孫 洋，左昌群，吳盼盼，劉 苗，唐 霞，易 毅

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

軟巖隧道合理二襯支護(hù)時(shí)機(jī)的確定對軟巖隧道的安全施工有著重大意義。在新奧法與相關(guān)規(guī)范［1-2］中，為充分利用圍巖的自穩(wěn)能力，一般要等圍巖變形穩(wěn)定或變形速率較少時(shí)才施作二襯支護(hù)。但是在軟弱破碎圍巖隧道中，圍巖變形通常具有比較明顯的時(shí)空效應(yīng)，軟巖隧道過早地施作二襯，二襯受力過大，易造成二襯開裂破壞，二襯施作不及時(shí)，圍巖過度變形會(huì)導(dǎo)致大變形、塌方等災(zāi)害。

針對軟巖隧道二襯支護(hù)時(shí)機(jī)難確定的問題，19世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外許多學(xué)者從新奧法施工隧道的穩(wěn)定性、安全性、圍巖變形規(guī)律、圍巖應(yīng)力釋放，以及根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反演隧道支護(hù)參數(shù)等方面出發(fā)，對隧道二襯合理支護(hù)時(shí)機(jī)的確定進(jìn)行了大量的研究［3-11］，并都取得了一定成果。但因?yàn)楦鬈泿r隧道的地質(zhì)工程條件的多變性和復(fù)雜性，學(xué)術(shù)界對軟巖隧道二襯支護(hù)時(shí)機(jī)沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，仍是工程界的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。

針對這一問題，本文以十房高速公路通省隧道為工程背景，對軟弱片巖隧道的二襯支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行研究。對3種不同的支護(hù)形式Z5，Z5b，Z5c進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算出隧道二襯的支護(hù)時(shí)機(jī)，同時(shí)結(jié)合對現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的擬合回歸分析結(jié)果，借鑒相關(guān)規(guī)范［12］，對規(guī)范中二襯支護(hù)時(shí)機(jī)的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行修正，以期為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

在建通省隧道進(jìn)口位于十堰市房縣土城鎮(zhèn)五條村二組，出口位于土城鎮(zhèn)塘埂村，隧道總體走向約223°。隧道為分離式雙洞隧道，左幅里程 ZK110+090—ZK116+990，全長6 900 m;右幅里程 YK110+084—YK116+958，全長6 874 m。洞室左、右幅縱坡均為+1.90%，洞室凈空均為10.25 m×5.0 m，斷面形式設(shè)計(jì)為四心圓，最大埋深約515 m，該隧道屬分離式特長深埋隧道。洞門形式均擬采用端墻式，通風(fēng)方式為機(jī)械通風(fēng)。

隧址區(qū)在大地構(gòu)造上處于揚(yáng)子板塊北緣和秦嶺—大別造山帶的交接部位，屬上揚(yáng)子板塊及北緣構(gòu)造帶的一部分。在長期的地質(zhì)發(fā)展演化進(jìn)程中，經(jīng)歷了多期次、多階段的變形變質(zhì)作用和巖漿活動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

隧道位于武當(dāng)山背斜北翼，區(qū)內(nèi)基巖大都直接出露，為中元古界片巖，產(chǎn)狀50°～60°∠40°～55°。隧道區(qū)主要不良地質(zhì)為穿越洞身的斷裂破碎帶。斷裂破碎帶發(fā)育 2處，里程為 YK111+075—YK111+185(ZK111+090—ZK111+200)，YK116+430—YK116+590(ZK116+470—ZK116+630)，與隧道軸線呈近45°相交。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模擬支護(hù)類型

通省隧道自2010年施工以來，隧道圍巖中Ⅴ級(jí)圍巖占了很大比例，且大變形基本上都發(fā)生在其中。Ⅴ級(jí)圍巖施工中原設(shè)計(jì)的支護(hù)形式為Z5，后更改為Z5b，Z5c 2種支護(hù)形式。3種支護(hù)形式的支護(hù)參數(shù)對比如表1。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.2.1 基本假定

