軟巖大斷面隧道二次襯砌支護時機的選擇研究*

張成良，張金瑞，蔡林真，呂文乾

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

0 引言

不同于硬巖隧道，軟巖隧道大多都具有較為明顯的蠕變特性，圍巖的位移變化具有很強的時間效應(yīng)，且持續(xù)較長時間，支護時間過早不利于發(fā)揮巖體的自穩(wěn)定能力，支護時間過晚會引起巖體的失穩(wěn)。因此，選擇理想的二襯支護時機尤為關(guān)鍵。

針對軟巖二次襯砌支護時機問題，國內(nèi)外學者進行了大量的研究工作，取得了一定的成果。Sulem等[2]提出了一種通用方法，可以較為精準地預(yù)測圍巖周邊收斂-時間關(guān)系，這種方法盡可能地考慮了支護與圍巖體的相互作用關(guān)系、隧道的掘進速率、圍巖體的蠕變特性等大多影響二次襯砌施作時機的因素，為早期提出的收斂限制法做了很好的補充；朱楨德等[3]深入研究了圍巖變形規(guī)律和應(yīng)力-應(yīng)變隨時間的演化機制；田洪銘等[4]基于軟巖蠕變損傷而引起其變形的時效性和非線性，研究了軟巖蠕變損傷特征，提出了非線性損傷模型，進而為二襯時機的選擇提供了參考；榮耀[5]研究了不同圍巖等級隧道的支護時機，并得到了圍巖等級與支護時機的相關(guān)性；謝峰等[6]采取數(shù)值分析和理論研究從多方面對隧道二次襯砌的最佳施作時機進行了闡述；范秋雁[7]研究認為，巖石的蠕變是巖石損傷效應(yīng)和硬化效應(yīng)共同作用的結(jié)果，為軟巖的變形及其支護提供依據(jù)；李英明等[8]研究了二次支護最佳時間的理論公式。本文基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的基礎(chǔ)上采用修正的蠕變模型，對圍巖的變形進行預(yù)測；運用ABAQUS有限元軟件作為數(shù)值計算軟件，選取最佳臺階高度和臺階長度，利用監(jiān)控測量數(shù)據(jù)反演分析得出的蠕變參數(shù)，對ABAQUS自帶的D-P蠕變模型進行修正，以中和村隧道為例，得出了適合其泥巖蠕變規(guī)律的蠕變本構(gòu)模型，并進行了蠕變計算，得出了考慮圍巖蠕變的拱頂沉降和周邊收斂的位移時間曲線，最終確定了二襯最佳支護時機。

1 工程概況

中和村隧道所在覽川路是大理市海東鎮(zhèn)新城區(qū)的一條主干道，設(shè)計等級為一級，覽川路設(shè)計時速60 km/h，主洞采用R1=8.60 m，R2=5.30 m的三心圓襯砌斷面。隧道跨度為17 m，高度為11 m，起止樁號為K0+755～K1+755，分界段全長1 020 m；全隧道位于直線上；隧道所在路段縱坡為-1.181%；隧道最大埋深約122 m。隧址區(qū)設(shè)計圍巖以V級為主，圍巖以泥巖為主，巖體風化程度高，以全-強風化為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，富含基巖裂隙水，圍巖的完整性差、穩(wěn)定性差，粘結(jié)力較弱，開挖后泥巖在基巖裂隙水作用下易產(chǎn)生軟化，使其變形過長；開挖后易產(chǎn)生變形，變形時間較長。屬于典型的大斷面軟巖隧道。

2 隧道模擬數(shù)值方案設(shè)計

ABAQUS在巖土工程中也有著相當廣泛的應(yīng)用。ABAQUS對于部分巖土工程中常用材料模型，并沒有包含在ABAQUS 的CAE軟件中去。為彌補缺陷，ABAQUS為用戶提供了大量的子程序，用戶可根據(jù)自己的需求開發(fā)自己的本構(gòu)模型去解決特定的問題[9]。采用ABAQUS數(shù)值分析軟件作為隧道建模分析的工具[10-11]，并對ABAQUS自帶的D-P蠕變模型的for文件進行修改，利用反演分析得到的軟質(zhì)泥巖蠕變參數(shù)，得到了符合軟質(zhì)泥巖的蠕變本構(gòu)模型。

2.1 數(shù)值模擬的材料參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)合現(xiàn)場開挖所揭露的圍巖[12-14]，模型所采用的參數(shù)見表1。

2.2 考慮圍巖蠕變的數(shù)值分析

三維隧道模型選取的開挖臺階參數(shù)見表2，根據(jù)現(xiàn)場的實際施工狀況，淺埋段開挖進尺為1.2 m，洞身段開挖進尺為1.5 m進行數(shù)值分析。根據(jù)表1對隧道的支護參數(shù)進行選取，隧道不同段落的巖體物理力學參數(shù)見表3。

