鄭 俊
(中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061)
近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展,國家加大了對(duì)鐵路交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入,特別是川藏鐵路的修建,未來將面臨各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的隧道施工難題,合理的支護(hù)時(shí)機(jī)是保證隧道施工安全的重要手段。根據(jù)新奧法施工理念,隧道是圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)建的綜合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,隧道施工中應(yīng)該在保證安全的前提下,充分發(fā)揮圍巖的自承能力,開挖過程中圍巖應(yīng)力得到最大限度的釋放,若過早地施作初期支護(hù),一旦圍巖變形較大,容易導(dǎo)致初期支護(hù)破壞[1],因此確定合理的初期支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)隧道施工至關(guān)重要。針對(duì)隧道施工支護(hù)時(shí)機(jī)問題,很多學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究工作。何滿潮等[2]根據(jù)軟巖巷道支護(hù)原理提出了最佳支護(hù)時(shí)機(jī)概念。孫鈞等[3]對(duì)軟弱圍巖隧道施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,研究了開挖面推進(jìn)過程中圍巖與初期支護(hù)的相互作用。楊靈等人[4-7]通過控制應(yīng)力釋放模擬支護(hù)時(shí)機(jī),研究了最佳支護(hù)時(shí)機(jī)的確定方法。孟陸波等[8]通過計(jì)算步實(shí)現(xiàn)不同支護(hù)時(shí)機(jī)。眾多學(xué)者針對(duì)隧道支護(hù)時(shí)機(jī)問題進(jìn)行了一定的研究,大部分研究主要偏向于二次支護(hù)時(shí)機(jī),而對(duì)于初期支護(hù)時(shí)機(jī)的研究相對(duì)較少,大部分隧道初期支護(hù)時(shí)機(jī)主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或工程類比。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),大部分隧道塌方出現(xiàn)在開挖后較短時(shí)間內(nèi),此時(shí)主要通過初期支護(hù)及圍巖承擔(dān)圍巖變形引起的荷載。因此合理的初期支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)保證隧道施工安全意義重大。蘇永華等人[9-10]基于應(yīng)力釋放法研究了圓形斷面隧道的支護(hù)效應(yīng)。大部分學(xué)者通過應(yīng)力釋放法研究靜水應(yīng)力狀態(tài)圓形隧道的支護(hù)效應(yīng),而對(duì)于非靜水應(yīng)力狀態(tài)非圓形隧道的研究較少[11]。支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇是決定隧道變形的關(guān)鍵因素之一,過早或過晚支護(hù)都將給圍巖穩(wěn)定性或支護(hù)體系的效果帶來不利的影響。由于施工過程中確實(shí)存在支護(hù)時(shí)機(jī)的問題,通過數(shù)值模擬反映這一真實(shí)的過程,施工模擬過程中支護(hù)時(shí)機(jī)是通過應(yīng)力釋放率來實(shí)現(xiàn)。通過在隧道洞壁不同節(jié)點(diǎn)上單獨(dú)施加虛擬支撐反力,并隨著開挖過程逐步減小反力實(shí)現(xiàn)應(yīng)力釋放,并研究不同應(yīng)力釋放率時(shí)圍巖塑性區(qū)以及隧道最大變形的發(fā)展情況,從而確定最佳初期支護(hù)時(shí)機(jī),為實(shí)際施工中選擇合理初期支護(hù)時(shí)機(jī)提供借鑒意義。
