張光偉，羅彥斌

(長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

目前，公路隧道多采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)是主要承載單元[1-3]，控制圍巖的變形與松弛，起到充分發(fā)揮圍巖自承能力的作用。在高地應(yīng)力軟巖公路隧道中，為保證結(jié)構(gòu)安全性，控制圍巖變形，隧道初期支護(hù)多采用雙層或多層結(jié)構(gòu)，而何時施作內(nèi)層初期支護(hù)極大影響雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果[4]。若內(nèi)層初期支護(hù)施作過早，圍巖荷載得不到充分釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的形變壓力，則可能使其荷載分擔(dān)比例過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，降低隧道耐久性；若內(nèi)層初支施作過晚，則可能造成初期支護(hù)變形無法控制，以致隧道侵限或失穩(wěn)。因此合理的內(nèi)層初期支護(hù)施作時機(jī)對隧道長期安全穩(wěn)定十分重要。

目前關(guān)于隧道支護(hù)時機(jī)的研究主要集中于二次襯砌施作時機(jī)，而雙層或多層初期支護(hù)作為目前軟巖大變形的主流支護(hù)形式[5-6]，其應(yīng)用尚處于探索階段。長安大學(xué)的陳建勛等[7]申請的“一種綠泥石片巖地層大跨度隧道的大變形控制方法”的專利，對雙層初期支護(hù)設(shè)計的具體施作步驟、內(nèi)層初期支護(hù)施作時機(jī)進(jìn)行了介紹。王洪昌[8]利用數(shù)值模擬軟件對不同施作時間下隧道結(jié)構(gòu)安全性作出對比，認(rèn)為圍巖較好段的內(nèi)層初期支護(hù)應(yīng)在開挖中導(dǎo)時施作，對于圍巖較差段內(nèi)、外層初期支護(hù)應(yīng)同時施作。李沿宗等[9]通過現(xiàn)場試驗與監(jiān)測，分析了采用多層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的情況下不同工序?qū)ψ冃蔚挠绊憽ＵJ(rèn)為隧道上中臺階的第一層初期支護(hù)施作完成后立即施作上中臺階第二層初期支護(hù)，然后一次性施作下臺階雙層初期支護(hù)及仰拱對控制變形更有利。

綜合上述的研究結(jié)論，發(fā)現(xiàn)對雙層初期支護(hù)在大變形隧道中的系統(tǒng)研究較少，尤其關(guān)于內(nèi)層初期支護(hù)施作時機(jī)方面的研究更是匱乏，這給高地應(yīng)力軟巖隧道修建帶來諸多困擾。現(xiàn)以渭武高速公路木寨嶺隧道2號斜井為依托工程，采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對隧道內(nèi)層初期支護(hù)合理施作時機(jī)進(jìn)行探討。

1 工程概況

渭武高速公路是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃的蘭州至海口國家高速公路(G75)在甘肅省境內(nèi)的重要組成部分，是甘肅中南部經(jīng)濟(jì)帶的公路運(yùn)輸大動脈。隧道設(shè)三座無軌通風(fēng)斜井，其中2號斜井長1.813 km，斜井橫斷面面積為71.88 m2。選取斜井K1+700～K1+730段為監(jiān)測段，監(jiān)測段最大埋深為570 m，隧道全線均為Ⅴ級圍巖，地層巖性為千枚巖和砂質(zhì)板巖互層組合地層，碳質(zhì)千枚巖強(qiáng)度低，單軸抗壓強(qiáng)度Rc僅為3.6～4.6 MPa，遇水后易軟化和崩解。圍巖地質(zhì)構(gòu)造為高角度單斜構(gòu)造，巖層傾角為50°～70°。圍巖巖體板理、千枚理，節(jié)理發(fā)育，將巖體切割為中、薄層狀或中厚層狀碎裂結(jié)構(gòu)，巖體完整程度平均呈較破碎狀態(tài)。掌子面揭露圍巖情況如圖1所示。

圖1 掌子面揭露圍巖Fig.1 Rock mass of tunnel face

根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，2號斜井橫截面內(nèi)的最大初始應(yīng)力σmax≈18 MPa，而巖體的單軸抗壓強(qiáng)度Rc=20～30 MPa,Rc/σmax=1.1～1.7<4.0，根據(jù)規(guī)范[10]，該區(qū)屬極高地應(yīng)力區(qū)，隧道容易發(fā)生圍巖大變形。施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)隧道變形量大、變形持續(xù)時間長，且在時空效應(yīng)上表現(xiàn)出明顯的不均勻性。

