0 引言

　　隧道工程由于其处于地下空间的特殊性，通常所采用的有限元模拟或者理论分析常与现场实际情况有一定出入，故其指导施工具有一定的局限性^[1,2]。为了突破这些局限性，更加客观科学地指导施工，同时反馈施工过程中的问题，监控量测在隧道施工中的作用就显得尤为重要^[3]。尤其是在软弱破碎围岩隧道施工过程中，现场监控量测的数据所反馈出的隧道初期支护变形及受力情况对指导隧道施工具有十分重要的意义^[4]。

　　隧道开挖后，围岩的荷载主要由围岩自身、初喷混凝土、钢拱架和钢筋网等共同承担^[5]。当施工过程中遇到隧道围岩较差的情况时，一般采取的措施是在初期支护内增加钢拱架以保证初期支护的强度^[6]。在不同工况下，钢拱架可作为主要承载结构^[7]，也可与锁脚锚杆、钢筋网及管棚等形成联合承载系统^[8,9]，且钢拱架之间通过一定约束相互联系后，可大大增加整体的承载能力^[10]。可见，钢拱架在软弱破碎围岩隧道初期支护中作用十分重要。目前关于钢拱架受力特征的研究大多是在理论和模拟方面，而结合现场实际的具体研究很少，因此结合实际工程对软弱破碎围岩隧道初期支护钢拱架受力特征的分析是很有必要的。本文以某软弱破碎围岩隧道为背景，采用JT-V100型钢筋测力计和JT-V300型土压力盒，对软弱破碎围岩隧道初期支护中钢拱架受力以及围岩压力进行现场测试，对钢拱架和围岩的受力特征进行分析。

　　1 工程概况

　　1.1 工程简介

　　某公路隧道总长为6 995m，其中本段桩号为K3 488+235—K3491+650，长3 415m。平行导洞位于主洞左侧，与主洞水平相距35m，桩号为DK3 488+275—DK3 491+745，长3 470m。支洞设于导洞左侧并通向风机室，长57m。主洞与导洞按280m间距设置了12道横通道，其中2道横通道设有配电系统。隧道采用单洞双向交通，最大埋深和最小埋深分别为871m和12.5m，净高和净宽分别为5m和9m。平行导洞净高和净宽分别为5m和4.5m，采用单洞单向交通。主洞和导洞隧道设置单向纵坡，坡度均为2.699%。

　　1.2 工程地质条件

　　隧道平面线形所经区域主要岩层有:侏罗系下统(J1)板岩、第四系坡残积层(Q^dl+el)形成的碎石，岩土层物理力学性质指标如表1所示。此外还存在富水区和断层破碎带，地下水发育，雨季掌子面涌水量最大可达1 773m³/d。

　　1.3 设计概况

　　隧道主洞设计行车时速为40km/h，路面横坡为2%的双面坡，导洞路面横坡为2%的单面坡，隧道抗震，设防烈度为VIII度，设计荷载公路-I级，防水等级为二级。主洞采用三心圆，内轮廓净空高度和净空宽度分别为7.05m和9.8m。紧急停车带采用三心圆，内轮廓净空高度和宽度分别为9.3m和13.02m。隧道明洞7m(占0.2%)，Ⅳ级围岩1 159m(占33.9%)，Ⅴ级围岩2 249m，(占65.9%)，平行导洞明洞长度为5m(占0.2%)，Ⅳ级围岩1 185m(占34.1%)，Ⅴ级围岩2 280m(占65.7%)。

　　1.4 施工概况

　　隧道进口段下穿某既有运营国道，沉降控制要求严格。隧道衬砌结构设计结合相关地勘资料和以新奥法为指导，采用柔性支护体系的复合式衬砌，以喷、锚、网、拱架等为初期支护，以钢筋混凝土或素混凝土为二次衬砌;并视地层、地质条件增加超前小导管注浆等超前预支护措施来配合隧道按新奥法施工，确保施工安全。

　　2 测试方案

　　对初期支护结构进行现场监测可以及时反馈围岩的稳定状态和支护结构的受力情况，为设计、施工的安全性和科学性提供了保障，总结其受力和变形规律也可以更好地指导施工和设计。

　　2.1 测点布置

　　本次测试选取了1个具有代表性的V级软弱破碎围岩断面，进行了现场监测。主要监测内容包括:围岩压力、初支钢拱架应力。测试断面分别安装JT-V100型钢筋测力计、JT-V300型土压力盒以及监控量测点，测试断面共5个监测点，每个点安装2组钢筋计、1组压力盒以及1个监控量测点，其中钢筋测力计和土压力盒在安装钢拱架之后、复喷射混凝土之前进行安装，监控量测点则根据隧道施工规范要求进行布置，不作为本次测试内容。布置情况如图1所示。

　　图1 监测仪器断面布置  

　　2.2 技术要点

　　1)钢拱架采用工字钢，钢筋计应在工字钢临空面和靠围岩面对称焊接，圆弧处钢筋计可以倾斜焊接，且钢筋计的引线应留有足够的长度沿拱架软管汇集在边墙处，以方便后续数据收集。