隧道開挖效應(yīng)的數(shù)值實(shí)現(xiàn)主要通過應(yīng)力釋放法和位移釋放法,而在模擬隧道施工過程中,很難直接控制隧道徑向位移以實(shí)現(xiàn)位移釋放。對(duì)于初始地應(yīng)力為靜水應(yīng)力場(chǎng)或開挖斷面為圓形時(shí),通過在斷面上施加均勻的虛擬支撐反力,隨著掌子面推進(jìn)逐步減小虛擬支撐反力,從而實(shí)現(xiàn)開挖過程的模擬。而對(duì)于非圓形斷面或非靜水應(yīng)力場(chǎng)隧道,隧道開挖模擬過程如圖1所示,斷面開挖瞬間可以得到開挖邊界上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的不平衡力合力為,隨著開挖掌子面推進(jìn),在隧道洞壁節(jié)點(diǎn)上施加虛擬支撐反力,并隨著開挖過程,應(yīng)力釋放率逐步遞增(0→1),同時(shí)隧道洞壁上每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力釋放率同步變化。
圖1 開挖邊界節(jié)點(diǎn)處的不平衡力和虛擬支撐反力
某泥質(zhì)粉砂巖、“滇中紅層”的泥巖、泥灰?guī)r、粉砂巖,隧道埋深最大為640 m,一般埋深為200~400 m,線路末段出露有白云質(zhì)灰?guī)r、粉砂質(zhì)板巖等變質(zhì)巖、下元古界昆陽群泥質(zhì)板巖和震旦系白云巖。
隧道斷面為馬蹄形,斷面尺寸如圖2a所示,沿隧道軸線方向?yàn)閅軸,隧道計(jì)算模型如圖2b所示。
圖2 計(jì)算模型
初期支護(hù)形式為掛網(wǎng)噴20 cm厚C20混凝土+系統(tǒng)錨桿 φ25,L=6 m,@2.0 m ×2.0 m +鋼支撐20型@0.8 m,模擬初期支護(hù)時(shí),將噴射混凝土作為實(shí)體單元進(jìn)行考慮,而不考慮鋼筋網(wǎng)的作用,同時(shí)將鋼支撐和噴射混凝土作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮,并利用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,在進(jìn)行模擬分析時(shí),假設(shè)支護(hù)體系中系統(tǒng)錨桿、鋼支撐和掛網(wǎng)噴射混凝土同時(shí)起作用。巖體力學(xué)計(jì)算參數(shù)建議取值如表1所示,將噴射混凝土和鋼支撐作為整體考慮,初期支護(hù)體系及參數(shù)如表2所示。
表1 圍巖參數(shù)
表2 初期支護(hù)等效計(jì)算參數(shù)
選取隧道圍巖和初期支護(hù)6個(gè)部位用來監(jiān)測(cè)其位移的變化趨勢(shì),其中隧道開挖后圍巖的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局如圖3a所示,初期支護(hù)上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局如圖3b所示,分別對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3。
圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置
由于圍巖應(yīng)力狀態(tài)為非靜水應(yīng)力,并且隧道開挖輪廓為馬蹄形,隨著應(yīng)力不斷釋放,圍巖不同位置處的塑性區(qū)深度不相同,為了表示圍巖整體塑性區(qū)變化,定義了塑性區(qū)等效深度:
式中,x為塑性區(qū)等效深度;S為圍巖塑性區(qū)面積;L為隧道開挖邊界長(zhǎng)度。
