軟巖隧道掘進(jìn)二襯施作時(shí)機(jī)的分析探討

李 越 劉禮剛 程 康 郭 磊

(1.四川能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610030；2.湖北交投襄隨高速公路建設(shè)指揮部，湖北 宜城 430070； 3.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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軟巖隧道掘進(jìn)二襯施作時(shí)機(jī)的分析探討

李 越1劉禮剛2程 康3郭 磊3

(1.四川能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610030；2.湖北交投襄隨高速公路建設(shè)指揮部，湖北 宜城 430070； 3.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

以實(shí)際工程為研究背景，根據(jù)大量的實(shí)際監(jiān)測資料，對隧道圍巖的總位移進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合，分析了隧道的變形規(guī)律，并以0.5 mm/d的變形速率為控制標(biāo)準(zhǔn)，得出開挖22 d左右進(jìn)行施作二襯為佳，考慮預(yù)留6 mm～8 mm的變形量。

軟巖隧道,二次襯砌支護(hù)，施作時(shí)機(jī)，變形監(jiān)測

我國中西部地區(qū)修建高速公路隧道工程，繞不開軟巖和膨脹土地區(qū)，軟巖隧道由于圍巖特殊的力學(xué)性質(zhì)，以及變形特征使得軟巖地區(qū)的隧道容易出現(xiàn)大變形。如果二次襯砌支護(hù)過晚，那么就使得初次支護(hù)產(chǎn)生了過大的變形，導(dǎo)致隧道嚴(yán)重不符合設(shè)計(jì)要求或者隧道坍塌的事故；如果二次襯砌支護(hù)過早，那么可能由于二次襯砌受力過大而導(dǎo)致二次襯砌開裂，從而降低隧道結(jié)構(gòu)的耐久性；同樣，二次襯砌支護(hù)過晚會(huì)延長工期，這對于節(jié)約施工成本是非常不利的。如何把握軟巖隧道二次襯砌的最佳時(shí)機(jī)，是軟巖隧道施工的關(guān)鍵問題。針對軟巖隧道二襯施作時(shí)機(jī)問題國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[1-6]，各自根據(jù)特點(diǎn)條件提出了確定二襯施作的時(shí)機(jī)方法。總結(jié)起來，隧道二次襯砌的施作時(shí)機(jī)一般按照以下幾種方法來確定：1)經(jīng)驗(yàn)法，主要是根據(jù)在隧道現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；2)收斂限制法，主要是通過隧道的收斂變形來分析；3)數(shù)值模擬計(jì)算法。論文依托實(shí)際工程施工，通過隧道施工過程中利用隧道拱頂下沉、水平收斂的測量以及數(shù)值模擬方法等，對軟巖隧道的位移變化進(jìn)行分析，以此來進(jìn)一步確定隧道合理的二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)。研究結(jié)果對指導(dǎo)實(shí)際工程施工有較大使用價(jià)值。

1 工程概況

1)工程地質(zhì)情況如下：馮家梁子隧道位于湖北省襄陽市南漳縣，是谷竹高速宜城至保康段的控制性工程，隧道所在區(qū)褶皺帶、斷裂帶斜貫全區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，屬典型的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖，易風(fēng)化，遇水易軟化，陡節(jié)理裂隙發(fā)育，且實(shí)際開挖揭示存在小型地質(zhì)構(gòu)造體褶皺及揉皺現(xiàn)象，夾雜發(fā)育方解石巖脈，且方解石脈分布廣泛，厚度較大，一般厚度為20 cm～50 cm，對圍巖穩(wěn)定不利。2)工程典型斷面變形情況如下：隧道在掘進(jìn)初期通過數(shù)據(jù)分析，左右洞圍巖拱頂下沉和圍巖收斂持續(xù)時(shí)間較長，累計(jì)變形量嚴(yán)重超標(biāo)。其中，拱頂最大下沉值達(dá)58.3 cm，兩側(cè)最大收斂值達(dá)79.1 cm。