　　表1 岩土层物理力学性质  

　　2)安装压力盒时，在土压力盒底部安装垫板，以使其受力均匀;其次，用水泥砂浆将隧道围岩填平，形成良好的接触面，可使围岩压力均匀地传递到土压力盒上;最后，在土压力盒周围的空隙处用碎石充填密实，防止土压力盒受力后偏斜，影响量测精度。

　　3 结果分析

　　本文以K3 488+625软弱破碎围岩断面为分析对象，以探讨在软弱破碎围岩下隧道初期支护的受力特征。该断面重点进行了围岩压力、工字钢内力的测试。

　　3.1 围岩压力

　　将土压力盒埋入后，待喷射混凝土达到一定强度，可用相应的仪器进行量测，在不同的时间读取数据，得到不同时间点的压力值，图2和图3分别表示各测点的围岩压力值随时间的变化曲线和最终分布。

　　图2 各测点围岩压力值随时间的变化曲线  

　　图3 围岩压力大小最终分布(单位:k Pa)  

　　从图2和图3可知:(1)围岩压力随着时间的推移有明显的增大现象，开挖约20d内，围岩压力增大的趋势较明显，之后趋于缓慢，持续的时间较长。由此可见，软弱破碎围岩在开挖后，原岩具有明显的瞬时效应和明显的流变特性，因此对于永久性支护结构，隧道设计阶段应考虑长期的流变荷载。(2)由于下台阶开挖使得上台阶初期支护底部突然失去支撑，造成拱部围岩压力有瞬时减小的现象，施工过程中，应尽量缩短初期支护悬空时间，及时封闭。(3)由图3可见，围岩压力与理论分析相符合，均表现为向洞内挤压，但同一断面围岩压力大小分布并不均匀，通过掌子面揭露的岩体情况分析与选取断面的地层条件有关，该地层有偏压现象。

　　3.2 钢拱架内力

　　通过钢筋应变计间接测得钢支撑上下翼缘的应变，再通过虎克定律算出测定的应力，若不考虑工字钢腹板部位喷射混凝土受力，钢支撑处于弹性工作状态，则根据材料力学方法，通过测试结果计算得到的工字钢上、下缘应力值(σ₁，σ₂)，如图4,5所示，再通过下式计算得到钢支撑的实际内力(轴力N、弯矩M)，如图6,7所示。钢筋应变计内力计算方法及布置如图8所示，图中箭头方向为正。

　　式中:工字钢上、下缘的测试应力值为σ₁，σ₂(MPa);工字钢轴力、弯矩计算值为N,M(kN,kN·m);工字钢截面积和惯性矩为A,I(m²,m⁴);表面型钢筋应变计离工字钢横轴(x轴)的距离为h(m)。

　　图4 工字钢上缘应力值随时间变化曲线  

　　图5 工字钢下缘应力值随时间变化曲线  

　　从图4,5可知，随着时间的推移，工字钢上、下缘的应力值均逐渐增大，在工字钢铺设约10d内，上、下缘应力值有明显增大的趋势，之后慢慢趋于平缓，达到基本稳定状态;从图6,7可知，拱顶、左拱脚和右拱脚的工字钢轴力较大，左拱脚、右拱脚弯矩较大，因此可以反映出在拱顶和拱脚处围岩应力较大，隧道开挖后，在围岩充分发挥自身的承载力之后，应及时铺设工字钢等初支结构以及尽早修筑二衬，防止由于拱顶、拱脚处的围岩应力过大而使得拱脚处围岩径向朝内偏移，造成欠挖现象，若初支、二衬修筑不及时，甚至会造成工字钢变形、隧道塌方等严重现象。

　　表2 工字钢各测点测试应力值及内力计算 

　　注:“-”表示压应力、压力、弯矩向内

　　图6 工字钢弯矩大小最终分布(单位:k N·m)  

　　图7 工字钢轴力大小最终分布(单位:k N) 

　　图8 工字钢内力计算 

　　4 结语

　　根据现场测试，具体分析了处于软弱破碎围岩隧道的围岩压力和隧道初期支护的受力特征，主要得出以下结论。

　　1)软弱破碎围岩隧道在开挖后，原岩具有明显的瞬时效应和流变特性，设计阶段应考虑长期流变荷载。

　　2)软弱破碎围岩隧道钢拱架承载力发挥较早，材料性能利用率较低，设计阶段应适当提高围岩支护参数。

　　3)软弱破碎围岩隧道钢拱架拱顶和拱脚处应力较大，施工阶段应加强拱顶处钢拱架连接和锁脚锚杆施工质量。

　　4)软弱破碎围岩隧道拱顶和拱脚处喷射混凝土应力较大，存在开裂剥落现象，施工阶段应加强拱顶和拱脚处喷射混凝土施工质量，确保钢拱架保护层厚度。