隧道開挖過程中,未進(jìn)行任何支護(hù)時(shí)隧道洞壁變形隨應(yīng)力釋放率的關(guān)系如圖4所示,隨著應(yīng)力釋放,隧道洞壁位移不斷增加,拱頂、拱腰、拱底位移隨應(yīng)力釋放率的變化趨勢(shì)一致。圖4中曲線分為三部分:應(yīng)力釋放率為0% ~40%時(shí),位移變化趨勢(shì)線為直線段,位移增加了20 mm左右,變化速率為5 mm/10%;應(yīng)力釋放率為40% ~80%時(shí),位移變化趨勢(shì)逐漸變大,位移增加了40 mm左右,變化速率為10 mm/10%,此時(shí)位移變化速率為直線段的2倍;而當(dāng)應(yīng)力釋放率大于80%時(shí),位移急劇增加,此階段拱腰位移變化量最大,最大位移增加了120 mm,相應(yīng)的變化速率為60 mm/10%,此時(shí)位移變化速率為直線段的12倍。
圖4 未支護(hù)時(shí)圍巖變形變化趨勢(shì)
隧道開挖過程中,未進(jìn)行任何支護(hù)時(shí)圍巖塑性區(qū)深度隨應(yīng)力釋放率的關(guān)系如圖5所示,應(yīng)力釋放率小于40%時(shí),圍巖幾乎不存在塑性區(qū),隨著應(yīng)力不斷釋放,圍巖塑性區(qū)深度不斷變大,圍巖塑性區(qū)最大深度和等效深度的變化趨勢(shì)一致。由圖5可知,塑性區(qū)最大深度變化曲線分為兩個(gè)階段,應(yīng)力釋放率小于40%時(shí),塑性區(qū)最大深度為0,當(dāng)應(yīng)力釋放率大于40%時(shí),此時(shí)近似為直線段,塑性區(qū)最大深度變化速率相等約為1.6 m/10%。塑性區(qū)等效深度變化曲線分為三個(gè)階段,應(yīng)力釋放率小于40%時(shí),塑性區(qū)等效深度為0,應(yīng)力釋放率為40% ~80%時(shí),變化速率變大,為0.7 m/10%,應(yīng)力釋放率大于80%時(shí),變化速率急劇增加,為4.2 m/10%,此時(shí)塑性區(qū)深度超過了系統(tǒng)錨桿的長(zhǎng)度6 m。
圖5 未支護(hù)時(shí)圍壓塑性區(qū)深度變化趨勢(shì)
綜合上述分析可知,如果初期支護(hù)時(shí)機(jī)過早(應(yīng)力釋放率小于40%時(shí)),此時(shí)圍巖為彈性變形階段,變形較小,未充分發(fā)揮圍巖的自承能力,容易導(dǎo)致支護(hù)體系上承擔(dān)的荷載較大,支護(hù)系統(tǒng)可能出現(xiàn)噴射混凝土嚴(yán)重開裂,掉塊,局部鋼架變形,錨桿墊板凹陷等典型破壞現(xiàn)象;如果初期支護(hù)時(shí)機(jī)過晚(應(yīng)力釋放率大于80%時(shí)),圍巖出現(xiàn)較大變形,會(huì)發(fā)生洞壁垮塌;應(yīng)力釋放率為40% ~80%時(shí),施加初期支護(hù)對(duì)發(fā)揮圍巖自承能力以及保證圍巖和初期支護(hù)的穩(wěn)定性有利。
根據(jù)前述分析確定初期支護(hù)發(fā)揮作用的最佳時(shí)期是應(yīng)力釋放率達(dá)到40% ~80%,為了進(jìn)一步確定初期支護(hù)時(shí)機(jī),繼續(xù)研究不同應(yīng)力釋放率進(jìn)行初期支護(hù)時(shí),圍巖和初期支護(hù)的變形以及塑性區(qū)變化,在某一應(yīng)力釋放率下施作初期支護(hù),初期支護(hù)發(fā)揮作用后,釋放的應(yīng)力由圍巖和初期支護(hù)共同承擔(dān)。不同應(yīng)力釋放率進(jìn)行初期支護(hù)時(shí),圍巖和初期支護(hù)穩(wěn)定后的最終位移值隨初期支護(hù)時(shí)機(jī)的變化關(guān)系如圖6所示,隨著應(yīng)力釋放率從40%變化到80%時(shí),圍巖位移有略微的增加,圍巖位移值變化較小,而初期支護(hù)的位移不斷減小,即支護(hù)時(shí)機(jī)越晚,對(duì)初期支護(hù)越有利,應(yīng)力釋放率為60%時(shí),初期支護(hù)位移變化較大。
圖6 位移隨初期支護(hù)時(shí)機(jī)的變化關(guān)系
