浅埋偏压软岩隧道二衬开裂力学机理研究
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李 勇锋 ， 李 涛 ， 徐 颖 ， 董 立
（ １ ． 中 国地 质 大学 （ 武 汉 ）工 程 学 院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４； ２ ． 湖北省交通规划设计院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ５ １ ）
摘要： 软 岩 隧道进 口段 多为 浅埋偏压 危 险 区段 ， 在 施 工过程 中易 出现 二衬 开裂现 象。本 文 以在 建竹 山 隧 道 为例 ， 在 对裂缝 位 置及 长度进 行统 计 分析 的基础 上 ， 主要从 隧址 区岩性 、 围岩 结构 组合 、 偏 压 ３个 方 面
铁 ２ ０ １ ３年 第 １ １期
道建筑 ６ ７ Nhomakorabea Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
文章 编 号 ： １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ － ０ ０ ６ ７ — ０ ３
浅 埋 偏 压 软 岩 隧 道 二 衬 开 裂 力 学 机 理 研 究
盘 的作用 力大 于其上 盘 的作用 力 ， 隧 道 围 岩 压 力 随 着
顺 层岩体 倾 角的逐渐 增大 而增 大 ， 在一 定角度 范 围 内 ，
衬开 裂 的机理 ， 并 采用 数值 计算 的方 法进 行验 证 ， 可为 类似 小净 距 浅埋偏 压 软岩 隧道 二衬 开裂 的预 测与 防治 提供 理论 依据 。
不 甚 发育 ， 主要 以裂 隙水为 主 ， 钻孔 未揭露到地下 水位 。
隧道 围岩 为强风 化 绢云母 片 岩 ， 片 理非 常 发育 ， 自稳定
竹 山隧道 采取 三 台 阶 ＋临时 仰 拱 法施 工 ， 为控 制 软岩 大变 形 的发生 ， 二 衬 紧跟 初 衬 施 工 。隧道 分 进 出
６ ８
铁
道
建
筑
口两 头进 行施工 ， 在 出 口二 衬施作 后 ， 观测发 现洞 口段
二衬结构 出现较多裂缝 ， 裂 缝 大 多 位 于 拱 底 至 拱 腰 （ １ ． ０～ ２ ． ５ ｍ高 范 围） 。基本 沿隧 道轴线 方 向展布 ， 而
的次 生裂缝 。左侧 围岩破 坏程 度 大 于右侧 。本 文研 究结 果可 为类似 软岩 隧道 二衬 开 裂的预 测与 防治提
供 一 定的 理论依 据 。
关 键词 ： 浅埋
偏压 二 衬 开裂 力 学机理
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ４ ５ ３ 文 献标识 码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ ． ２ ０ １ ３ ． １ １ ． ２ １
１ 工 程 概 况
竹山隧道为小净距双线隧道 ， 左、 右 洞 长 分 别 为 ９ ７ ０ ｍ和 ９ ６ ５ １ １ ＂ ／ ， 最大埋深约 １ ３ ６～１ ４ ５ ｍ。 进 口段 近
杂， 对 其 开 裂 力 学 机 理 的 研 究 大 都 处 在 定 性 研 究 阶 段 ， 尤 其是 对 于 软 岩 类 隧 道 。对 于 复 杂 情 况 下 隧 道（ 如 集 小净距 、 浅埋、 偏 压 为 一体 的软 岩 隧 道 ） ， 其 二
且 裂缝都 出现 在 出 口右洞 沿 行 车道 方 向左侧 ， 左 洞 洞 内与右洞 右侧基 本没 发现 二衬开 裂 。表 ２列 出 了其 中
比较 典 型裂缝 的具 体形态 和位 置 。
表 ２ 竹 山 隧 道 出 口右 洞二 衬 裂 缝 统 计
图 １ 竹 山 隧 道 出 口素 描
这 样 隧道 就处 于偏压 受力状 态 ， 很 不利 于隧道 的稳定 。 另 一方 面围岩 的层 间滑 动 若 可忽 略 ， 由于顺 层 岩 体 下
约 １ ５ 。 ～ ２ ５ 。 ， 坡面植被发育 ， 坡 脚 为 沟 谷 地 。地 下水
衬开 裂 的影 响 因素众多 ， 详 细 的研究 较少 。
