隧道与地下工程的开挖过程，将破坏围岩的初始应力平衡状态，引起应力重分布。当重分布的应力大于岩体强度时，洞室周边的围岩将发生破坏，应力向岩体深部转移，扩大破坏范围，直至应力小于或等于岩体强度，形成新的平衡状态，破坏停止并在周边形成一个破碎带，称之为松动圈^[1-2]。松动圈范围内岩体的黏聚力、内摩擦角、变形模量等均有不同程度降低，且表现出微裂隙和变形突然增加的现象^[3]。

松动圈理论在实际工程中已经得到检验，并有了广泛的应用。准确探明围岩松动圈的范围，可为隧道工程的动态设计与施工提供依据。因此，如何准确有效地确定松动圈范围，一直是国内外研究的重要课题。国外对于地下工程松动圈的研究起步较早，实践及理论成果较为丰富，主要有松动裂隙学说、破碎区图示学说和前苏联的不连续学说^[4]。近年来，我国的科研人员也针对松动圈范围的确定做了许多研究工作，并获得了诸多成果。方祖烈等^[5]研制了BM-1型机械式多点位移计，在石墨片岩、墨云母片麻岩为主的金川矿区不良岩层中，取得了围岩位移随时间变化的特性曲线，以及围岩内深达12 m范围内的径向位移在时间和空间上的分布规律，据此得到了松动圈尺寸和位移范围。邹红英^[6]等利用声波法和多点位移计法在粗粒花岗岩断层中得到相应监测数据，在统计分析的基础上建立了判别松动圈的数学模型，并提出了主级松动、松动扩展百分比等新概念。龚建伍^[7]等采用声波法和多点位移计法对岩性主要为凝灰熔岩的隧道围岩松动圈进行了测试分析，获得了整个隧道断面松动圈的分布，并基于测试结果，验证了该隧道锚杆设计支护参数的合理性，为围岩松动圈支护参数的确定提供了依据和指导。徐坤^[8]等利用单孔声波和地质雷达相结合的方法，对兰-新铁路大梁隧道工程开挖松动圈进行了研究，隧道穿越地层主要为砂岩、板岩、灰岩。黄锋^[9]等采用声波探测和理论计算相结合的方法，对张-石(张家口至石家庄)高速公路上的多条隧道的不同埋深、围岩等级条件下的隧道松动圈进行了研究，岩石类别主要包括花岗闪长岩、白云岩、片麻岩、凝灰角砾岩、沙土石等。

研究松动圈的方法可以分为物理探测方法和理论方法。在实际工程当中，一般采用物理探测的现场测试方法对围岩松动圈进行实测，其中主要包括多点位移计法、地质雷达法、声波法、地震波法、钻孔摄像法等。而理论研究主要集中在数值模拟和解析公式两部分上。由于理论研究特别是公式解析方法具有较多的假设与限制，而施工现场具体情况千变万化，相比之下，现场实测数据更加能反映出围岩松动圈实际情况^[10]，成为评价围岩稳定性和为实际施工提供支护参数修改依据的重要参考。

物理探测法中，声波法比较成熟且应用较广，但容易塌孔堵塞，不太适用与岩性较差且围岩破碎的隧道或洞室；地震波层析成像法测试精准但需要进行钻孔，且安装困难，成本较高，使用与岩性较好的地下工程；钻孔摄像法测量精度高，但信息量太大且仪器操作复杂造价昂贵。相比之下，多点位移计法适用范围广，观测数据多，可获得开挖后探测时间内松动圈的变化规律，缺点是工作量较大，量测精度低；地质雷达法在一般情况下均可使用，可以实现无损检测，精度和测试效率高。

考虑到鹧鸪山隧道所处的变质软岩环境，在参考以往松动圈相关研究的基础上，采用多点位移计法和地质雷达法相结合的现场测试方法。两种方法均有适用范围广的特点，可以运用于复杂的围岩环境，并且二者互为补充，多点位移计法测量精度低和地质雷达法数据量不足以反映所测参数规律的缺点得以弥补。

鉴于此，本研究依托汶马高速鹧鸪山隧道工程，针对炭质千枚岩地层的松动圈范围开展研究，采用多点位移计法和地质雷达法对依托工程的围岩松动圈进行了现场测试，并采用数值手段的手段对围岩松动范围进行了模拟，探明了不同施工条件下炭质千枚岩隧道围岩松动圈的分布规律，可为汶马高速鹧鸪山隧道及其他类似隧道支护参数的设计、施工方法的选择提供参考。

汶(川)马(尔康)高速公路全长172 km，主线上共设置桥梁51 144 m/111座，隧道89 578 m/31座，桥隧总比例约86.5%。鹧鸪山隧道为全线控制性工程，隧道左线长8 808 m，右线长8 778 m，隧道宽为13.42 m，高为10.49 m，最大埋深1 392 m。该隧道位于阿坝州理县与马尔康县交界处，穿越地层主要以炭质千枚岩、板岩、变质砂岩为主，如图 1所示。隧道工程区域受构造影响强烈，节理发育并交叉切割岩体，岩体呈现破碎状；千枚岩在地下水作用下软化，部分呈泥塑状。隧道开挖过程中大变形现象普遍，施工风险较大，如图 1所示。

