李寶平,高詩明,王 睿,秦 威
(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,陜西西安 710032)
隧道工程二次襯砌支護(hù)時(shí)間直接影響隧道結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定[1-3],如何確定合理的二次襯砌施作時(shí)機(jī)始終是隧道工程的熱點(diǎn)問題[4-6]。對(duì)于淺埋、軟弱圍巖隧道等圍巖條件較差的隧道,適時(shí)地施作二次襯砌尤為重要。倘若二次襯砌施作過早,圍巖應(yīng)力不能得到有效釋放,結(jié)構(gòu)容易遭受破壞;施作太晚,可能會(huì)因?yàn)槌跗谥ёo(hù)不能抑制隧道變形,從而導(dǎo)致圍巖喪失自承能力,最終導(dǎo)致隧道坍塌。
現(xiàn)階段國內(nèi)外許多專家學(xué)者主要應(yīng)用基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析的經(jīng)驗(yàn)法以及基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的反分析法,或基于力學(xué)理論的數(shù)學(xué)計(jì)算解析法、數(shù)值模擬法研究隧道二襯支護(hù)的時(shí)機(jī)。本文基于西施坡高速公路隧道工程實(shí)例,采用對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的反分析,利用變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則分別確定隧道二襯支護(hù)的時(shí)機(jī),結(jié)合最小支護(hù)抗力原則,最終確定隧道二次襯砌支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)。
西施坡隧道位于商洛市商州區(qū)北面,為雙向4車道分離式隧道。左洞起止里程:ZK4+514—ZK5+062,長548 m,起止點(diǎn)高程分別為776.269,769.568 m;右洞起止里程:YK4+498—YK5+053,長555 m,起止點(diǎn)高程分別為775.990,767.665 m。隧道為直線單向縱坡隧道,左洞隧道縱坡設(shè)計(jì)為-1.22%,右線隧道縱坡設(shè)計(jì)為-1.50%。隧道最大埋深左線約為86 m,右線約為87 m。洞身有幾處埋深較淺,最小埋深約為14 m。隧址區(qū)植被發(fā)育。左洞入口段、右洞出口段地形較陡,為殘積土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖互層。殘積土疏松雜亂,大部分基巖裸露,坡體風(fēng)化強(qiáng)烈,巖石產(chǎn)狀約為180°∠20°。右洞入口、左洞出口處地形較緩,部分基巖裸露,山坡傾向東,巖體為中風(fēng)化泥巖、砂巖互層。巖體小裂隙發(fā)育,巖體較破碎,坡角約為20°~30°,巖石產(chǎn)狀約為220°∠30°。
通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,確定同時(shí)滿足變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則的二襯施作時(shí)機(jī),結(jié)合最小支護(hù)抗力原則,確定隧道二次襯砌最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。
變形速率準(zhǔn)則:根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60—2009)規(guī)定,當(dāng)拱頂下沉速率 <0.07~0.15 mm/d時(shí),隧道適合施作二襯支護(hù)。隧道初期支護(hù)后,隧道巖土體的變形量隨時(shí)間而逐漸變大,經(jīng)過一定的時(shí)間,當(dāng)時(shí)間為t1時(shí)刻,隧道變形量趨于某一定值y1。此后,隨時(shí)間推移,變形速率減小,直至變形速率趨于0。拱頂?shù)淖冃嗡俾驶痉€(wěn)定在0.07~0.15 mm/d范圍內(nèi),根據(jù)變形速率準(zhǔn)則可以確定t1時(shí)刻為二襯支護(hù)時(shí)機(jī)。隧道變形時(shí)程曲線[7]如圖1所示。
以YK4+532為例,根據(jù)變形速率準(zhǔn)則,并結(jié)合西施坡隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),拱頂下沉速率<0.07~0.15 mm/d時(shí),該隧道斷面二襯支護(hù)時(shí)機(jī)為25 d,距掌子面63 m(見表1)?;谧冃嗡俾蕼?zhǔn)則,ZK4+586,YK4+532,YK5+012,ZK5+034 斷面分別在27,25,22,21 d后適合施作二襯支護(hù),故隧道二襯支護(hù)時(shí)機(jī)為21~27 d,距掌子面距離為52~68 m。
表1 隧道支護(hù)時(shí)機(jī)
圖1 隧道變形時(shí)程曲線
極限位移準(zhǔn)則:根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2009)規(guī)定,已產(chǎn)生的各項(xiàng)位移達(dá)到各項(xiàng)預(yù)計(jì)位移總量的80% ~90%(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況綜合分析,當(dāng)實(shí)測(cè)位移為0.8倍的極限位移時(shí),施作二次襯砌比較合理)時(shí),隧道適合施作二襯支護(hù)。
