隧道开挖引起的变形行为受到围岩应力状态和周围岩体结构等地质条件的影响,开挖面附近的围岩变形是处于三维应力状态下的三向度不均匀地发展变化。隧道开挖地层中往往呈现出明显的地质变异性,如不良地质结构体的存在、软硬岩层的不均匀分布等,使隧道开挖后的力学行为十分复杂。隧道开挖面在通过不同地质条件形成的地质界面前后,由于隧道地拱效应的作用,其解压方向上的纵向变形行为会产生明显的变化。 国外一些学者从研究和利用隧道纵向位移的角度提出了隧道三维位移数据处理方法和隧道三维变形展示观念,并利用位移向量方位趋势线来预测隧道开挖地层中一定范围内地质强弱的变化或可能存在的不良地质情况。目前国内对隧道三维变形的研究较少,尤其是对隧道纵向位移的应用研究尚无资料可查。本文以乌鞘岭隧道工程为背景,对隧道三维变形进行了一些研究,对隧道三维变形研究的工程应用进行了初步的试验探索,为今后国内隧道工程的修建积累了更丰富的经验。 隧道三维位移发展规律与隧道区域地应力场的分布存在相互印证关系。乌鞘岭隧道F7断层地段的三维位移变化十分复杂,各位移分量呈现出不均匀对称的发展状态,与F7断层所处四个相邻洞室的断面参数及施工方法和工艺有一定关系。地应力场反演分析表明,宏观地应力场的主应力方向与隧道轴线存在明显的夹角,断层区隧道衬砌具有纵向挤压特点,横向上有明显的偏载现象。因此,掌握隧道三维位移发展规律有利于辅助分析隧道区域地应力场的分布特点。 乌鞘岭隧道F7断层和志留系千枚岩地段的隧道变形,属于软弱围岩挤压性大变形,具有明显的时效特征,可以归结为流变变形。F7断层和志留系千枚岩地段的隧道三维位移十分明显,其纵向位移均背离(软岩)隧道开挖面方向发展。隧道大变形地段前期施工发生严重的变形破坏现象:支护结构不仅在横向上有较大的内挤变形,而且有明显的纵向扭曲变形;初支钢架局部错裂剪断、失稳坍塌,二次衬砌大面积开裂、局部纵向扭曲破裂。后期施工在设计参数修正和施工措施调整后,隧道位移变形明显减小;支护结构承载能力得到了加强——不仅注重结构横向上的受力特性,而且充分考虑到结构纵向上的受力特性,最终有效地控制住了隧道大变形,其变形控制措施值得借鉴。 实施隧道三维变形测试,分析研究纵向位移引起的变形影响和破坏作用及其对工程结构和施工的指导应用,势必成为以后隧道工程修建中越来越应重视