1)本部分?jǐn)?shù)值模擬計(jì)算蠕變模型用FLAC3D中內(nèi)嵌的Cvisc蠕變模型(即改進(jìn)的Burgers蠕變模型)，圍巖蠕變參數(shù)如表2所示，蠕變時(shí)間步最少為10 s，最大為5 000 s，用SET creep dt auto on激活自動(dòng)時(shí)間步。在模擬隧道開挖與初期支護(hù)施工步驟時(shí)用SET creep off避免蠕變模型，計(jì)算至平衡狀態(tài)，以建立初始的瞬時(shí)彈塑性系統(tǒng)，然后用 SET creep on，請示蠕變響應(yīng)［13-14］。

表2 圍巖Cvisc蠕變模型參數(shù)

2)巖體采用摩爾—庫倫理想彈塑性單元模擬，二次襯砌采用實(shí)體彈性單元模擬，初期支護(hù)中噴射混凝土與鋼拱架采用殼單元(Shell)模擬，錨桿采用錨索單元(Cable)模擬。

3)初始應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力場，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場。

2.2.2 計(jì)算范圍與約束條件的確定

模型上邊界至地表，上邊界取模擬段的隧道實(shí)際埋深100 m，左右邊界各取60 m，下邊界取50 m，厚度取一個(gè)施工循環(huán)進(jìn)尺(80 cm)。網(wǎng)格模型見圖1。建立的網(wǎng)格模型總共有3 528個(gè)單元，5 376個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格模型

模型的約束條件:左右兩側(cè)約束X方向的自由度，模型前后約束Y方向(平行于隧道方向)的自由度，下邊界約束X，Y，Z三個(gè)方向的自由度，上邊界無約束。

2.2.3 計(jì)算參數(shù)的選取

計(jì)算模型中圍巖參數(shù)根據(jù)前期勘察資料與室內(nèi)試驗(yàn)確定，噴射混凝土、二次襯砌、鋼拱架、錨桿等計(jì)算參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ D70—2004)等相關(guān)規(guī)范與類似工程確定。計(jì)算模型參數(shù)見表3，錨桿參數(shù)見表4。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.3.1 Z5c支護(hù)形式模擬計(jì)算

1)Z5c初期支護(hù)條件下噴射混凝土蠕變計(jì)算彎曲應(yīng)力分布見圖2。由圖2可知，蠕變15 d時(shí)，彎曲應(yīng)力最大達(dá)到1.301 MPa;16 d時(shí)，彎曲應(yīng)力最大達(dá)1.352 MPa。由《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，C25噴射混凝土彎拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為1.3 MPa，因此蠕變計(jì)算15 d時(shí)，噴射混凝土即將彎曲受拉破壞;16 d時(shí)，已出現(xiàn)彎曲受拉破壞。因此，考慮圍巖蠕變特性Z5c初期支護(hù)形式下應(yīng)在15 d進(jìn)行二襯支護(hù)，利用二襯來承擔(dān)圍巖荷載。

表3 計(jì)算模型參數(shù)

表4 計(jì)算模型中錨桿參數(shù)

2)Z5c初期支護(hù)條件下蠕變計(jì)算15 d時(shí)錨桿受力變形見圖3。由圖3可知，考慮圍巖蠕變情況下，錨桿受力較均勻，但也主要分布在上下臺(tái)階邊墻處，且蠕變15 d后上下臺(tái)階邊墻處錨桿所受的軸向應(yīng)力最大達(dá)到616.3 MPa，大部分砂漿錨桿已滑移破壞。

3)通過數(shù)值模擬計(jì)算得出，Z5c初期支護(hù)條件下蠕變計(jì)算15 d時(shí)，豎直方向變形量最大發(fā)生在拱頂與底板位置。拱頂范圍內(nèi)豎直位移變形量最大為49.98 mm。水平方向變形量最大為37.09 mm，變形量基本上與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果一致。

