深埋特長軟巖隧道二次襯砌支護時機研究

孫 洋，左昌群，吳盼盼，劉 苗，唐 霞，易 毅

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074)

軟巖隧道合理二襯支護時機的確定對軟巖隧道的安全施工有著重大意義。在新奧法與相關規范［1-2］中，為充分利用圍巖的自穩能力，一般要等圍巖變形穩定或變形速率較少時才施作二襯支護。但是在軟弱破碎圍巖隧道中，圍巖變形通常具有比較明顯的時空效應，軟巖隧道過早地施作二襯，二襯受力過大，易造成二襯開裂破壞，二襯施作不及時，圍巖過度變形會導致大變形、塌方等災害。

針對軟巖隧道二襯支護時機難確定的問題，19世紀60年代以來，國內外許多學者從新奧法施工隧道的穩定性、安全性、圍巖變形規律、圍巖應力釋放，以及根據現場監測數據反演隧道支護參數等方面出發，對隧道二襯合理支護時機的確定進行了大量的研究［3-11］，并都取得了一定成果。但因為各軟巖隧道的地質工程條件的多變性和復雜性，學術界對軟巖隧道二襯支護時機沒有統一的認識，仍是工程界的難點與熱點。

針對這一問題，本文以十房高速公路通省隧道為工程背景，對軟弱片巖隧道的二襯支護時機進行研究。對3種不同的支護形式Z5，Z5b，Z5c進行數值模擬分析，計算出隧道二襯的支護時機，同時結合對現場監控量測數據的擬合回歸分析結果，借鑒相關規范［12］，對規范中二襯支護時機的相關指標進行修正，以期為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

在建通省隧道進口位于十堰市房縣土城鎮五條村二組，出口位于土城鎮塘埂村，隧道總體走向約223°。隧道為分離式雙洞隧道，左幅里程 ZK110+090—ZK116+990，全長6 900 m;右幅里程 YK110+084—YK116+958，全長6 874 m。洞室左、右幅縱坡均為+1.90%，洞室凈空均為10.25 m×5.0 m，斷面形式設計為四心圓，最大埋深約515 m，該隧道屬分離式特長深埋隧道。洞門形式均擬采用端墻式，通風方式為機械通風。

隧址區在大地構造上處于揚子板塊北緣和秦嶺—大別造山帶的交接部位，屬上揚子板塊及北緣構造帶的一部分。在長期的地質發展演化進程中，經歷了多期次、多階段的變形變質作用和巖漿活動，地質構造復雜。

隧道位于武當山背斜北翼，區內基巖大都直接出露，為中元古界片巖，產狀50°～60°∠40°～55°。隧道區主要不良地質為穿越洞身的斷裂破碎帶。斷裂破碎帶發育 2處，里程為 YK111+075—YK111+185(ZK111+090—ZK111+200)，YK116+430—YK116+590(ZK116+470—ZK116+630)，與隧道軸線呈近45°相交。

2 數值模擬分析

2.1 模擬支護類型

通省隧道自2010年施工以來，隧道圍巖中Ⅴ級圍巖占了很大比例，且大變形基本上都發生在其中。Ⅴ級圍巖施工中原設計的支護形式為Z5，后更改為Z5b，Z5c 2種支護形式。3種支護形式的支護參數對比如表1。

表1 Ⅴ級圍巖支護參數

2.2 計算模型及參數

2.2.1 基本假定

1)本部分數值模擬計算蠕變模型用FLAC3D中內嵌的Cvisc蠕變模型(即改進的Burgers蠕變模型)，圍巖蠕變參數如表2所示，蠕變時間步最少為10 s，最大為5 000 s，用SET creep dt auto on激活自動時間步。在模擬隧道開挖與初期支護施工步驟時用SET creep off避免蠕變模型，計算至平衡狀態，以建立初始的瞬時彈塑性系統，然后用 SET creep on，請示蠕變響應［13-14］。

表2 圍巖Cvisc蠕變模型參數

2)巖體采用摩爾—庫倫理想彈塑性單元模擬，二次襯砌采用實體彈性單元模擬，初期支護中噴射混凝土與鋼拱架采用殼單元(Shell)模擬，錨桿采用錨索單元(Cable)模擬。

3)初始應力場只考慮自重應力場，不考慮構造應力場。

2.2.2 計算范圍與約束條件的確定

模型上邊界至地表，上邊界取模擬段的隧道實際埋深100 m，左右邊界各取60 m，下邊界取50 m，厚度取一個施工循環進尺(80 cm)。網格模型見圖1。建立的網格模型總共有3 528個單元，5 376個節點。

圖1 計算網格模型

模型的約束條件:左右兩側約束X方向的自由度，模型前后約束Y方向(平行于隧道方向)的自由度，下邊界約束X，Y，Z三個方向的自由度，上邊界無約束。

2.2.3 計算參數的選取

計算模型中圍巖參數根據前期勘察資料與室內試驗確定，噴射混凝土、二次襯砌、鋼拱架、錨桿等計算參數根據《公路隧道設計規范》(JTJ D70—2004)等相關規范與類似工程確定。計算模型參數見表3，錨桿參數見表4。

2.3 數值模擬結果及分析

2.3.1 Z5c支護形式模擬計算

1)Z5c初期支護條件下噴射混凝土蠕變計算彎曲應力分布見圖2。由圖2可知，蠕變15 d時，彎曲應力最大達到1.301 MPa;16 d時，彎曲應力最大達1.352 MPa。由《公路隧道設計規范》可知，C25噴射混凝土彎拉設計強度值為1.3 MPa，因此蠕變計算15 d時，噴射混凝土即將彎曲受拉破壞;16 d時，已出現彎曲受拉破壞。因此，考慮圍巖蠕變特性Z5c初期支護形式下應在15 d進行二襯支護，利用二襯來承擔圍巖荷載。

