基于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的反分析法確定隧道二襯支護(hù)時機

李寶平，高詩明，王 睿，秦 威

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安 710032)

隧道工程二次襯砌支護(hù)時間直接影響隧道結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定［1-3］，如何確定合理的二次襯砌施作時機始終是隧道工程的熱點問題［4-6］。對于淺埋、軟弱圍巖隧道等圍巖條件較差的隧道，適時地施作二次襯砌尤為重要。倘若二次襯砌施作過早，圍巖應(yīng)力不能得到有效釋放，結(jié)構(gòu)容易遭受破壞;施作太晚，可能會因為初期支護(hù)不能抑制隧道變形，從而導(dǎo)致圍巖喪失自承能力，最終導(dǎo)致隧道坍塌。

現(xiàn)階段國內(nèi)外許多專家學(xué)者主要應(yīng)用基于現(xiàn)場實測分析的經(jīng)驗法以及基于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的反分析法，或基于力學(xué)理論的數(shù)學(xué)計算解析法、數(shù)值模擬法研究隧道二襯支護(hù)的時機。本文基于西施坡高速公路隧道工程實例，采用對現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的反分析，利用變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則分別確定隧道二襯支護(hù)的時機，結(jié)合最小支護(hù)抗力原則，最終確定隧道二次襯砌支護(hù)的最佳時機。

1 工程概況

西施坡隧道位于商洛市商州區(qū)北面，為雙向4車道分離式隧道。左洞起止里程:ZK4+514—ZK5+062，長548 m，起止點高程分別為776.269，769.568 m;右洞起止里程:YK4+498—YK5+053，長555 m，起止點高程分別為775.990，767.665 m。隧道為直線單向縱坡隧道，左洞隧道縱坡設(shè)計為－1.22%，右線隧道縱坡設(shè)計為－1.50%。隧道最大埋深左線約為86 m，右線約為87 m。洞身有幾處埋深較淺，最小埋深約為14 m。隧址區(qū)植被發(fā)育。左洞入口段、右洞出口段地形較陡，為殘積土和強風(fēng)化砂巖、泥巖互層。殘積土疏松雜亂，大部分基巖裸露，坡體風(fēng)化強烈，巖石產(chǎn)狀約為180°∠20°。右洞入口、左洞出口處地形較緩，部分基巖裸露，山坡傾向東，巖體為中風(fēng)化泥巖、砂巖互層。巖體小裂隙發(fā)育，巖體較破碎，坡角約為20°～30°，巖石產(chǎn)狀約為220°∠30°。

2 基于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的反分析法對隧道二襯支護(hù)時機的確定

通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定同時滿足變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則的二襯施作時機，結(jié)合最小支護(hù)抗力原則，確定隧道二次襯砌最佳支護(hù)時機。

2.1 變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則

變形速率準(zhǔn)則:根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60—2009)規(guī)定，當(dāng)拱頂下沉速率 ＜0.07～0.15 mm/d時，隧道適合施作二襯支護(hù)。隧道初期支護(hù)后，隧道巖土體的變形量隨時間而逐漸變大，經(jīng)過一定的時間，當(dāng)時間為t1時刻，隧道變形量趨于某一定值y1。此后，隨時間推移，變形速率減小，直至變形速率趨于0。拱頂?shù)淖冃嗡俾驶痉€(wěn)定在0.07～0.15 mm/d范圍內(nèi)，根據(jù)變形速率準(zhǔn)則可以確定t1時刻為二襯支護(hù)時機。隧道變形時程曲線［7］如圖1所示。

以YK4+532為例，根據(jù)變形速率準(zhǔn)則，并結(jié)合西施坡隧道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，拱頂下沉速率＜0.07～0.15 mm/d時，該隧道斷面二襯支護(hù)時機為25 d，距掌子面63 m(見表1)。基于變形速率準(zhǔn)則，ZK4+586，YK4+532，YK5+012，ZK5+034 斷面分別在27，25，22，21 d后適合施作二襯支護(hù)，故隧道二襯支護(hù)時機為21～27 d，距掌子面距離為52～68 m。

表1 隧道支護(hù)時機

圖1 隧道變形時程曲線

極限位移準(zhǔn)則:根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2009)規(guī)定，已產(chǎn)生的各項位移達(dá)到各項預(yù)計位移總量的80% ～90%(根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況綜合分析，當(dāng)實測位移為0.8倍的極限位移時，施作二次襯砌比較合理)時，隧道適合施作二襯支護(hù)。

