深埋特长软岩隧道二次衬砌支护时机研究

孙 洋，左昌群，吴盼盼，刘 苗，唐 霞，易 毅

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

软岩隧道合理二衬支护时机的确定对软岩隧道的安全施工有着重大意义。在新奥法与相关规范［1-2］中，为充分利用围岩的自稳能力，一般要等围岩变形稳定或变形速率较少时才施作二衬支护。但是在软弱破碎围岩隧道中，围岩变形通常具有比较明显的时空效应，软岩隧道过早地施作二衬，二衬受力过大，易造成二衬开裂破坏，二衬施作不及时，围岩过度变形会导致大变形、塌方等灾害。

针对软岩隧道二衬支护时机难确定的问题，19世纪60年代以来，国内外许多学者从新奥法施工隧道的稳定性、安全性、围岩变形规律、围岩应力释放，以及根据现场监测数据反演隧道支护参数等方面出发，对隧道二衬合理支护时机的确定进行了大量的研究［3-11］，并都取得了一定成果。但因为各软岩隧道的地质工程条件的多变性和复杂性，学术界对软岩隧道二衬支护时机没有统一的认识，仍是工程界的难点与热点。

针对这一问题，本文以十房高速公路通省隧道为工程背景，对软弱片岩隧道的二衬支护时机进行研究。对3种不同的支护形式Z5，Z5b，Z5c进行数值模拟分析，计算出隧道二衬的支护时机，同时结合对现场监控量测数据的拟合回归分析结果，借鉴相关规范［12］，对规范中二衬支护时机的相关指标进行修正，以期为类似工程施工提供参考。

1 工程概况

在建通省隧道进口位于十堰市房县土城镇五条村二组，出口位于土城镇塘埂村，隧道总体走向约223°。隧道为分离式双洞隧道，左幅里程 ZK110+090—ZK116+990，全长6 900 m;右幅里程 YK110+084—YK116+958，全长6 874 m。洞室左、右幅纵坡均为+1.90%，洞室净空均为10.25 m×5.0 m，断面形式设计为四心圆，最大埋深约515 m，该隧道属分离式特长深埋隧道。洞门形式均拟采用端墙式，通风方式为机械通风。

隧址区在大地构造上处于扬子板块北缘和秦岭—大别造山带的交接部位，属上扬子板块及北缘构造带的一部分。在长期的地质发展演化进程中，经历了多期次、多阶段的变形变质作用和岩浆活动，地质构造复杂。

隧道位于武当山背斜北翼，区内基岩大都直接出露，为中元古界片岩，产状50°～60°∠40°～55°。隧道区主要不良地质为穿越洞身的断裂破碎带。断裂破碎带发育 2处，里程为 YK111+075—YK111+185(ZK111+090—ZK111+200)，YK116+430—YK116+590(ZK116+470—ZK116+630)，与隧道轴线呈近45°相交。

2 数值模拟分析

2.1 模拟支护类型

通省隧道自2010年施工以来，隧道围岩中Ⅴ级围岩占了很大比例，且大变形基本上都发生在其中。Ⅴ级围岩施工中原设计的支护形式为Z5，后更改为Z5b，Z5c 2种支护形式。3种支护形式的支护参数对比如表1。

表1 Ⅴ级围岩支护参数

2.2 计算模型及参数

2.2.1 基本假定

1)本部分数值模拟计算蠕变模型用FLAC3D中内嵌的Cvisc蠕变模型(即改进的Burgers蠕变模型)，围岩蠕变参数如表2所示，蠕变时间步最少为10 s，最大为5 000 s，用SET creep dt auto on激活自动时间步。在模拟隧道开挖与初期支护施工步骤时用SET creep off避免蠕变模型，计算至平衡状态，以建立初始的瞬时弹塑性系统，然后用 SET creep on，请示蠕变响应［13-14］。

表2 围岩Cvisc蠕变模型参数

2)岩体采用摩尔—库伦理想弹塑性单元模拟，二次衬砌采用实体弹性单元模拟，初期支护中喷射混凝土与钢拱架采用壳单元(Shell)模拟，锚杆采用锚索单元(Cable)模拟。

3)初始应力场只考虑自重应力场，不考虑构造应力场。

2.2.2 计算范围与约束条件的确定

模型上边界至地表，上边界取模拟段的隧道实际埋深100 m，左右边界各取60 m，下边界取50 m，厚度取一个施工循环进尺(80 cm)。网格模型见图1。建立的网格模型总共有3 528个单元，5 376个节点。

