鄭 俊

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061）

1 引言

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。

2 應(yīng)力釋放法的數(shù)值實(shí)現(xiàn)

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

3 案例分析

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。

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

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)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

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

4 結(jié)束語

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)。