图 1 鹧鸪山隧道地质纵剖面示意图 Fig. 1 Longitudinal geological profile of Zhegu Mountain Tunnel

在研究开挖洞室围岩内部情况及其稳定性时，经常使用多点位移计进行量测，得到大量的监测数据。通过对这些数据的处理，可以得到不同深度的测点处围岩的位移与时间的关系。

实际操作中，将多点位移计各测点安装固定在钻孔内不同的深度，测出各测点位移情况，并将位移时间关系绘制在坐标图上。位移量随时间变化大说明该测点以内的岩体呈现破裂状态，反之岩体所受扰动较小。因此根据不同点的位移与时间的变化大小，可找到松动围岩与完整围岩的分界区间^[10]。

现场试验选用辽宁丹东某仪器厂生产的DDXJW-1型钢弦式多点位移计对隧道松动圈进行测量，多点位移计测杆长度为8 m，有4个测点，其间距按照2，4，6，8 m布设。

选择鹧鸪山隧道左洞两个未注浆断面进行松动圈测试，里程分别为ZK187+785(断面1)、ZK187+760(断面2)。断面1与断面2所处围岩级别均为Ⅴ级，不同的是断面1采用上下台阶法施工，断面2采用为预留核心土施工。每个断面设置了2个测站，分别在拱肩和拱腰两个不同方向进行围岩内部位移的监测。两断面测点布置如图 2所示，多点位移计的现场安装如图 3所示。

图 2 多点位移计布置图 Fig. 2 Layout of multi-point extensometers

图 3 多点位移计现场安装图 Fig. 3 Field installation of multi-point extensometer

图 4是采用ZX-16T型振弦频率仪采集得到的ZK187+785断面多点位移计实测曲线，该断面采用“上下台阶法”施工。由图可知，围岩在洞壁表面变形最大，且沿径向向围岩深部变形逐渐减小，在7 m深度及以远，围岩位移较小，变形微弱，围岩在各个时间的位移-深度曲线的斜率相近，且无突变现象。从现场试验结果看，汶马高速鹧鸪山隧道Ⅴ级围岩采用“两台阶施工”时，其松动圈的范围大约在6~8 m左右。

图 4 ZK187+785断面多点位移计实测曲线 Fig. 4 Measured curves of section ZK187+785 by multi-point extensometer

图 5是采用ZX-16T型振弦频率仪采集得到的ZK187+760断面多点位移计实测曲线，该断面采用“上下台阶预留核心土”施工。由图可知，围岩在洞壁表面变形最大，且沿径向向围岩深部变形逐渐减小，在6 m深度及以远，围岩位移较小，变形微弱，围岩在各个时间的位移-深度曲线的斜率相近，且无突变现象。从现场试验结果看，汶马高速鹧鸪山隧道Ⅴ级围岩采用“上下台阶预留核心土”法施工时，其松动圈的范围大约在4~6 m左右。

图 5 ZK187+760断面多点位移计实测曲线 Fig. 5 Measured curves of section ZK187+760 by multi-point extensometer

地质雷达法作为一种比较先进的物理探测手段，近年在国内外广受推荐。它利用地下介质存在电性差异，通过电磁技术精准判断地下不同介质分界面的分布情况。探测进行时，发射仪器和接收仪器沿着测线紧贴待探物体表面同步移动，发射天线向待探物体内部发射宽频带脉冲形式的高频电磁波，遇到不同介质分界面或存在电性差异的目标体时经反射传回接收天线，经计算机处理返回信号，得到电磁波双程走时t，由于地质雷达遵循几何光学原理，结合其在相应介质中传播速度，便可准确得到目标体的埋深和位置，其工作原理如图 6所示。

图 6 地质雷达法工作原理 Fig. 6 Principle of GPR

现场试验使用的仪器是瑞典某公司的RAMAC/GPR地质雷达，该雷达采用100 MHz的屏蔽天线，其有效探测距离为15~30 m，可有效探测隧道松动圈的范围。该仪器由发射单元、接收单元、天线、主控器、专用笔记本微机、系统专用电源、信号线、数据采集软件、后处理软件等组成。

采用地质雷达测试围岩松动圈的测线布置如图 7所示，测线沿上台阶环向布设，每个测试断面分成5段(编号依次为①~⑤)进行探测。

图 7 围岩松动圈测线布置示意图 Fig. 7 Schematic diagram of detection line of loosing zone of surrounding rock