1.1 監(jiān)測段設(shè)計支護(hù)參數(shù)及施工方法

木寨嶺隧道2號斜井監(jiān)測采用XVf型襯砌支護(hù)參數(shù)，具體支護(hù)參數(shù)如表1所示。

3號斜井按“新奧法”原理施工，隧道采用光面爆破技術(shù)掘進(jìn)，施工方法采用三臺階分步開挖法，施工具體步序如圖2所示。

圖2 三臺階七步開挖法橫縱斷面Fig.2 Cross and vertical section of three-bench seven-step excavation method

1.2 監(jiān)控量測方案

依托木寨嶺隧道2號斜井，選取K1+704、K1+714、K1+727三個斷面對2號斜井進(jìn)行初期支護(hù)變形的現(xiàn)場監(jiān)控量測。其斷面分布如圖2所示。每個監(jiān)測斷面分別在拱頂、左右拱腰、上臺階左右拱腳、中臺階左右拱腳7個位置埋設(shè)反光貼片，采用全站儀實現(xiàn)對以上各位置變形的監(jiān)測。監(jiān)控量測測點布置如圖3所示。

表1 木寨嶺隧道2號斜井監(jiān)測段支護(hù)參數(shù)Table 1 Support parameters of monitoring section ofthe No. 2 Slanting shaft

圖3 監(jiān)控量測測點布置Fig.3 Monitoring point arrangement

2 雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征

監(jiān)測段選擇3個斷面對隧道的拱部下沉進(jìn)行監(jiān)測，限于篇幅所限，選擇里程樁號為K1+714的斷面呈現(xiàn)2號斜井初期支護(hù)變形特征。測點位置包括拱頂、左右拱腰、上臺階左右拱腳以及中臺階左右拱腳。時態(tài)曲線如圖4、圖5所示。

由圖4可知，監(jiān)測斷面沉降變形主要分為四個階段。第一階段為急劇變形階段，該階段為上中臺階開挖階段，沉降增長快，持續(xù)時間大致為7 d；第二階段為持續(xù)增長階段，本階段包括下臺階開挖后至內(nèi)層鋼架施作，該階段沉降變形增長速率減緩，持續(xù)時間大致為5 d；第三階段為緩慢增長階段，本階段為內(nèi)層鋼架施作到仰拱施作階段，該階段沉降變形增長速率趨于穩(wěn)定，持續(xù)時間大致為10 d，第四階段為仰拱施作階段，沉降變形速率逐漸減少至趨于穩(wěn)定。綜合來看，沉降變形均表現(xiàn)為隧道左側(cè)沉降值大于右側(cè)沉降，左拱腰處沉降變形最大，最大沉降為28.3 cm，小于預(yù)留變形量50 cm，可見預(yù)留變形量過大。此外，不同施工步序引起的初期支護(hù)豎向沉降的比例不同，中臺階開挖對圍巖豎向變形影響最大，階段內(nèi)變形值約占最終監(jiān)測值的40%。

圖4 K1+714斷面累計沉降時態(tài)曲線Fig.4 Cumulative settlement temporal curve of K1+714 section

圖5 K1+714斷面累計收斂時態(tài)曲線Fig.5 Cumulative convergence temporal curve of K1+714 section

由收斂時態(tài)曲線(圖5)可知，監(jiān)測斷面水平收斂均表現(xiàn)為隨時間及施工工序而逐漸增大至趨于穩(wěn)定，與沉降時態(tài)曲線呈現(xiàn)的規(guī)律基本相同，在下臺階開挖前，收斂增長較快，內(nèi)層鋼架施作后增長變緩，仰拱施作后隧道整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)；隧道監(jiān)測點的最大收斂為21.1 cm，小于預(yù)留變形50 cm。

