某軟巖隧道變形規(guī)律和二襯最佳支護(hù)時機(jī)選擇研究

李賢，蔡林真

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 云南 昆明 650051；2.云南公路工程檢測有限公司)

相較硬巖隧道圍巖-支護(hù)體系，軟巖隧道的支護(hù)-圍巖系統(tǒng)的服役性能變化規(guī)則更加復(fù)雜，這種特性在大斷面-軟巖隧道中更加明顯。隧道二次襯砌最佳支護(hù)時機(jī)選取更為重要。

孫鈞等學(xué)者于20世紀(jì)末通過大量試驗推導(dǎo)出了剪切應(yīng)變控制理論，并得到最佳支護(hù)時機(jī)選取的試驗公式；KAISER P K等運用試驗方法對隧道施工各個過程中圍巖應(yīng)力、變形及襯砌內(nèi)部應(yīng)力-形變的時間-空間變化規(guī)則進(jìn)行研究，結(jié)果表明部分巖性及支護(hù)具有流變特性；巖石流變性是巖石較為重要的力學(xué)特性之一，對巖體應(yīng)力-應(yīng)變特點的時間-空間效應(yīng)有重大影響，而工程的失穩(wěn)或破壞往往是有時間過程的；王中文等利用圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合回歸分析，得出了不同圍巖情況的流變特征參數(shù)，給出了不同初期支護(hù)強(qiáng)度和不同斷面尺寸隧道的二次襯砌合理支護(hù)時機(jī)；周勇等為了得出考慮圍巖流變特性情形下的二次襯砌的最優(yōu)支護(hù)時機(jī)，率先給出了考慮巖石流變特征的襯砌應(yīng)力、應(yīng)變及圍巖的位移-時間-空間規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上給出了特定條件下的隧道二次襯砌最佳支護(hù)時機(jī)的計算方法，并對變形監(jiān)測實測值和數(shù)值計算值進(jìn)行了較為全面的對比。研究大斷面大變形軟巖隧道的二次襯砌支護(hù)時機(jī)具有重大的現(xiàn)實意義，但由于隧道工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和隱蔽性，二次襯砌最佳支護(hù)時機(jī)的選取仍然是工程界的重點和難點。

針對這一工程難點問題，該文以某泥巖大斷面隧道為工程背景，針對軟弱泥巖大斷面隧道的二次襯砌支護(hù)時機(jī)進(jìn)行研究。通過考慮巖體蠕變特性的理論計算和現(xiàn)場圍巖形變的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的回歸分析，輔以公路隧道相關(guān)規(guī)范得出該隧道的圍巖變形規(guī)律和確定二次襯砌的最佳支護(hù)時機(jī)。

1 工程概況

該隧道右幅起迄里程：K0+755～K1+775，隧道總長1 020 m；全隧道位于直線上；隧道的最大埋深約132.6 m。該隧道左幅起迄里程：ZK0+740～ZK1+760，分界段全長1 020 m；隧道最大埋深約122.8 m。

隧址區(qū)圍巖巖性主要為全～強(qiáng)風(fēng)化，中等風(fēng)化泥巖，砂巖，地表覆蓋層較厚，多為第四系坡積、殘積土，降雨量集中在6—9月，地表植被稀疏。

2 考慮巖體蠕變特性的圍巖變形規(guī)律及襯砌最佳支護(hù)時機(jī)理論分析

2.1 蠕變作用下隧道位移公式

當(dāng)考慮隧道圍巖的蠕變效應(yīng)時，隧道襯砌抗力p0、位移uccrep公式為：

(1)

(2)

(3)

式中：

k=3-4u，kc=3-4uc。

式中：u為開挖隧道圍巖泊松比；uc為圍巖初支泊松比；r0為隧道輪廓半徑；r1為隧道初支半徑；R0為塑性區(qū)半徑；Gc為初始剪切模量；G0為中期剪切模量；G∞為最終剪切模量；α為流變參數(shù)；t為時間；r為隧道開挖輪廓的等效半徑或等效初支內(nèi)半徑。

在隧道開挖后，初期支護(hù)所抵抗的位移變形utt為：

(4)

將式(1)、(2)、(3)代入式(4)，可以得到：

(5)

由于在大斷面軟巖隧道的條件下，式(5)所計算的初期支護(hù)最終位移值，沒有考慮由于掌子面開挖而引起的前方拱頂?shù)那捌谙鲁林担⑶疫@一部分下沉值是無法通過監(jiān)控量測得到的。這里依據(jù)張頂立等的研究成果，在軟弱圍巖地質(zhì)條件下，圍巖變形，特別是豎直方向上的開挖前沉降量約為終期總位移量的40%，該部分沉降對判定二次襯砌最佳支護(hù)時機(jī)的選取有著重大影響。即可得出初期支護(hù)的最終位移變形量為utt′：

(6)

式(2)中：G∞，α，r0為未知項，其余可以由現(xiàn)有資料確定，G∞，α，r0通過工地監(jiān)控量測得到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析可得。式(2)中提出的假定條件隧道為圓形，則可以通過式(7)進(jìn)行等效替換。例如三心圓、馬蹄形等。

(7)

