軟巖流變特性對仰拱與填充一體澆筑隧道襯砌結構受力的影響

熊曉暉

（中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430061）

0 引言

仰拱施工,一直是隧道鉆爆法施工工序中的一道關鍵工序[1-2]，其進度影響施工工期、隧道質量和施工安全控制。仰拱結構混凝土與填充混凝土，可分開澆筑或一體澆筑，國內目前以分開澆筑方式為主，極少數鐵路項目開展了一體澆筑法的研究與應用[3]。

目前，隧道仰拱與填充混凝土分開澆筑施工方案，普遍采用全液壓履帶式自行棧橋配合整體式仰拱及填充模板裝置施工作業[4-5]，需要解決施工車輛安全通行和仰拱同步作業問題，克服仰拱及填充混凝土施工時需反復裝拆及倒運、仰拱與仰拱填充需分別支模澆筑、工人勞動強度大、混凝土施工質量難以保障等缺點。仰拱與仰拱填充采用一體澆筑時，僅需要安裝端頭模板、中心水溝模板與邊墻曲模，不需要安裝仰拱腹模，能提高施工效率，加快仰拱與仰拱填充的施工進度。

與分開澆筑相比，仰拱與填充一體澆筑時，仰拱的受力狀態發生了改變，仰拱和填充混凝土的整體性更好。但是，當遇到仰拱上浮的受力工況時，填充混凝土將處于受拉狀態，表面更容易形成裂縫[6]，導致積水滲入仰拱基底，日積月累造成仰拱基底積水和軟化、路面翻漿冒泥等病害。本文基于軟巖隧道的流變特性（III級圍巖），采用地層-結構法對仰拱與填充一體澆筑后的隧道襯砌結構受力狀況進行數值模擬，以揭示這種不利狀況的影響范圍。

本文基于巖石的黏、彈、塑3 種變形特性展開研究[7]，根據隧道開挖現場監測變形數據，擬合軟巖流變變形的本構模型，得到軟巖流變模型參數，對仰拱與填充一體澆筑時襯砌結構的受力狀態，進行施工過程仿真，并考察仰拱和填充混凝土在軟巖流變過程中的受力變化。

1 數值模型

仰拱與填充一體澆筑施工過程數值模擬，主要考察仰拱和填充在澆筑后的受力和變形問題，尤其是由于隧道軟巖流變過程中，噴錨支護混凝土和襯砌混凝土應力重分布后，填充混凝土的變形問題。隧道從開挖、噴錨支護、襯砌支護到巖體流變過程，是典型的三維力學問題，但開挖支護完成后的流變問題可以簡化成平面應變問題，本項目主要考察巖體流變過程中，仰拱與填充一體澆筑時，仰拱和填充的力學變化過程，因此，采用平面應變模型進行模擬。

1.1 數值模型計算域的選取

本文采用典型的III 級圍巖雙線高速鐵路隧道進行數值計算，隧道襯砌結構斷面如圖1 所示，主要考察深埋隧道的受力問題，由于巖體流變影響區域較大，數值計算域以隧道為中心，選取400m×400m 范圍的巖體進行計算。

圖1 隧道襯砌結構斷面（單位：cm）

1.2 開挖過程和邊界條件

開挖過程設置為：隧道開挖→巖體流變→噴錨支護→巖體流變→襯砌及仰拱支護→巖體流變，數值分析的目的是研究襯砌及仰拱支護后的巖體流變過程。計算域的頂邊為自由邊界，底邊限制垂直方向的位移，左右兩邊限制水平方向的位移。

1.3 混凝土和巖體的本構模型

噴錨混凝土采用C20 混凝土，襯砌混凝土和填充混凝土采用C35 混凝土，數值模型中采用摩爾-庫倫模型。

采用Drucker Prager 屈服準則描述軟巖的本構關系，采用時間相關的硬化定律描述巖體的流變，假定流變過程中材料的應力基本保持不變，應變率表示為：

根據試驗及變形監測數據進行擬合，軟巖的材料參數如表1 所示。

表1 隧道巖體材料參數

2 結果與分析

本文數值分析的主要目的是研究襯砌及仰拱支護后巖體流變對一體澆筑的仰拱填充的受力影響，開挖及支護分析流程為：隧道開挖→巖體流變→噴錨支護→巖體流變→襯砌及仰拱支護→巖體流變，主要對比分析仰拱填充一體澆筑與分開澆筑時的受力特性。