研究發(fā)現(xiàn)，隧道斷面變形特征為左幫變形較右?guī)痛螅渥冃纹茐臋C(jī)理如下：如圖6所示的單元體A、B、C，分別代表隧道斷面左幫一點、右?guī)鸵稽c和近端一點。由于隧道鈣硅質(zhì)砂質(zhì)板巖和碳質(zhì)千枚巖呈薄層、局部為中厚層狀互層組合，層間黏聚力薄弱，類似于薄板疊放，左幫A點巖體的層理作用處于受拉狀態(tài)，受拉應(yīng)力作用；B點由于上覆巖層作用，多數(shù)處于受壓狀態(tài)，受壓應(yīng)力作用；而C點位于斷面近端，處于隧道開挖后的三向受力狀態(tài)。由于巖石抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的10倍左右，即巖石抗拉不抗壓，且A點受拉應(yīng)力作用。因此，A點極易變形，即造成隧道斷面左幫變形嚴(yán)重。各單元受力分析如圖7所示。

圖6 單元體位置 Fig.6 Unit position

圖7 各單元體受力示意Fig.7 Stress diagram of each unit

3 初期支護(hù)不同施作時機(jī)下支護(hù)效果對比分析

為分析初期支護(hù)不同施作時間下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力響應(yīng)，優(yōu)化內(nèi)層初期支護(hù)的施作時機(jī)，參考規(guī)范[11]及地質(zhì)資料建立數(shù)值模型，進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.1 計算模型

監(jiān)測斷面初期支護(hù)外層使用I20a工字鋼，設(shè)計噴射混凝土厚28 cm，內(nèi)層鋼架采用HW175型鋼鋼架，設(shè)計噴射混凝土厚25 cm，縱向間距均為60 cm。隧道開挖寬12. 86 m，高10.37 m，仰拱高度1.1 m，考慮到空間效應(yīng)和計算效率的影響[12-13]，建模時左右兩側(cè)分別取50 m，上下方取45 m，模型縱向長30 m，開挖進(jìn)尺1.5 m。左右兩側(cè)界面施加水平方向約束，底面施加豎直方向約束，初始地應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力的影響。視圍巖為理想彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型，且均采用平面單元，鎖腳錨管采用桿單元模擬。有限元模型如圖8所示。

以K1+714斷面揭露的掌子面圍巖為基準(zhǔn)選取圍巖力學(xué)參數(shù)，通過等效折算[14]的方式將鋼架彈性模量折算給噴射混凝土，兩者視為整體共同承載圍巖壓力。同時，將超前小導(dǎo)管支護(hù)范圍內(nèi)的圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角提高15%，模擬打設(shè)超前小導(dǎo)管而形成的加固區(qū)，圍巖加固區(qū)厚度按0.6 m計。模型各單元物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖8 三維實體有限元模型Fig.8 3-D finite element models

表2 模型各單元物理力學(xué)參數(shù)取值

3.2 模擬方案

考慮到現(xiàn)場施工特點，內(nèi)層初期支護(hù)的施作時機(jī)采用上臺階架立的鋼架榀數(shù)來表征，本次模擬對比了四種支護(hù)時機(jī)方案，各方案支護(hù)參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值模擬方案

3.3 模擬結(jié)果準(zhǔn)確性驗證

因方案3與實際施工中開挖步序一致，選取模擬方案3得到的拱頂沉降值和上臺階拱腳處水平收斂值與現(xiàn)場K1+714斷面實測值進(jìn)行對比，為避免邊界效應(yīng)影響，取y=9 m斷面處的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果見圖9、圖10和表4。為和實測數(shù)據(jù)做出對比分析，圖表中位移均不考慮巖體開挖前的位移。

由表4可知，模擬計算值略小于實測值，而變形規(guī)律與實測變形規(guī)律基本一致，這表示本次數(shù)值模擬建立的模型能在一定程度上反映木寨嶺隧道實際的變形、受力規(guī)律，因此可認(rèn)為該模型滿足要求，真實可靠。

圖9 拱頂處沉降對比Fig.9 Settlement contrast at the vault

圖10 上臺階拱腳處水平收斂對比Fig.10 Horizontal convergence contrast at skewback of upper step

表4 模擬變形結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比

3.4 不同施作時機(jī)下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律

通過圖11可知，2號斜井施工過程中，隧道拱頂約1.5倍洞徑，仰拱底部約1倍洞徑范圍內(nèi)是發(fā)生豎向位移的主要區(qū)域，豎向位移主要集中在左右拱腰及仰拱左右側(cè)。通過圖12可知，隧道兩側(cè)0.3倍洞徑范圍內(nèi)是發(fā)生水平收斂的主要區(qū)域，水平收斂主要集中在拱腳和邊墻處。上臺階內(nèi)外層初支同時施作時(方案1)拱頂累計下沉為9.3 cm，仰拱隆起達(dá)18.5 cm，兩點間水平收斂最大值達(dá)到23.8 cm。