二次襯砌最大變形值為27.8 cm。初支兩側(cè)邊墻上裂縫不斷增多，上導(dǎo)跟中導(dǎo)連接處變形，工字鋼被擠壓外露，拱頂工字鋼擠壓變形，初期支護(hù)拱頂?shù)魤K，掉塊厚度為10 cm～20 cm，寬度為30 cm～50 cm，長為40 cm～100 cm，見圖1。

2 變形監(jiān)測

2.1 工程典型斷面變形監(jiān)測情況

1)ZK65+240斷面。通過對ZK65+240斷面拱頂下沉和側(cè)墻水平收斂測量數(shù)據(jù)整理，繪制的累計(jì)變形量與變形速率折線圖見圖2，圖3。通過對ZK65+240斷面拱頂下沉與水平收斂的測量數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，隧道的拱頂下沉與水平收斂的總位移基本上是一致的，總共測量35 d累計(jì)變形量分別為40.1 mm與39.36 mm，變形速率基本上也是一樣的趨勢，變形速率開始的第1天比較大，后面的5 d～6 d都是慢慢變小，而后又逐漸增大，到第12天變形速率達(dá)到最大，其中拱頂下沉的最大速率為3.84 mm/d，水平收斂的速率最大達(dá)到了3.01 mm/d，后面的每一天變形速率都是不斷地減小，到第35天變形速率基本上穩(wěn)定下來，其中拱頂下沉速率為0.08 mm/d，水平收斂的速率為0.07 mm/d。對隧道圍巖的總位移進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，在隧道圍巖變形速率為0.5 mm/d時(shí)到圍巖變形穩(wěn)定時(shí)還會(huì)產(chǎn)生6.874 63 mm的位移。

2)ZK65+200斷面。通過對ZK65+200斷面拱頂下沉和側(cè)墻水平收斂測量數(shù)據(jù)整理，繪制的累計(jì)變形量與變形速率折線圖見圖4，圖5。通過對ZK65+200斷面拱頂下沉與水平收斂的測量數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，隧道的拱頂下沉比水平收斂的總位移稍大，拱頂下沉總共測量28 d，累計(jì)變形量為36.63 mm；水平收斂共計(jì)測量28 d，累計(jì)變形量為33.94 mm。變形速率基本上也是一樣的趨勢。拱頂下沉的速率在開挖后第1天達(dá)到最大值，為2.79 mm/d，后面幾天逐漸變小，第9天,第12天速率又有小幅度的增大現(xiàn)象，水平收斂的速率在第2天達(dá)到了最大值為2.67 mm/d，后面逐漸減小，在第9天,第13天,第15天有小幅的增大，其他時(shí)間段水平收斂的速率明顯減小，到第28天變形速率基本上穩(wěn)定下來，其中拱頂下沉速率為0.08 mm/d，水平收斂的速率為0.07 mm/d。

2.2 工程典型斷面變形分析

通過對上述兩個(gè)典型斷面下沉與水平收斂的測量數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，隧道的拱頂下沉與水平收斂的總位移基本上是一致的，總共測量35 d累計(jì)變形量分別為40.1 mm與39.36 mm，變形速率基本上也是一樣的趨勢，變形速率開始的第1天比較大，后面的5 d～6 d都是慢慢變小，而后又逐漸增大，到第12天變形速率達(dá)到最大，其中拱頂下沉的最大速率為3.84 mm/d，水平收斂的速率最大達(dá)到了3.01 mm/d，后面的每1 d變形速率都是不斷地減小，到第35天變形速率基本上穩(wěn)定下來，其中拱頂下沉速率為0.08 mm/d，水平收斂的速率為0.07 mm/d。對隧道圍巖的總位移進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合函數(shù)選用指數(shù)函數(shù)μ=-y0+A。對拱頂沉降的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到的擬合函數(shù)為：μ=-44.168 61+51.376 47，其中相關(guān)系數(shù)R2=0.937 87。因此，可以預(yù)測到隧道的總位移量是44.168 61 mm，隧道的圍巖位移變形速率為0.5 mm/d時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生的位移量是36.4 mm。因此，在隧道圍巖變形速率為0.5 mm/d時(shí)到圍巖變形穩(wěn)定還會(huì)產(chǎn)生7.768 61 mm的位移。對水平收斂的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到的擬合函數(shù)為：μ=-43.594 63+50.559 45。因此，可以預(yù)測到隧道的總位移量是43.594 63 mm，隧道的圍巖位移變形速率為0.5 mm/d時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生的位移量是36.72 mm。因此，在隧道圍巖變形速率為0.5 mm/d時(shí)到圍巖變形穩(wěn)定時(shí)還會(huì)產(chǎn)生6.874 63 mm的位移。