不同應(yīng)力釋放率下施作初期支護(hù),圍巖和初期支護(hù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的塑性區(qū)范圍隨支護(hù)時(shí)機(jī)的變化關(guān)系如圖7所示,隨著支護(hù)時(shí)機(jī)越遲,初期支護(hù)塑性區(qū)面積不斷減小,應(yīng)力釋放率為40%時(shí)進(jìn)行支護(hù),初期支護(hù)全部為塑性區(qū),此時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)過早,容易導(dǎo)致初期支護(hù)破壞,應(yīng)力釋放率超過60%時(shí)進(jìn)行支護(hù),初期支護(hù)塑性區(qū)面積變化很小,圍巖塑性區(qū)等效深度隨著支護(hù)時(shí)機(jī)推后,圍巖塑性區(qū)最大深度和等效深度均不斷增加。
圖7 不同支護(hù)時(shí)機(jī)圍巖和初期支護(hù)塑性區(qū)范圍
根據(jù)圖6中不同初期支護(hù)時(shí)機(jī)圍巖和初期支護(hù)的變形規(guī)律和圖7中不同支護(hù)時(shí)機(jī)圍巖和初期支護(hù)塑性區(qū)變化規(guī)律并結(jié)合上述分析,綜合確定初期支護(hù)時(shí)機(jī)為應(yīng)力釋放率達(dá)到60%。
圖7 信息化系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢界面
基于應(yīng)力釋放法實(shí)現(xiàn)了模擬隧道開挖及支護(hù)過程,通過分析隨著應(yīng)力釋放率不斷增加,隧道圍巖和初期支護(hù)的變形以及塑性區(qū)范圍,確定了最佳初期支護(hù)時(shí)機(jī)。主要結(jié)論如下:
(1)應(yīng)力釋放法的原理是通過在開挖邊界上施加均布荷載,并逐步減小荷載值,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力釋放,而對(duì)于非靜水應(yīng)力或隧道開挖斷面為非圓形時(shí),利用施加均布荷載不適合,通過在隧道開挖邊界節(jié)點(diǎn)上施加虛擬支撐反力,并逐步減小虛擬支撐反力模擬非圓形隧道開挖中的應(yīng)力釋放過程。
(2)隨著應(yīng)力釋放率的增大,隧道拱頂、拱腰和拱底的位移變化趨勢(shì)一致,位移變化趨勢(shì)線主要分為三階段:第一階段,應(yīng)力釋放率為0% ~40%時(shí),為直線段,位移變化速率為5 mm/10%;第二階段,應(yīng)力釋放率為40% ~80%時(shí),為加速變形階段,位移變化速率為直線段的2倍;第三階段,應(yīng)力釋放率大于80%時(shí),為急劇變形階段,變化速率為直線段的12倍。
(3)隨著應(yīng)力釋放率的增大,圍巖塑性區(qū)等效深度變化曲線也分為三個(gè)階段:第一階段,應(yīng)力釋放率為0% ~40%時(shí),塑性區(qū)等效深度為0;第二階段,應(yīng)力釋放率為40% ~80%時(shí),變化速率變大,為0.7 m/10%;第三階段,應(yīng)力釋放率大于80%時(shí),變化速率急劇增加,為4.2 m/10%。
(4)隨著應(yīng)力釋放率的增大,圍巖變形和塑性區(qū)深度變化曲線都分為三個(gè)階段,應(yīng)力釋放率小于40%時(shí),圍巖處于彈性階段,應(yīng)力釋放率大于80%時(shí),圍巖變形和塑性區(qū)等效深度急劇增加,此時(shí)隧道洞壁會(huì)發(fā)生破壞,為充分發(fā)揮圍巖自承能力同時(shí)保證圍巖的安全及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的合理性,初期支護(hù)發(fā)揮作用的最佳時(shí)期是應(yīng)力釋放率達(dá)到40%~80%。
(5)為進(jìn)一步確定初期支護(hù)時(shí)機(jī),在應(yīng)力釋放率為40%~80%這個(gè)階段進(jìn)行初期支護(hù),并分析這個(gè)階段中不同應(yīng)力釋放率下圍巖和初期支護(hù)的變形以及塑性區(qū)變化,綜合確定隧道施工過程中初期支護(hù)時(shí)機(jī)為應(yīng)力釋放率達(dá)到60%,這對(duì)今后隧道施工過程中初期支護(hù)時(shí)機(jī)的確定有較好的指導(dǎo)意義。
(6)建議在類似隧道施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果綜合確定隧道施工過程初期支護(hù)時(shí)機(jī)。