本文 依据 在 建 竹 山 软 岩 隧 道 的 二 衬 开 裂 实 际 情 况， 结合其 围岩 的岩性 及结 构 ， 从 力 学方 面探讨 隧道 二
随着 复合 式衬 砌 在 隧道 建 设 中 的普 遍 运 用 ， 对 隧 道 复合 式衬 砌 的开 裂 、 大变形 、 渗 水等 方 面的研 究越 来 越 多 。张 永兴 等对 复合 式衬 砌 隧道二 衬开 裂机 理进 行
了研 究 ¨ ， 但 由 于 隧道 二 次 衬 砌 裂 缝 产 生 的原 因 复
阐述 浅埋偏 压软 岩 隧道二 衬 开裂 的力 学机理 ， 并采 用有 限 元 法对上 述 ３个 因素 进 行 分析 验 证 。研 究 结
果表明： 该 隧道拱 顶 纵 向裂缝 产 生的主要 控 制 因素 为优 势片理 面 的力 学特 性和 密 集程度 ； 隧道 出 口段 岩
体 产状 和 片理 面产 状加剧 了偏 压 ， 两 者的共 同剪切作 用使 得行 车 右洞左侧 发 生剪切 破 坏 ， 形 成轴 向裂缝
２ ０ ０ ｍ 埋深 在 ２ ０ ｉ ｎ左右 ， 属 于浅 埋地 段 。隧址 区 出露 的岩性 主要 为碎 石土 及强 一 弱 风化绢 云母 片岩 。隧道 区埋深 左低 右 高 ， 存 在 明显 偏 压现象 ， 隧道 测线 间距 在 １ ８— ２ ５ ｍ， 属 于小 净距 隧 道 。隧 址 区 属构 造 剥 蚀 侵 蚀 低 山地 貌 ， 沿线 地形 起伏 较大 。隧道 进 出 口坡 角较 小 ，
性 差 。隧道 进 口小净距浅 埋偏压段支 护参数见表 １ 。
表 １ 隧 道 衬砌 支 护 参 数
２ 隧 道 二 衬 开 裂 情 况统 计
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ ． ２ ０ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ３ ． ０ ７ ． ２ ５
基金项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 项 目（ ４ １ ２ ０ ２ ２ ０ １ ） 作者 简介 ： 李勇峰（ １ ９ ７ ５ 一 ） ， 男， 湖北鄂州人， 高 级 工 程师 ， 博 士研 究 生 。
（ １ ． 中 国地 质 大学 （ 武 汉 ）工 程 学 院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４； ２ ． 湖北省交通规划设计院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ５ １ ）
摘要： 软 岩 隧道进 口段 多为 浅埋偏压 危 险 区段 ， 在 施 工过程 中易 出现 二衬 开裂现 象。本 文 以在 建竹 山 隧 道 为例 ， 在 对裂缝 位 置及 长度进 行统 计 分析 的基础 上 ， 主要从 隧址 区岩性 、 围岩 结构 组合 、 偏 压 ３个 方 面
铁 ２ ０ １ ３年 第 １ １期
道建筑 ６ ７ Nhomakorabea Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
文章 编 号 ： １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ － ０ ０ ６ ７ — ０ ３
浅 埋 偏 压 软 岩 隧 道 二 衬 开 裂 力 学 机 理 研 究
盘 的作用 力大 于其上 盘 的作用 力 ， 隧 道 围 岩 压 力 随 着
顺 层岩体 倾 角的逐渐 增大 而增 大 ， 在一 定角度 范 围 内 ，
衬开 裂 的机理 ， 并 采用 数值 计算 的方 法进 行验 证 ， 可为 类似 小净 距 浅埋偏 压 软岩 隧道 二衬 开裂 的预 测与 防治 提供 理论 依据 。
不 甚 发育 ， 主要 以裂 隙水为 主 ， 钻孔 未揭露到地下 水位 。
隧道 围岩 为强风 化 绢云母 片 岩 ， 片 理非 常 发育 ， 自稳定
竹 山隧道 采取 三 台 阶 ＋临时 仰 拱 法施 工 ， 为控 制 软岩 大变 形 的发生 ， 二 衬 紧跟 初 衬 施 工 。隧道 分 进 出
６ ８
铁
道
建
筑
口两 头进 行施工 ， 在 出 口二 衬施作 后 ， 观测发 现洞 口段