图1 计算网格模型

模型的约束条件:左右两侧约束X方向的自由度，模型前后约束Y方向(平行于隧道方向)的自由度，下边界约束X，Y，Z三个方向的自由度，上边界无约束。

2.2.3 计算参数的选取

计算模型中围岩参数根据前期勘察资料与室内试验确定，喷射混凝土、二次衬砌、钢拱架、锚杆等计算参数根据《公路隧道设计规范》(JTJ D70—2004)等相关规范与类似工程确定。计算模型参数见表3，锚杆参数见表4。

2.3 数值模拟结果及分析

2.3.1 Z5c支护形式模拟计算

1)Z5c初期支护条件下喷射混凝土蠕变计算弯曲应力分布见图2。由图2可知，蠕变15 d时，弯曲应力最大达到1.301 MPa;16 d时，弯曲应力最大达1.352 MPa。由《公路隧道设计规范》可知，C25喷射混凝土弯拉设计强度值为1.3 MPa，因此蠕变计算15 d时，喷射混凝土即将弯曲受拉破坏;16 d时，已出现弯曲受拉破坏。因此，考虑围岩蠕变特性Z5c初期支护形式下应在15 d进行二衬支护，利用二衬来承担围岩荷载。

表3 计算模型参数

表4 计算模型中锚杆参数

2)Z5c初期支护条件下蠕变计算15 d时锚杆受力变形见图3。由图3可知，考虑围岩蠕变情况下，锚杆受力较均匀，但也主要分布在上下台阶边墙处，且蠕变15 d后上下台阶边墙处锚杆所受的轴向应力最大达到616.3 MPa，大部分砂浆锚杆已滑移破坏。

3)通过数值模拟计算得出，Z5c初期支护条件下蠕变计算15 d时，竖直方向变形量最大发生在拱顶与底板位置。拱顶范围内竖直位移变形量最大为49.98 mm。水平方向变形量最大为37.09 mm，变形量基本上与实际监测结果一致。

4)Z5c初期支护条件下，在蠕变计算15 d进行二衬支护，然后再进行30 d的蠕变计算。Z5c支护形式下各典型截面应力状态与安全系数见图4。其中截面6到截面9以拉应力作用为主，安全系数较低，也即边墙与拱脚处应力比较集中。设计与施工时应该加强该处支护。

2.3.2 Z5和Z5b支护形式模拟计算

同理对Z5和Z5b支护形式按粘弹性塑性蠕变模型进行计算。通过对位移、锚杆应力以及喷射混凝土应力等计算得出:Z5支护形式下二次衬砌应该在16 d时进行，Z5b支护形式下二次衬砌应该在12 d进行。

图2 Z5c喷射混凝土蠕变计算弯曲应力分布(单位:MPa)

图3 Z5c蠕变计算15 d时锚杆应力与滑移破坏(单位:Pa)

图4 Z5c支护形式下二衬安全系数分布

3 二衬支护时机指标

隧道二衬施工中，二衬支护施作时间都是参考相关规范实施的。本文也参考规范中变形速率这一指标来确定二衬支护时机。依据蠕变计算得到的支护时间，结合现场水平收敛和拱顶下沉监测数据回归分析得到二衬支护时的收敛速率值，以此来作为二衬支护实施标准。为此在现场特选取Z5，Z5b，Z5c 3种支护形式各100 m长度范围内的监测断面作为研究对象进行现场监测，并对各监测断面的监测数据采用对数函数进行回归分析［7-10］，得到的相关系数均在0.84以上，表明实测数据与回归分析拟合较好，软弱片岩隧道围岩变形发展符合对数函数规律。由于隧道的变形符合对数函数规律，对对数函数u=A+Blnt的左右两边求导，得到du/dt=B/t=v，则可由t=B/v计算出二衬支护的施作时机。将蠕变计算得到的支护时间带入上式，通过对各监测断面监测数据回归分析可得出不同支护形式下的B值，进而可计算得到二衬支护时机的变形速率，见表5。

表5 二次衬砌支护时机变形速率

4 结论

1)通过对3种支护形式下混凝土应力、锚杆应力、位移变形值以及二衬结构应力的蠕变计算，得出Z5，Z5b，Z5c 3种支护形式下二次衬砌的最佳支护时机分别在 16，12，15 d。

2)结合监控量测数据，通过回归分析得到各支护条件下二衬支护时机的变形速率:Z5，Z5b，Z5c 3种支护条件下周边收敛变形速率分别为 0.66，1.10，0.88 mm/d，拱顶下沉变形速率分别为0.54，0.91，0.85 mm/d。

3)通过蠕变计算和对现场监测数据的拟合得到合理、科学可控的二衬支护时机指标，该方法可为类似隧道的施工提供参考。

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