4)Z5c初期支護(hù)條件下，在蠕變計(jì)算15 d進(jìn)行二襯支護(hù)，然后再進(jìn)行30 d的蠕變計(jì)算。Z5c支護(hù)形式下各典型截面應(yīng)力狀態(tài)與安全系數(shù)見圖4。其中截面6到截面9以拉應(yīng)力作用為主，安全系數(shù)較低，也即邊墻與拱腳處應(yīng)力比較集中。設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)該處支護(hù)。

2.3.2 Z5和Z5b支護(hù)形式模擬計(jì)算

同理對Z5和Z5b支護(hù)形式按粘彈性塑性蠕變模型進(jìn)行計(jì)算。通過對位移、錨桿應(yīng)力以及噴射混凝土應(yīng)力等計(jì)算得出:Z5支護(hù)形式下二次襯砌應(yīng)該在16 d時(shí)進(jìn)行，Z5b支護(hù)形式下二次襯砌應(yīng)該在12 d進(jìn)行。

圖2 Z5c噴射混凝土蠕變計(jì)算彎曲應(yīng)力分布(單位:MPa)

圖3 Z5c蠕變計(jì)算15 d時(shí)錨桿應(yīng)力與滑移破壞(單位:Pa)

圖4 Z5c支護(hù)形式下二襯安全系數(shù)分布

3 二襯支護(hù)時(shí)機(jī)指標(biāo)

隧道二襯施工中，二襯支護(hù)施作時(shí)間都是參考相關(guān)規(guī)范實(shí)施的。本文也參考規(guī)范中變形速率這一指標(biāo)來確定二襯支護(hù)時(shí)機(jī)。依據(jù)蠕變計(jì)算得到的支護(hù)時(shí)間，結(jié)合現(xiàn)場水平收斂和拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析得到二襯支護(hù)時(shí)的收斂速率值，以此來作為二襯支護(hù)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。為此在現(xiàn)場特選取Z5，Z5b，Z5c 3種支護(hù)形式各100 m長度范圍內(nèi)的監(jiān)測斷面作為研究對象進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，并對各監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)采用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸分析［7-10］，得到的相關(guān)系數(shù)均在0.84以上，表明實(shí)測數(shù)據(jù)與回歸分析擬合較好，軟弱片巖隧道圍巖變形發(fā)展符合對數(shù)函數(shù)規(guī)律。由于隧道的變形符合對數(shù)函數(shù)規(guī)律，對對數(shù)函數(shù)u=A+Blnt的左右兩邊求導(dǎo)，得到du/dt=B/t=v，則可由t=B/v計(jì)算出二襯支護(hù)的施作時(shí)機(jī)。將蠕變計(jì)算得到的支護(hù)時(shí)間帶入上式，通過對各監(jiān)測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析可得出不同支護(hù)形式下的B值，進(jìn)而可計(jì)算得到二襯支護(hù)時(shí)機(jī)的變形速率，見表5。

表5 二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)變形速率

4 結(jié)論

1)通過對3種支護(hù)形式下混凝土應(yīng)力、錨桿應(yīng)力、位移變形值以及二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力的蠕變計(jì)算，得出Z5，Z5b，Z5c 3種支護(hù)形式下二次襯砌的最佳支護(hù)時(shí)機(jī)分別在 16，12，15 d。

2)結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，通過回歸分析得到各支護(hù)條件下二襯支護(hù)時(shí)機(jī)的變形速率:Z5，Z5b，Z5c 3種支護(hù)條件下周邊收斂變形速率分別為 0.66，1.10，0.88 mm/d，拱頂下沉變形速率分別為0.54，0.91，0.85 mm/d。

3)通過蠕變計(jì)算和對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合得到合理、科學(xué)可控的二襯支護(hù)時(shí)機(jī)指標(biāo)，該方法可為類似隧道的施工提供參考。

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