由表5知，4種方案的隧道支護(hù)參數(shù)完全相同，但各關(guān)鍵點的變形卻存在顯著差異。可見，內(nèi)層初期支護(hù)的施作時機(jī)至關(guān)重要。從控制變形角度出發(fā)，內(nèi)層初期支護(hù)的施作越早其變形控制效果越好。相較于方案4的情況，方案1的拱頂下沉降幅達(dá)52.1%，各收斂分別降低了38.7%、53.3%和26.1%。通過對4種方案數(shù)值模擬，可以看出隧道水平收斂一般大于拱頂沉降，且隨著內(nèi)層初期支護(hù)施作的滯后，水平收斂的變形區(qū)域逐漸向邊墻轉(zhuǎn)移。

圖11 內(nèi)外層初期支護(hù)同時施作時豎向位移Fig.11 Vertical displacement of inner and outer initial support in simultaneous construction

圖12 內(nèi)外層初期支護(hù)同時施作時水平收斂Fig.12 Horizontal convergence of inner and outer initial support in simultaneous construction

表5 內(nèi)層初期支護(hù)不同施作時間下各關(guān)鍵點位移對比分析

3.5 不同施作時機(jī)下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律

選擇斷面上5個特征點作為統(tǒng)計點，分別為拱頂、上臺階左右拱腳、中臺階左右拱腳。將4種方案下的外層噴射混凝土第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力數(shù)值作對比，來判斷隧道的受力情況。4種方案下的主應(yīng)力的計算結(jié)果見表6、表7。

由表6、表7可知，兩層初期支護(hù)施作間隔時間越長，初期支護(hù)所受主應(yīng)力越大。方案2、3、4開挖支護(hù)時隧道的受力情況類似，數(shù)值較為接近，同時施作時(方案1)隧道主應(yīng)力明顯大于其他方案的應(yīng)力，這說明同時施作時圍巖的應(yīng)力釋放較少，圍巖荷載得不到充分釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的形變壓力?；谀菊瘞X隧道2號斜井地質(zhì)條件，不建議采用內(nèi)外層初期支護(hù)同時施作的方式進(jìn)行施工。

表6 各方案第三主應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果

表7 各方案第一主應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)論

通過對木寨嶺隧道2號斜井內(nèi)層初期支護(hù)不同施作時間下支護(hù)變形收斂情況及外層噴射混凝土應(yīng)力對比分析得出以下結(jié)論。

(1)通過數(shù)值模擬結(jié)果和實測數(shù)值進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)模擬計算值略小于實測值，而變形規(guī)律與實測變形規(guī)律基本一致。證實此數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，通過模擬得到的變形規(guī)律可以為類似工程提供參考。

(1)由支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量測結(jié)果可知，內(nèi)層初期支護(hù)的施作越早其變形控制效果越好。相比方案4的情況，方案1的拱頂下沉降幅達(dá)52.1%，各收斂值分別降低了38.7%、53.3%和26.1%。

(2)由支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果可知，兩層初期支護(hù)間隔越大，外層初期支護(hù)所受應(yīng)力越大。方案2、3、4開挖支護(hù)下隧道的受力情況類似，數(shù)值較為接近，方案1情況下隧道主應(yīng)力值明顯大于其他方案的應(yīng)力，說明同時施作時雙層初期支護(hù)時圍巖的應(yīng)力釋放較少，圍巖荷載得不到充分釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的形變壓力。從釋放圍巖應(yīng)力角度出發(fā)，內(nèi)層初期支護(hù)的施作不宜過早。

總的來說，圍巖狀況在很大程度上決定大變形段內(nèi)層初期支護(hù)的施作時間，例如當(dāng)圍巖條件較好時，內(nèi)層初期支護(hù)可以較晚地施作，這樣可以讓部分圍巖應(yīng)力釋放，符合新奧法思想，保證內(nèi)層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性?；谀菊瘞X公路隧道2號斜井圍巖條件，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果，內(nèi)層初期支護(hù)在上臺階鋼架施作6～12榀間施作最適宜。