根據(jù)隧道實測拱頂沉降數(shù)值，通過MATLAB軟件對變形測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、回歸分析后，采用指數(shù)函數(shù)y=A e－B/x對拱頂沉降曲線進(jìn)行擬合分析，求得位移回歸方程。對西施坡隧道ZK4+586，YK4+532，YK5+012，ZK5+034斷面拱頂位移監(jiān)測數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖2所示。

以ZK4+586為例，MATLAB分析拱頂沉降的極限位移公式為:y=93.02 e－5.18/x。當(dāng)x趨向無窮時，極限位移值為93.02 mm，其中擬合相關(guān)系數(shù)R=0.91。該斷面二襯支護(hù)時機為隧道開挖后第23 d，距掌子面58 m，具體見表1。

根據(jù)隧道極限位移準(zhǔn)則，ZK4+586，YK4+532，YK5+012，ZK5+034 斷面分別在23，21，26，19 d 后滿足二襯支護(hù)條件，故二襯支護(hù)時機為19～26 d，距掌子面距離為47～66 m。

圖2 斷面拱頂沉降擬合曲線

建議取兩種準(zhǔn)則下的時間交集作為二次襯砌支護(hù)時機，即二次襯砌最佳支護(hù)時機為初期支護(hù)后21～26 d，距掌子面距離52～66 m。

2.2 最小支護(hù)抗力準(zhǔn)則

如果隧道在開挖后，圍巖不發(fā)生破壞(即隧道圍巖本身有很強的穩(wěn)定性)，則隧道無需進(jìn)行二襯支護(hù)。倘若對隧道進(jìn)行支護(hù)，那么支護(hù)結(jié)構(gòu)也僅僅起安全儲備作用。正常情況下隧道開挖后，圍巖會發(fā)生不同程度的破壞，繼而涉及的問題是至少需要有多大的抗力，支護(hù)結(jié)構(gòu)才能阻止圍巖破壞，這個抗力就是最小支護(hù)抗力。只要知道最小支護(hù)抗力，就可以選擇合理的二襯支護(hù)時機。

在取得支護(hù)抗力數(shù)值比較困難的情況下，假設(shè)可以利用隧道拱頂有效應(yīng)力研究二次襯砌，替代阻止圍巖破壞的支護(hù)抗力。通過分析隧道拱頂有效應(yīng)力，將支護(hù)抗力最小的時機作為二次襯砌施作時機。

圖3 拱頂有效應(yīng)力隨時間變化曲線

圍巖拱頂有效應(yīng)力隨時間變化趨勢如圖3所示。以YK5+012斷面為例，拱頂有效應(yīng)力隨隧道的開挖快速變小，在隧道初期支護(hù)結(jié)束后第9 d，有效應(yīng)力減小為4.13 MPa。之后其值小幅度反彈，緊接著減小，到初期支護(hù)結(jié)束后第19 d，拱頂有效應(yīng)力減小到最小值2.43 MPa。隨時間推移，有效應(yīng)力以很小的速率逐漸增大，25 d后近似趨于3.62 MPa。根據(jù)隧道支護(hù)抗力最小準(zhǔn)則，ZK4+586，YK4+532，YK5+012，ZK5+034斷面分別在23，20，19，21 d后滿足二襯支護(hù)條件，故二襯支護(hù)時機為19～23 d，距掌子面距離為47～58 m。

從拱頂圍巖受力情況分析，考慮有效應(yīng)力時，二次襯砌最佳支護(hù)時機為開挖后19～23 d，略小于基于變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則確定的二次襯砌初期支護(hù)完成后21～26 d的支護(hù)時機，這主要是因為隧道開挖過程中應(yīng)力釋放速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于位移發(fā)展速度。綜合考慮應(yīng)力釋放速度和位移速度的影響，建議二次襯砌最佳支護(hù)時機為開挖后約21～23 d，與拱頂位移發(fā)展分析所得基本一致，證明了可以采用拱頂有效應(yīng)力替代支護(hù)抗力研究隧道襯砌。

3 結(jié)論

1)根據(jù)變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則的理論分析和數(shù)學(xué)分析軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，確定二次襯砌最佳支護(hù)時機為初期支護(hù)后21～26 d，距掌子面距離52～66 m。

2)基于最小支護(hù)抗力準(zhǔn)則，對現(xiàn)場量測有效應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行了反分析，得出二次襯砌的施作時機為初期支護(hù)后19～23 d，距掌子面距離47～58 m。

3)在綜合考慮應(yīng)力釋放速度和位移速度的影響，建議二次襯砌最佳支護(hù)時機取初期支護(hù)后21～23 d。

4)研究隧道襯砌時，在一定程度上，拱頂有效應(yīng)力和支護(hù)抗力具有同等的作用。

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