杨永强
(中铁十七局集团城市建设有限公司 贵州贵安 550025)
受到赋存环境以及地质成因的影响，与花岗岩等硬质火山岩不同，砂质页岩属于变质岩，其力学性质差，具体表现为受到掘进扰动后，砂质页岩的自稳能力极差，具有各向异性及蠕变特性，导致支护结构承受较大的应力、产生围岩大变形，支护安全问题突出，含有大量的黏土矿物导致遇水后软化，强度折减强烈[1-2]。这些不良力学特征给隧道工程的建设带来了诸多挑战。
由于砂质页岩在受到地下水、开挖卸载等作用后，其变形机理复杂，具有明显的时效性和长期性，对其力学行为的演变规律认识还有待进一步研究[3]。针对页岩的变形机理和支护结构措施方面，大量的研究学者主要采取了数值模拟、现场实测和物理模拟的手段展开研究[4]。何昌国[5]对成贵铁路10座砂质泥岩、砂质页岩隧道进行了围岩变形和支护结构的现场测试和统计分析，指出现行铁路行业规范中变形预留量偏大；
曾韦等[6]采用室内物理试验方法研究了页岩在卸载条件下的能量演化过程，指出其变形破坏的特征；
冯忠居等[7]通过数值模拟手段研究了不同开挖施工工法下隧道围岩的应力应变规律，指出在掌子面附近3 m左右的围岩应力最大；
韩伟歌等[8]采用变形监测与三维激光扫描等方法研究了层状岩体的隧道围岩变形；
刘德安等[9]针对大面积开挖的软岩隧道提出了超前帷幕注浆加超前管棚的加固方案。
本文以桃子溪隧道工程为研究背景，结合砂质页岩的工程地质特点，基于能量耗散与能力释放原理，采用室内三轴试验方法分析其应力应变损伤演化过程，并采用现场实测手段分析砂质页岩的变形时空特征以及支护结构的应力变化过程。
351国道咸丰谢家土至龙井段改扩建工程桃子溪隧道位于湖北省恩施州咸丰县境内，隧址区属中亚热带季风湿润性山地气候，植被茂密，以松树及山茶树为主，隧道走向方位角291°～305°，海拔高程810～1 120 m，洞身最大埋深约289 m。进口桩号K79+054，出口桩号K80+591，全长1 537 m，为长隧道。
隧道区域构造位置处于恩黔断裂-桃子溪断裂左侧740 m，区内构造线走向为NE向，恩黔断裂构成了本区的构造格架。恩黔断裂位于恩施盆地西侧，恩黔断裂-桃子溪断裂，走向NNE，略呈近直线型展布，倾向南东-北西。桃子溪隧道区位于恩黔断裂西翼，断裂距隧道距离较远，对隧道无大的影响。隧道洞身主要穿越志留系罗惹坪组(S2lr)、龙马溪组(S1ln)砂质页岩，地层分布较稳定，地层总体呈单斜构造，岩层产状200°～265°3°～11°，产状稳定，围岩级别主要为Ⅳ、Ⅴ级。隧址区地质条件如图1所示。
图1 左隧道地质纵断面图
在隧道里程K80+050拱顶以上3 m采取原状砂质页岩进行室内三轴试验，试验围压为14 MPa，获取岩样的应力应变曲线，基于能量释放、耗散原理[10]，得到砂质页岩的应力应变损伤演化过程曲线如图2、图3所示。图中弹性应变能We、破裂耗散能Wd以及总能量W的定义如下[11-12]:
图2 砂质页岩弹性应变能与耗散能的演变曲线
图3 砂质页岩能量损伤演化因子变化曲线
式中，σi、εi、分别为主应力、主应变以及弹性应变；
We为弹性应变能；
Dde为能量损伤演化因子。
从图2中可以看出，从砂质页岩的应力应变曲线以及能量曲线均可以看出其受力和应变的演变过程，弹性应变能和耗散能均表现为“S”形曲线，并大致可以分为4个阶段。在第Ⅰ阶段(初始压密阶段)，砂质页岩受荷载后将大部分的能量进行吸收，岩石变形以弹性变形为主，内部节理裂隙面被逐渐压密，消耗了弹性应变能，同时表现为耗散能的增加，在应力大于σa点后，进入能量硬化阶段；
在第Ⅱ阶段(能量硬化阶段)，这个阶段的岩石吸收了大量的能量进行存储，使得弹性应变能趋于增加，同时耗散能相应减小，在应力大于σb点后，进入能量软化阶段；
在第Ⅲ阶段(能量软化阶段)，岩石内部的裂缝加速扩展，导致相对位移产生，弹性应变能得到释放并转化为耗散能，表现为耗散能的非线性增加，在应力大于σc点后，进入破坏阶段；
在第Ⅳ阶段(破坏阶段)，在宏观上岩石出现明显不可逆变形，弹性应变能被大量释放，转化为耗散能促使岩体内部裂纹的加速扩展，岩样被剪切破坏。