式中：h為隧道高度;B為輪廓跨度或初期支護(hù)內(nèi)跨度的一半。

2.2 隧道圍巖變形規(guī)律分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查追蹤發(fā)現(xiàn)，該隧道的圍巖強(qiáng)度低；風(fēng)化程度較高；多為中厚層狀～薄層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙多為發(fā)育～很發(fā)育，呈無序狀；巖體自穩(wěn)能力弱，累積沉降大，開挖初期階段位移速率快，開挖后會產(chǎn)生較大的蠕變變形，具有較為明顯的時間-空間效應(yīng)。

3 隧道圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 現(xiàn)場監(jiān)控量測

在該隧道施工過程中按照隧道監(jiān)控量測相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了圍巖變形監(jiān)測斷面和監(jiān)測點的布置，現(xiàn)場測點布置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場測點布置圖

3.2 選取計算斷面

選擇斷面ZK1+050、ZK1+060、ZK1+070、ZK1+080的現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，選擇斷面所處圍巖區(qū)段為ZK0+770～ZK1+130段，量測斷面和高密度電法的預(yù)報結(jié)果如圖2所示。

通過對高密度電法的圖形進(jìn)行解譯可以得出：

ZK0+770～ZK1+130段：視電阻率大多小于300 Ω·m。結(jié)合設(shè)計圖紙，推測圍巖為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈塊碎～碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，地下水較豐富，圍巖穩(wěn)定性差。開挖后不及時支護(hù)拱頂易發(fā)生坍塌、側(cè)壁失穩(wěn)，圍巖級別推定為Ⅴ級。

3.3 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

考慮蠕變因素，隧道圍巖位移-時間變形規(guī)律采用式(8)進(jìn)行擬合：

Y=a+be-kt

(8)

式中：a,b,k為回歸函數(shù)擬合參數(shù)；t為時間。

通過Origin8.0進(jìn)行回歸分析可得擬合參數(shù)如表1所示。

各圍巖變形監(jiān)測斷面拱頂下沉位移-時間的散點圖以及回歸曲線分別如圖3、4所示。

圖2 左幅高密度電法測試結(jié)果視電阻率成像圖

表1 隧道拱頂下沉和周邊收斂回歸分析統(tǒng)計

注：R2為擬合曲線的相關(guān)系數(shù)。

圖3 各量測斷面拱頂下沉位移-時間回歸分析曲線圖

圖4 各量測斷面周邊收斂位移-時間回歸分析曲線圖

拱頂下沉(UV)和周邊收斂(UH)位移公式分別如式(9)、(10)所示：

UV=332.55-378.68e-0.077t

(9)

UH=222.78-258.53e-0.073t

(10)

3.4 隧道二襯最佳支護(hù)時機(jī)

根據(jù)JTG F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合隧道現(xiàn)場監(jiān)測情況，該隧道Ⅴ級圍巖段取最終圍巖變形的80%作為二襯最佳支護(hù)時機(jī)。

當(dāng)t→+∞時，UV=332.55 mm，UH=222.78 mm，80%UV=266.04 mm,80%UH=178.22 mm。

根據(jù)對該隧道現(xiàn)場施工進(jìn)度進(jìn)行調(diào)查可以得出隧道開挖進(jìn)尺的情況，在這里參考圍巖的變形速率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5、6所示。

通過Origin8.0進(jìn)行線性回歸分析，可以得出二次襯砌距掌子面的距離(L)與時間(t)的函數(shù)關(guān)系為：

L=3.75+1.55t

(11)

相關(guān)系數(shù)R2=0.976 6。

則最佳支護(hù)時機(jī)的選擇結(jié)果如表2所示。

圖5 各量測斷面拱頂下沉速率-時間及掌子面與二襯距離圖

圖6 量測斷面周邊收斂速率-時間及掌子面與二襯距離圖

表2 該隧道不同段落二次襯砌最佳支護(hù)時機(jī)統(tǒng)計

4 結(jié)論

(1)隧道二次襯砌作為隧道結(jié)構(gòu)物的安全儲備，為使隧道有較為充足的安全儲備，有兩種方法：① 加強(qiáng)初支支護(hù)強(qiáng)度；② 充分發(fā)揮圍巖的自承能力。然而加強(qiáng)初期支護(hù)會增加施工成本，不經(jīng)濟(jì)，因而選擇一個合理的二次襯砌支護(hù)時機(jī)更加經(jīng)濟(jì)合理。

(2)以具體隧道為工程背景，進(jìn)行了考慮圍巖蠕變的位移理論計算、完成了現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的回歸分析，對該隧道Ⅴ級圍巖段的二次襯砌最佳支護(hù)時機(jī)(段)進(jìn)行了定量分析，即：17～26 d為該隧道Ⅴ級圍巖段的最佳支護(hù)時段，而二次襯砌最佳支護(hù)距離為距掌子面30.1～44.1 m。支護(hù)時機(jī)可根據(jù)圍巖變形穩(wěn)定狀況作調(diào)整，若變形-穩(wěn)定周期較長，則二次襯砌支護(hù)時機(jī)取較大值；若隧道圍巖變形至穩(wěn)定的周期較短，則可稍微提早施作二次襯砌。

(3)該文所采用的考慮圍巖蠕變的位移-時間關(guān)系函數(shù)沒能考慮地下水的影響，仍需進(jìn)一步完善。