根據(jù)隧道實(shí)測(cè)拱頂沉降數(shù)值,通過MATLAB軟件對(duì)變形測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、回歸分析后,采用指數(shù)函數(shù)y=A e-B/x對(duì)拱頂沉降曲線進(jìn)行擬合分析,求得位移回歸方程。對(duì)西施坡隧道ZK4+586,YK4+532,YK5+012,ZK5+034斷面拱頂位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如圖2所示。
以ZK4+586為例,MATLAB分析拱頂沉降的極限位移公式為:y=93.02 e-5.18/x。當(dāng)x趨向無窮時(shí),極限位移值為93.02 mm,其中擬合相關(guān)系數(shù)R=0.91。該斷面二襯支護(hù)時(shí)機(jī)為隧道開挖后第23 d,距掌子面58 m,具體見表1。
根據(jù)隧道極限位移準(zhǔn)則,ZK4+586,YK4+532,YK5+012,ZK5+034 斷面分別在23,21,26,19 d 后滿足二襯支護(hù)條件,故二襯支護(hù)時(shí)機(jī)為19~26 d,距掌子面距離為47~66 m。
圖2 斷面拱頂沉降擬合曲線
建議取兩種準(zhǔn)則下的時(shí)間交集作為二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī),即二次襯砌最佳支護(hù)時(shí)機(jī)為初期支護(hù)后21~26 d,距掌子面距離52~66 m。
如果隧道在開挖后,圍巖不發(fā)生破壞(即隧道圍巖本身有很強(qiáng)的穩(wěn)定性),則隧道無需進(jìn)行二襯支護(hù)。倘若對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù),那么支護(hù)結(jié)構(gòu)也僅僅起安全儲(chǔ)備作用。正常情況下隧道開挖后,圍巖會(huì)發(fā)生不同程度的破壞,繼而涉及的問題是至少需要有多大的抗力,支護(hù)結(jié)構(gòu)才能阻止圍巖破壞,這個(gè)抗力就是最小支護(hù)抗力。只要知道最小支護(hù)抗力,就可以選擇合理的二襯支護(hù)時(shí)機(jī)。
在取得支護(hù)抗力數(shù)值比較困難的情況下,假設(shè)可以利用隧道拱頂有效應(yīng)力研究二次襯砌,替代阻止圍巖破壞的支護(hù)抗力。通過分析隧道拱頂有效應(yīng)力,將支護(hù)抗力最小的時(shí)機(jī)作為二次襯砌施作時(shí)機(jī)。
圖3 拱頂有效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線
圍巖拱頂有效應(yīng)力隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖3所示。以YK5+012斷面為例,拱頂有效應(yīng)力隨隧道的開挖快速變小,在隧道初期支護(hù)結(jié)束后第9 d,有效應(yīng)力減小為4.13 MPa。之后其值小幅度反彈,緊接著減小,到初期支護(hù)結(jié)束后第19 d,拱頂有效應(yīng)力減小到最小值2.43 MPa。隨時(shí)間推移,有效應(yīng)力以很小的速率逐漸增大,25 d后近似趨于3.62 MPa。根據(jù)隧道支護(hù)抗力最小準(zhǔn)則,ZK4+586,YK4+532,YK5+012,ZK5+034斷面分別在23,20,19,21 d后滿足二襯支護(hù)條件,故二襯支護(hù)時(shí)機(jī)為19~23 d,距掌子面距離為47~58 m。
從拱頂圍巖受力情況分析,考慮有效應(yīng)力時(shí),二次襯砌最佳支護(hù)時(shí)機(jī)為開挖后19~23 d,略小于基于變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則確定的二次襯砌初期支護(hù)完成后21~26 d的支護(hù)時(shí)機(jī),這主要是因?yàn)樗淼篱_挖過程中應(yīng)力釋放速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于位移發(fā)展速度。綜合考慮應(yīng)力釋放速度和位移速度的影響,建議二次襯砌最佳支護(hù)時(shí)機(jī)為開挖后約21~23 d,與拱頂位移發(fā)展分析所得基本一致,證明了可以采用拱頂有效應(yīng)力替代支護(hù)抗力研究隧道襯砌。
1)根據(jù)變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則的理論分析和數(shù)學(xué)分析軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析,確定二次襯砌最佳支護(hù)時(shí)機(jī)為初期支護(hù)后21~26 d,距掌子面距離52~66 m。
2)基于最小支護(hù)抗力準(zhǔn)則,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)有效應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行了反分析,得出二次襯砌的施作時(shí)機(jī)為初期支護(hù)后19~23 d,距掌子面距離47~58 m。
3)在綜合考慮應(yīng)力釋放速度和位移速度的影響,建議二次襯砌最佳支護(hù)時(shí)機(jī)取初期支護(hù)后21~23 d。
4)研究隧道襯砌時(shí),在一定程度上,拱頂有效應(yīng)力和支護(hù)抗力具有同等的作用。
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