由于松动圈围岩裂隙内存在水、空气等填充物，其相对介电常数较之完整岩体相差大，地质雷达发射的电磁波经过松动围岩与完整围岩的分界面时必然发生强烈反射，因此从收集处理的雷达探测剖面图上即可确定围岩松动范围^[10-11]。

上下台阶法施工松动圈探测以ZK187+785断面为例，预留核心土法施工松动圈探测以ZK187+760断面为例。由于测线沿中轴线对称布置，故仅选择拱部测线，即第3条测线测试结果对比分析两种开挖方式松动圈的范围。图 8为上下台阶法开挖拱部地质雷达探测成果图，图 9为预留核心土开挖拱部地质雷达探测成果图。

图 8 ZK187+785断面地质雷达法实测结果 Fig. 8 Measured result of section ZK187+785 by GPR

图 9 ZK187+760断面地质雷达法实测结果 Fig. 9 v

从以上两张探测成果图中可以看出靠近临空面处反射波均出现同相轴不连续、频率降低特征，说明图中所圈范围内地下水含量较高、围岩破碎，且强反射呈片状、带状分布，越向内部强反射分布越少，强弱反射分界处即为松动圈结束的深度。从两种工法下松动圈分布范围看，图 8所示上下台阶法施工时拱部松动圈分布范围为4.0~6.5 m，图 9所示上下台阶预留核心土法施工时拱部松动圈分布范围为2.5~5 m。

隧道开挖时，周边局部围岩应力超过岩体强度极限，进入塑性破坏状态，结合松动圈(围岩破损区)范围确定的理论方法^[12-15]，认为岩体屈服即形成洞室周边松动圈。因此，通过数值分析软件查看隧道开挖后发生拉伸及剪切屈服破坏的单元，比照网格尺寸，从塑性区范围图中可以得出松动圈范围，据此可验证现场测试结果^[8]。

采用有限差分软件FLAC^3D对鹧鸪山隧道围岩松动范围进行模拟计算，为保证计算的合理性，三维模型按照如下尺寸选取：87.5 m×52.5 m×87.5 m，水平方向隧道中心线距离模型边界43.75 m；垂直方向隧道中心线距离模型上边界43.75 m，剩余埋深换算为竖向荷载施加在模型表面；纵向取52.5 m，涵盖鹧鸪山隧道ZK187+760~785里程段。鹧鸪山隧道模型划分如图 10所示。模型共划分228 764个节点和210 300个单元。

图 10 三维数值计算模型 Fig. 10 Three-dimensional numerical calculation model

为模拟实际施工，隧道前半段采用上下台阶法预留核心土开挖，后半段采用上下台阶法开挖。选取距纵向表面13.75, 38.75 m断面作为鹧鸪山隧道里程ZK187+760, ZK187+785断面，数值计算中采用围岩物理力学参数根据现场的地勘资料并结合现行相关规范取值见表 1，岩体采用理想弹塑性模型的本构关系，并服从D-P屈服准则。

依据《公路隧道设计规范JTG D70-2004》，锚杆的作用效果通过将加固区围岩黏聚力提高30%来等效模拟。初期支护亦采用等效的思路来模拟，即将钢拱架的弹性模量折算给喷射混凝土，计算公式如下^[16]：

式中, E为折算后的初期支护弹性模量；E₀为喷射混凝土的弹性模量；E_g为钢拱架的弹性模量；S_g为钢拱架的横截面积；S_c为喷射混凝土的横截面积。

分别提取模型ZK187+785断面、ZK187+760断面计算结果，得到上下台阶法和上下台阶预留核心土法对应的塑性区分布图(只考虑边墙及以上部位)，见图 11。

图 11 塑性区范围示意图(单位：m) Fig. 11 Schematic diagram of plastic zone(unit:m)

现场测试和数值分析所得的松动圈厚度值如表 2所示，地质雷达法和多点位移计法的测试结果存在一定差异，主要是因为鹧鸪山隧道所处地质条件复杂，围岩中存在较多的裂隙、孔洞、杂质充填物等，使得地质雷达法的测试结果存在较大的误差^[17-18]。

数值计算所得松动圈与现场实测松动圈分布规律及变化趋势基本一致，且松动圈厚度值处于同一量级，说明数值计算能够较好地对松动圈范围现场测试结果进行验证，并为隧道设计与现场施工提供参考。

(1) 施工方法对围岩松动圈范围影响显著。采用“上下台阶法”施工的断面，对围岩扰动较大，其松动圈范围比采用“上下台阶预留核心土法”施工时要大。

(2) 采用“上下台阶法”施工时，多点位移计法测得围岩松动圈范围在6~8 m左右，地质雷达法测得在4.0~6.5 m左右。

(3) 采用“上下台阶预留核心土法”施工时，多点位移计法测得围岩松动圈范围在4~6 m左右，地质雷达法测得在2.5~5.0 m左右。

(4) 对于炭质千枚岩隧道而言，松动圈厚度一般在4~8 m，因此，其锚杆支护的长度应不小于8 m。