二衬结构 出现较多裂缝 ， 裂 缝 大 多 位 于 拱 底 至 拱 腰 （ １ ． ０～ ２ ． ５ ｍ高 范 围） 。基本 沿隧 道轴线 方 向展布 ， 而
的次 生裂缝 。左侧 围岩破 坏程 度 大 于右侧 。本 文研 究结 果可 为类似 软岩 隧道 二衬 开 裂的预 测与 防治提
供 一 定的 理论依 据 。
关 键词 ： 浅埋
偏压 二 衬 开裂 力 学机理
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ４ ５ ３ 文 献标识 码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ ． ２ ０ １ ３ ． １ １ ． ２ １
１ 工 程 概 况
竹山隧道为小净距双线隧道 ， 左、 右 洞 长 分 别 为 ９ ７ ０ ｍ和 ９ ６ ５ １ １ ＂ ／ ， 最大埋深约 １ ３ ６～１ ４ ５ ｍ。 进 口段 近
杂， 对 其 开 裂 力 学 机 理 的 研 究 大 都 处 在 定 性 研 究 阶 段 ， 尤 其是 对 于 软 岩 类 隧 道 。对 于 复 杂 情 况 下 隧 道（ 如 集 小净距 、 浅埋、 偏 压 为 一体 的软 岩 隧 道 ） ， 其 二
且 裂缝都 出现 在 出 口右洞 沿 行 车道 方 向左侧 ， 左 洞 洞 内与右洞 右侧基 本没 发现 二衬开 裂 。表 ２列 出 了其 中
比较 典 型裂缝 的具 体形态 和位 置 。
表 ２ 竹 山 隧 道 出 口右 洞二 衬 裂 缝 统 计
图 １ 竹 山 隧 道 出 口素 描
这 样 隧道 就处 于偏压 受力状 态 ， 很 不利 于隧道 的稳定 。 另 一方 面围岩 的层 间滑 动 若 可忽 略 ， 由于顺 层 岩 体 下
约 １ ５ 。 ～ ２ ５ 。 ， 坡面植被发育 ， 坡 脚 为 沟 谷 地 。地 下水
衬开 裂 的影 响 因素众多 ， 详 细 的研究 较少 。
本文 依据 在 建 竹 山 软 岩 隧 道 的 二 衬 开 裂 实 际 情 况， 结合其 围岩 的岩性 及结 构 ， 从 力 学方 面探讨 隧道 二
随着 复合 式衬 砌 在 隧道 建 设 中 的普 遍 运 用 ， 对 隧 道 复合 式衬 砌 的开 裂 、 大变形 、 渗 水等 方 面的研 究越 来 越 多 。张 永兴 等对 复合 式衬 砌 隧道二 衬开 裂机 理进 行
了研 究 ¨ ， 但 由 于 隧道 二 次 衬 砌 裂 缝 产 生 的原 因 复
阐述 浅埋偏 压软 岩 隧道二 衬 开裂 的力 学机理 ， 并采 用有 限 元 法对上 述 ３个 因素 进 行 分析 验 证 。研 究 结
果表明： 该 隧道拱 顶 纵 向裂缝 产 生的主要 控 制 因素 为优 势片理 面 的力 学特 性和 密 集程度 ； 隧道 出 口段 岩
体 产状 和 片理 面产 状加剧 了偏 压 ， 两 者的共 同剪切作 用使 得行 车 右洞左侧 发 生剪切 破 坏 ， 形 成轴 向裂缝
２ ０ ０ ｍ 埋深 在 ２ ０ ｉ ｎ左右 ， 属 于浅 埋地 段 。隧址 区 出露 的岩性 主要 为碎 石土 及强 一 弱 风化绢 云母 片岩 。隧道 区埋深 左低 右 高 ， 存 在 明显 偏 压现象 ， 隧道 测线 间距 在 １ ８— ２ ５ ｍ， 属 于小 净距 隧 道 。隧 址 区 属构 造 剥 蚀 侵 蚀 低 山地 貌 ， 沿线 地形 起伏 较大 。隧道 进 出 口坡 角较 小 ，
性 差 。隧道 进 口小净距浅 埋偏压段支 护参数见表 １ 。
表 １ 隧 道 衬砌 支 护 参 数
２ 隧 道 二 衬 开 裂 情 况统 计
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ ． ２ ０ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ３ ． ０ ７ ． ２ ５
基金项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 项 目（ ４ １ ２ ０ ２ ２ ０ １ ） 作者 简介 ： 李勇峰（ １ ９ ７ ５ 一 ） ， 男， 湖北鄂州人， 高 级 工 程师 ， 博 士研 究 生 。