从图3中可以看出，砂质页岩的应力应变损伤演变过程具有明显的规律性。在第Ⅰ、Ⅱ阶段，砂质页岩的能量损伤指标较小，损伤速率较缓慢；
进入第Ⅲ阶段后，砂质页岩不断软化，损伤速率呈非线性增加。因此在隧道施工过程中，应采取合理的措施延缓砂质页岩进入第Ⅲ阶段(能量软化)的时间，以防止围岩的加速变形。
4.1 支护结构应力变化
为了研究支护结构的承载机理，在隧道的不同部位布置监测点，监控钢拱架以及初期支护结构的应力变化情况。监测点的布置位置分别为拱顶、左右拱肩和左右拱腰，监测时长为200 d。
图4～图6为不同监测点位置钢拱架内外侧的应力变化情况。由于砂质页岩存在明显的蠕变特性、各向异性以及岩层的产状分布影响，在钢拱架承受荷载后，不同位置的应力变化并非同步的，在空间分布和时间分布上具有时效性；
从时间分布来看，不同部位的钢拱架在受力初期，应力曲线表现为短时间内呈近线性增加，随后进入应力的不断调整阶段，应力逐渐趋于稳定，拱腰和拱肩位置的应力稳定时间约为20 d，而拱顶位置的应力稳定时间相对较长，约为30 d；
从空间分布来看，钢拱架的应力并非对称分布的，总体而言隧道右侧大于左侧，两侧拱腰、两侧拱肩的应力不同，钢拱架内外两侧的应力变化也不同，各部位拱架外侧应力大于内侧应力，钢拱架最大应力发生在拱顶部位，大小为156 MPa，其次为右拱肩和右拱腰位置，最大应力分别为140 MPa、118 MPa。
图4 拱顶位置钢拱架内外侧应力变化曲线
图5 左、右拱肩钢拱架内外侧应力变化曲线
图6 左、右拱腰钢拱架内外侧应力变化曲线
图7为不同监测点位置初期支护与围岩的接触应力变化情况。从图中可以看出，初期支护与围岩的接触应力变化规律与钢拱架的变化规律类似，整体上应力分布表现左右不对称，隧道右侧大于左侧。拱顶接触应力最大，拱肩接触应力次之，拱腰接触应力最小，同时拱顶位置接触应力达到稳定的时间大于拱腰和拱肩位置。因此在隧道施工过程中，应注意拱顶位置的支护结构应力监测，并采取合理的加强措施。
图7 不同监测点位置初期支护与围岩的接触应力变化曲线
图8为不同监测点位置二次衬砌安全系数随时间的变化情况。从图中可以看出，由于砂质页岩的力学强度低，受开挖扰动后自承能力差，尽管施作了初期支护和钢拱架支护，围岩的压力依旧不断向二次衬砌传递，导致隧道不同位置处二次衬砌结构的安全系数在20 d内下降迅速，在20～80 d内进入缓慢下降阶段，大于80 d后，安全系数基本稳定，安全系数的稳定范围为3.9～7.8。由此表明，砂质页岩等软岩的力学行为具有收敛时间长等特点，可以采取加厚二次衬砌结构措施以应对长期的运营安全。
图8 不同监测点位置二次衬砌安全系数随时间的变化曲线
4.2 隧道围岩变形
图9为不同监测点位置二次衬砌安全系数随时间的变化情况。从图中可以看出，砂质页岩的变形在空间分布上整体呈现为不对称变形，表现为拱顶部位变形最大，拱肩部位次之，拱腰部位最小，且右侧变形大于左侧，这些规律与支护结构体系的受力一致；
在时间分布上，围岩变形的收敛与支护结构体系的受力收敛时间并不一致，前者的收敛时间相对更长，由此表明在砂质页岩隧道施工中，围岩变形的监测更为重要。
图9 不同监测点位置围岩变形曲线
以桃子溪隧道工程为研究背景，采用室内三轴试验和现场实测手段分析砂质页岩的变形时空特征以及支护结构的应力变化过程，得出以下几个结论:
(1)砂质页岩的能量曲线表明，其弹性应变能曲线和耗散能曲线均表现为“S”形，大致可以分为4个阶段，在第Ⅲ阶段后，砂质页岩的能量损伤演化因子呈非线性增加，加剧了围岩的变形进程。
(2)由于砂质页岩存在明显的蠕变特性、各向异性以及岩层的产状分布影响，钢拱架受力、初期支护的接触应力在空间分布上呈现非对称性，收敛时间也不相同。
(3)在空间分布上，砂质页岩的变形整体呈现为不对称变形，表现为拱顶部位变形最大，拱肩部位次之，拱腰部位最小，且右侧变形大于左侧，这些规律与支护结构体系的受力一致；
在时间分布上，围岩变形的收敛与支护结构体系的受力收敛时间并不一致，前者的收敛时间相对更长。