2.1 拱頂位移

圖2 給出了開挖后拱頂豎向位移隨時間變化的規律，為了方便表達，橫坐標時間是歸一化后的時間坐標，各施工階段的具體時間如表2 所示。從圖2 中可見：

表2 隧道開挖及支護各施工階段時間

圖2 開挖后拱頂豎向位移隨時間變化曲線

（1）隧道開挖后，直到變形穩定，拱頂豎向位移約13cm，其中，大約10cm 發生在隧道開挖階段。

（2）噴錨支護后，流變階段拱頂位移進一步釋放。

（3）襯砌施工后，拱頂位移變化放緩，前期流變階段拱頂位移略有增加，后期流變階段拱頂位移趨于穩定。

2.2 二次襯砌仰拱（與填充）的應力

為了揭示仰拱和填充一體澆筑工藝混凝土的受力特性，本文對比分析了同等條件下，仰拱和填充分開澆筑的結果。模型a 為仰拱和填充一體澆筑，模型b 為仰拱和填充分開澆筑；分開澆筑時，認為仰拱混凝土和填充混凝土之間存在滑移變形，二者變形不協調，因此數值仿真中，模型b 忽略了填充混凝土，僅考察仰拱的受力。仰拱和填充一起澆筑時，分析在不同施工階段的拉應力和壓應力分布情況發現：

（1）模型a 和模型b 在仰拱和填充施工完成后的拉應力和壓應力都處于較低的水平，二者的應力分布略有差異。

（2）仰拱和填充施工完成，圍巖流變60d 后，模型a和模型b 的拉應力分布出現較大不同，仰拱和填充一體澆筑時，較大拉應力出現在二次襯砌拱腳外側以及填充混凝土的頂部，填充混凝土頂部的局部區域出現了大于0.1MPa 的拉應力，因此，仰拱和填充一體澆筑時，應采取適當措施防止填充混凝土因拉應力過大出現開裂現象；另一方面，與模型b 相比，仰拱和填充一體澆筑時，填充混凝土分擔了仰拱的部分拉應力，降低了仰拱區域的拉應力水平。一體澆筑時，仰拱局部區域出現拉應力（出現在邊墻排水溝填充混凝土邊界處），主要是由截面突變帶來的應力集中引起。仰拱和填充分開澆筑時，仰拱頂部大部分區域沒有出現拉應力，僅在拱腳外部局部區域出現了拉應力。

（3）仰拱和填充施工完成圍巖流變60d 后，模型a和模型b 中，仰拱和二次襯砌的壓應力分布大致相同，最大壓應力分別為3.43MPa 和3.52MPa，都出現在拱腰和拱腳局部區域。

（4）仰拱和填充施工完成圍巖流變100d 后，模型a和模型b 的仰拱和二次襯砌拉應力、壓應力最大值和分布狀態趨于穩定，與圍巖流變60d 后的結果相比差異不大，說明圍巖流變對二次襯砌和仰拱的影響，主要出現在施工完成后的有限時間內，二次襯砌和仰拱支護使隧道結構趨于穩定。

2.3 圍巖的應力

分析仰拱和填充一體澆筑施工過程中，圍巖局部區域的拉應力和壓應力分布情況發現：

（1）開挖完成后，圍巖頂部和底部的第一主應力水平較高，最大拉應力達到0.326MPa，巖體靠近拱腳部位的局部壓應力達到14.7MPa。

（2）噴錨支護完成后，圍巖頂部和底部的第一主應力快速下降，最大拉應力下降為0.086MPa，巖體靠近拱腳部位局部最大壓應力下降為12.4MPa。

（3）二次襯砌和仰拱施工完成后，圍巖頂部和底部的第一主應力進一步下降，最大拉應力小于0，圍巖處于受壓狀態，受壓區域從拱腳部位圍巖向拱腰部位轉移，巖體最大壓應力也從靠近拱腳部位轉移到靠近拱腰部位，圍巖最大壓應力約9.87MPa。

（4）流變60d 后，圍巖的第一主應力進一步降低，拱腰部位的圍巖受壓區域范圍擴大，最大壓應力略有下降，大約9.05MPa。

（5）流變80d 后，圍巖的應力分布幾乎不再發生變化，巖體壓應力分布趨于穩定。

3 結束語

本文采用地層-結構法,對隧道仰拱和填充一體澆筑混凝土過程進行了數值模擬，基于軟巖的流變特性，研究仰拱與填充一體澆筑時，隧道襯砌結構的受力狀況，重點考察圍巖流變對仰拱和填充受力的不利影響，并形成以下結論：

（1）模擬隧道開挖—支護的施工過程時，隧道開挖后直到變形穩定，拱頂豎向位移約13cm，其中大約10cm 發生在隧道開挖階段，后期支護和流變階段的位移較小。

（2）二次襯砌和仰拱支護成環以后，圍巖流變變形得到控制，圍巖流變60d 以后，圍巖和支護的受力及變形都不發生大的變化，圍巖流變100d 以后，圍巖和支護結構趨于穩定。

（3）圍巖流變對仰拱和填充一體化澆筑有不利影響，最突出的影響是填充混凝土頂部，在施工完成60d后,因圍巖流變出現拉應力，局部拉應力大于0.1MPa，因此，仰拱和填充一體化澆筑時，應采取適當措施防止填充混凝土因拉應力過大出現開裂現象；雖然填充混凝土出現了局部拉應力，但是與仰拱和填充分開澆筑方案相比，填充混凝土分擔了仰拱的部分拉應力，降低了仰拱區域的第一主應力水平。