铁路隧道变形特性与监测信息化

从上述分析可知，石马寨隧道围岩的流变特性明显，其变形随着时间的增加不断增大，在隧道周围形成明显的蠕变损伤区（图10-15）。由于构造应力的作用，蠕变损伤区主要集中在围压受挤压破坏严重的拱顶和仰拱处。

两种支护方案下，围岩拱顶下沉量随时间的变化见图10-16。围岩在二次衬砌施工之后仍有明显的蠕变变形，图10-16中方案1围岩最终的蠕变变形为46mm，方案2的支护结构具有一定的变形能力，围岩最终的蠕变值达62mm。从围岩的蠕变速率来看，隧道建成初期围岩的蠕变速率最高，90%的蠕变变形是在隧道建成初期的10a内完成的，随后围岩的蠕变速率逐渐降低，最终趋于稳定。

图10-15　围岩的蠕变损伤区

随着围岩的蠕变，作用在支护结构上的形变压力也不断提高，I型钢可压缩支架的缩动模式和摩阻力随着支架的缩动而变化（图10-17）。二次衬砌的变形随着时间而变化（图10-18）。由图10-18可以看出，方案1的衬砌累积拱顶下沉量明显大于方案2的，方案1的二次衬砌最终拱顶下沉量为3.6cm，方案2的二次衬砌最终拱顶下沉量为2.9cm，比方案1的减少了19%。

两种支护方案下隧道二次衬砌最终塑性区分布见图10-19。从图10-19可以看出，采用普通支护的方案1的塑性区明显大于方案2的，这与软岩隧道的支护原理相符。根据软岩隧道的支护原理，支护承担的工程力：

PS=PT-（PD+PR）

式中：PT为隧道开挖后围岩向临空区运动的合力；

PD为围岩以变形形式转化掉的工程力；

PR为围岩的自承力。(www.xing528.com)

因此，在保证围岩自承能力的情况下，尽量增大围岩以变形形式转化掉的工程力就可以有效减小支护力。I型钢可压缩支架与泡沫混凝土的联合支护方案，一方面允许围岩产生一定的流变变形，增大变形形式转化掉的工程力；另一方面通过稳定的摩阻力提供较大的支护力，防止围岩由于变形而失去自承能力，从而保证了二次衬砌的安全。

图10-16　两种支护方案下围岩蠕变变形图

图10-17　I型钢变形模式及摩阻力随缩动变形的变化图

图10-18　二次衬砌变形随时间的变化图

图10-19　两种支护方案下二次衬砌最终塑性区分布图