表3 計算模型參數

表4 計算模型中錨桿參數

2)Z5c初期支護條件下蠕變計算15 d時錨桿受力變形見圖3。由圖3可知，考慮圍巖蠕變情況下，錨桿受力較均勻，但也主要分布在上下臺階邊墻處，且蠕變15 d后上下臺階邊墻處錨桿所受的軸向應力最大達到616.3 MPa，大部分砂漿錨桿已滑移破壞。

3)通過數值模擬計算得出，Z5c初期支護條件下蠕變計算15 d時，豎直方向變形量最大發生在拱頂與底板位置。拱頂范圍內豎直位移變形量最大為49.98 mm。水平方向變形量最大為37.09 mm，變形量基本上與實際監測結果一致。

4)Z5c初期支護條件下，在蠕變計算15 d進行二襯支護，然后再進行30 d的蠕變計算。Z5c支護形式下各典型截面應力狀態與安全系數見圖4。其中截面6到截面9以拉應力作用為主，安全系數較低，也即邊墻與拱腳處應力比較集中。設計與施工時應該加強該處支護。

2.3.2 Z5和Z5b支護形式模擬計算

同理對Z5和Z5b支護形式按粘彈性塑性蠕變模型進行計算。通過對位移、錨桿應力以及噴射混凝土應力等計算得出:Z5支護形式下二次襯砌應該在16 d時進行，Z5b支護形式下二次襯砌應該在12 d進行。

圖2 Z5c噴射混凝土蠕變計算彎曲應力分布(單位:MPa)

圖3 Z5c蠕變計算15 d時錨桿應力與滑移破壞(單位:Pa)

圖4 Z5c支護形式下二襯安全系數分布

3 二襯支護時機指標

隧道二襯施工中，二襯支護施作時間都是參考相關規范實施的。本文也參考規范中變形速率這一指標來確定二襯支護時機。依據蠕變計算得到的支護時間，結合現場水平收斂和拱頂下沉監測數據回歸分析得到二襯支護時的收斂速率值，以此來作為二襯支護實施標準。為此在現場特選取Z5，Z5b，Z5c 3種支護形式各100 m長度范圍內的監測斷面作為研究對象進行現場監測，并對各監測斷面的監測數據采用對數函數進行回歸分析［7-10］，得到的相關系數均在0.84以上，表明實測數據與回歸分析擬合較好，軟弱片巖隧道圍巖變形發展符合對數函數規律。由于隧道的變形符合對數函數規律，對對數函數u=A+Blnt的左右兩邊求導，得到du/dt=B/t=v，則可由t=B/v計算出二襯支護的施作時機。將蠕變計算得到的支護時間帶入上式，通過對各監測斷面監測數據回歸分析可得出不同支護形式下的B值，進而可計算得到二襯支護時機的變形速率，見表5。

表5 二次襯砌支護時機變形速率

4 結論

1)通過對3種支護形式下混凝土應力、錨桿應力、位移變形值以及二襯結構應力的蠕變計算，得出Z5，Z5b，Z5c 3種支護形式下二次襯砌的最佳支護時機分別在 16，12，15 d。

2)結合監控量測數據，通過回歸分析得到各支護條件下二襯支護時機的變形速率:Z5，Z5b，Z5c 3種支護條件下周邊收斂變形速率分別為 0.66，1.10，0.88 mm/d，拱頂下沉變形速率分別為0.54，0.91，0.85 mm/d。

3)通過蠕變計算和對現場監測數據的擬合得到合理、科學可控的二襯支護時機指標，該方法可為類似隧道的施工提供參考。

［1］韓瑞庚.地下工程新奧法［M］.北京:科學出版社，1987.

［2］劉長武.煤礦軟巖巷道的錨噴支護同新奧法的關系［J］.中國礦業，2001(1):61-64.

［3］孫鈞，侯學淵.地下結構［M］.北京:科學出版社，1991.

［4］SULEM J，PANET M，GUENOT A.An Analytical Solution for Time Dependent Displacement in a Circular Tunnel［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences＆ Geomechanics Abstracts，1987，24(3):155-164.

［5］PELLI F，KAISER P K，MORGENSTERN N R.Effects of Rock Mass Anisotropy and Non-Linearity on the Near Face Stresses in Deep Tunnels［J］.Rock Engineering，1995，28(2):125-132.

［6］何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程地質力學研究進展［J］.工程地質學報，2000，8(1):46-62.

［7］李俊鵬.開挖過程中隧洞圍巖應力釋放規律及軟巖支護時機研究［D］.西安:西安理工大學，2007.

［8］王祥秋，楊林德，高文華.軟弱圍巖蠕變損傷機理及合理支護時間的反演分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(5):793-796.

［9］劉志春，李文江，朱永全，等.軟巖大變形隧道二次襯砌施作時機探討［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(3):580-588.

［10］李欣，高謙，劉增輝，等.金川Ⅲ礦區硐室圍巖蠕變特性與支護時機［J］.北京科技大學學報，2011，33(10):1182-1189.

［11］孫洋，陳建平，余莉.基于力學解析法和現場監控量測確定隧道二襯支護時機的應用研究［J］.鐵道建筑，2013(7):71-73.

［12］中華人民共和國交通運輸部.JTG F60—2009 公路隧道施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［13］萬志軍，周楚良，羅兵全，等.軟巖巷道圍巖非線性流變數學力學模型［J］.中國礦業大學學報，2004，33(4):468-472.

［14］鐘正強，彭振斌，彭文祥.基于 Hoek-Brown準則的層狀巖體隧道開挖響應分析［J］.中南大學學報，2009，40(6):1689-1694.