3 二襯施作時(shí)機(jī)的確定

通過上面典型斷面拱頂沉降以及水平收斂擬合的結(jié)果分析，得到隧道圍巖變形速率為0.5 mm/d時(shí)一直到圍巖變形穩(wěn)定時(shí)圍巖還將會(huì)產(chǎn)生的位移量。通過取平均數(shù)得到7.254 mm，即隧道圍巖變形速率為0.5 mm/d時(shí)一直到圍巖變形穩(wěn)定時(shí)圍巖還將會(huì)產(chǎn)生的位移量為7.254 mm。隧道圍巖變形速率達(dá)到0.5 mm/d的時(shí)間大約在第21.4天。因此，二襯施作時(shí)機(jī)大約在開挖后22 d。

4 結(jié)語

1)通過對馮家梁子隧道的拱頂下沉以及水平收斂進(jìn)行測量，得到了隧道圍巖變形數(shù)據(jù)。圍巖變形速率基本上是逐漸變慢的趨勢，平均第22天左右變形速率達(dá)到0.5 mm/d。2)用Origin9.0對隧道圍巖的變形位移進(jìn)行曲線擬合，擬合函數(shù)采用μ=-y0+A，通過擬合結(jié)果來預(yù)估圍巖的位移總量，得出隧道圍巖變形速率為0.5 mm/d時(shí)離隧道圍巖變形穩(wěn)定還差7.254 mm的變形量。3)二襯施作時(shí)機(jī)為掌子面開挖22 d后為佳，并且還要考慮預(yù)留6 mm～8 mm變形量。

[1] 趙二偉，向繼興.軟巖隧道二次襯砌最佳支護(hù)時(shí)機(jī)有限元分析[J].四川建材，2014，40(197)：83-84.

[2] 李寶平，高詩明，王 睿，等.基于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的反分析法確定隧道二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)[J].鐵道建筑，2004(8):49-51.

[3] 何滿潮.軟巖巷道工程概論[M].北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1993：12-14.

[4] 林育梁.軟巖工程力學(xué)與若干理論問題的探討[J].巖石力學(xué)與工程報(bào)，1999，16(6):690-613.

[5] 鄭雨天.論我國軟巖巷道支護(hù)的基本框架和幾個(gè)誤區(qū)[M].北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.

[6] 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2002：10-12.

Analyzing opportunity of second lining construction in soft rock tunnel excavation

Li Yue1Liu Ligang2Cheng Kang3Guo Lei3

(1.SichuanEnergyInvestmentGroupCo.,Ltd,Chengdu610030,China;2.HubeiXiangsuiHighwayConstructionHeadquarters,Yicheng430070,China;3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Taking the practical engineering as the research background, according to the actual monitoring data, analysis and fitting have been conducted on data of the total displacement of tunnel surrounding rock deformation of tunnel. It is resulted that the deformation rate is: 0.5 mm/d control standard and the excavation of about 22 days for the second lining is better. At the same time, considering the allowance deformation is 6 mm～8 mm.

soft rock tunnel, secondary lining support, opportunity of construction, deformation monitoring

1009-6825(2016)30-0163-02

2016-08-12

李 越(1965- )，男，高級(jí)工程師

U455

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