较为丰富，主要有松动裂隙学说、破碎区图示146岩土力学2016年学说和前苏联的不连续学说[5]，近些年来我国的科研工作者也做了大量工作，理论研究主要包括解析公式和数值模拟两方面。徐干成等[6]利用弹性力学理论，获得了在非均压地层作用下围岩松动圈的线弹性解。周志华等[7]利用ANSYS软件建立了软岩巷道围岩松动圈的模型，利用巷道切向应力判断了巷道围岩松动圈的大小。实际工程中多采用物理探测的方法对围岩松动圈进行现场实测，徐坤等[8]利用单孔声波和地质雷达相结合的方法，对兰-新铁路（兰州至新疆）大梁隧道工程开挖松动圈进行了研究。由于理论方法过多假定和简化具有很大的局限性，现场实测方法代价大、难度高，且缺乏完善的评价体系[910]，因此采用理论分析和现场实测相结合的方法成为了一种合理的选择。余永强等[11]运用FLAC3D软件对爆破后松动圈进行了数值模拟研究，采用超声测井探测方法风化槽段进行了测试分析，表明数值模拟结果与现场测试结果规律具有一致性，但采用现场实测与公式解析法相结合的研究还相对较少。本文以张-石高速公路的多条隧道工程为背景，首先选择具有不同围岩等级的代表性测点，采用声波探测法对隧道围岩松动圈进行现场实测研究，基于弹塑性理论和损伤理论分别推导了松动圈的解析公式，并将实测结果与理论计算结果进行对比分析，研究成果可为评价围岩稳定性和完善支护参数提供依据。2现场测试方法2.1工程背景张-石高速公路张保界至涞源段位于保定地区西部，受高等级公路线形、纵坡等技术标准限制，全长43.85km，路线范围内不良地质主要表现为崩塌、滑坡、泥石流、采空区、岩溶等。全长43.85km的路线范围内，共有隧道18处，隧道累计长度达到20.66km，为河北省高速公路建设史上隧道密度最大、地质条件最复杂的高速公路。隧道设计为时速80km/h的标准2车道公路隧道，穿过太行山区的山岭重丘地区，隧道工程区域地层类型多变，岩体节理裂隙发育程度不一，施工风险较大，有必要进行围岩松动圈的研究。2.2超声探测法声波法应用于围岩松动圈的探测起步较早，操作简单，技术方面比较成熟，在我国隧道工程领域应用广泛[8]。声波探测法按测试方式的不同，分为单孔测试法与双孔测试法。由于双孔测试法因钻孔工作量相对单孔测试法较大，对围岩损伤大，且发射探头和接收探头达到同步移动较为困难已逐步被单孔测试法所取代[12]。本次测试采用的超声仪器为中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RSM-SYS5超声波探测仪，一发双收的单孔测试法如图1所示。横断面上的测点位置距离地面的高度为隧道高度2/3倍，左右两边对称布置（测试结果取平均值），孔深4.0m，孔径为50mm。图1超声波法单孔测试示意图Fig.1Sketchofsingleholedultrasonicmethod现场实测的步骤：①采用凿岩机打孔，并用清水对钻孔进行清洗，除去碎石和粉末，减少对测试的影响。②将超声仪探头置于钻孔孔底，向孔内注水作为耦合剂，在充满水的情况下将探头每次向外拉20cm测一次，直至孔口。工程现场采用单孔测试法进行声波探测松动圈的部分操作过程，见图2。(a)现场测试钻孔(b)测试元器件图2单孔声波法测试现场Fig.2Testsceneofultrasonicmethodwithsinglehole本次对该路段中的若干条隧道进行了现场松动圈的测试，测试位置选取了5条隧道，涉及4种不同等级的围岩，由于地势平缓埋深变化相对较小。围岩物理力学参数根据工程勘查报告、围岩分级报告以及公路隧道规范，取值见表1。采用声波探测法测出距围岩表面不同深度的岩体波速值，根据所得波速的变化规律推断出围岩松动圈的大小范围。图3为本次实测中的某一钻孔的波速测试结果，根据波速明显减小的区段认为松动圈范围约为2m。按照这样的方法，不同位置的声波探测的松动圈结果（同一断面取平均值），全部测试结果见表2。发射接收1接收2堵塞气囊电缆水RSM-SYS5电脑采集仪h/32h/3增刊1黄锋等：隧道围岩松动圈的现场测试与理论分析147表1测试隧道围岩等级及参数Table1Gradeandparametersofsurroundingrockmassofbeingtestedtunnels隧道名称围岩等级岩石类别重度/(kN/m3)弹性模量E/MPa内摩擦角φ/(°)黏聚力c/MPa单轴强度c/MPa降模量/MPa临界损伤应力/MPa埋深/m岳家沟隧道Ⅱ花岗闪长岩2625000502.05295533.900150.0云蒙山1号进口Ⅲ白云岩248000390.73835891.25052.2云蒙山3号出口Ⅳ片麻岩223000300.52815500.81036.4太平梁隧道出口Ⅳ凝灰角砾岩223000300.52516280.80136.4紫荆关隧道Ⅴ沙石土182000270.2816600.1508.3图3某测孔超声波测试曲线Fig.3Curveofultrasonictestinnersomehole3理论分析方法3.1塑性理论计算方法关于围岩开挖力学效应的弹塑性理论分析，大多采用的是Mohr-Coulomb屈服准则、著名的芬纳(Fenner)公式和斯特纳(Kastne)公式，Drucker-Prager屈服准则由于在数值计算方面的优势而被广泛使用，本文基于Drucker-Prager准则的理想弹塑性模型，推导圆形隧道围岩松动半径的表达式。首先将理论分析模型简化为（1）开挖隧道为圆形；（2）初始地应力场为均匀分布。当围岩在原岩压