表1 模型中所采用的物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters selection in numerical simulation

表2 三維隧道模型臺階尺寸選取Table 2 Selection of step size of 3D tunnel model m

對進口淺埋段K0+855～K0+885，洞身段K1+095～K1+125，出口淺埋段K1+585～K1+555進行考慮圍巖蠕變的數(shù)值模擬。建立的模型圖分別見圖1的(a)，(b)，(c)所示。模型分為角礫層和泥巖層2個地層，角礫層的厚度在10～15 m。進口淺埋段K0+855～K0+885的埋深為40～53 m，洞身段K1+095～K1+125的埋深為119～122 m，出口淺埋段K1+585～K1+555的埋深為30～46 m，隧道模型的縱向(Z軸方向)長度為30 m。

表3 不同圍巖段落的巖體物理力學特性參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of rock mass in different rock sections

2.3 蠕變參數(shù)反演計算

將現(xiàn)場監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)進行處理，得出圍巖應(yīng)變-時間關(guān)系，如圖2所示。利用origin8.0自定義函數(shù)擬合功能進行蠕變參數(shù)反演，分析得出符合軟質(zhì)泥巖蠕變規(guī)律的應(yīng)變-時間曲線。

圖2 圍巖應(yīng)變-時間曲線Fig.2 Strain time curve of surrounding rock

蠕變本構(gòu)模型關(guān)系式[15]如式(1)所示：

(1)

(2)

運用origin8.0，以式(2)的形式進行擬合，得出的擬合函數(shù)如式(3)所示：

(3)

通過反演分析獲得的軟質(zhì)泥巖蠕變參數(shù)，修正了ABAQUS自帶的D-P蠕變模型的for文件，得到符合軟質(zhì)泥巖的蠕變本構(gòu)模型，取其蠕變時長為100 d。

3 圍巖蠕變計算結(jié)果分析

3.1 進口淺埋段圍巖蠕變位移分析

通過對隧道進口淺埋段考慮蠕變的數(shù)值計算，得到蠕變下圍巖位移的變化情況；通過ABAQUS后處理工具，分別輸出蠕變后的豎向應(yīng)力云圖。隨著蠕變的進行，拱頂處的沉降值逐漸增大，前15 d的變形最為明顯，占到了總變形量231 mm的82.5%；前30 d的累積變形占到了最終變形累積的99.7%。隨著時間的延長，拱頂處位移的變形范圍、拱底處的豎向位移逐漸增大；但隨著蠕變時間的增加，隧道下部的變形范圍逐漸變小。綜合位移變化趨勢，80%的最終位移量被視為最佳的支護時機。因此，進口淺埋段的二次襯砌的最佳支護時機約為15 d。

3.2 洞身段圍巖蠕變位移分析

對洞身段進行分析，此段圍巖為IV級圍巖，圍巖較進口淺埋段穩(wěn)定性好，圍巖的變形速率整體不大，累積變形量較進口淺埋段偏小，但是此段落的圍巖變形的周期較長，這也是泥巖的蠕變效應(yīng)的體現(xiàn)，圍巖變形的時空效應(yīng)明顯。對拱頂?shù)呢Q向位移進行分析可知，15 d產(chǎn)生的累積拱頂下沉值達到了總位移的85.2%，而30 d的累積沉降量則是達到了總位移的88.8%。根據(jù)洞身段最終位移量的90%為最佳支護時機，洞身段的二襯最佳支護時機在30 d左右。

3.3 出口淺埋段圍巖蠕變位移分析

對出口淺埋段分析，分別輸出蠕變15，30和100 d后的豎向應(yīng)力云圖。對拱頂?shù)呢Q向位移進行分析可知，15 d累積拱頂下沉值達到了總下沉值的77.9%，而30 d的累積沉降量則是達到了總下沉值的99.2%。根據(jù)出口淺埋段的二襯最佳支護時機，以最終位移量的80%為支護時機。因此，出口淺埋段的二襯最佳支護時機在15 d左右。

4 工程驗證

由于進口淺埋段和出口淺埋段的情形較為相似，因此工程驗證段落分為2段：分別為淺埋段和洞身段。在隧道現(xiàn)場施工中，每一模二襯的澆筑長度為10 m，驗證段落的長度為10 m。為使工程驗證時圍巖巖性、埋深、賦水狀況等條件具有可比性，選取相近的段落進行工程驗證。通過在二次襯砌澆筑之前埋設(shè)壓力盒、混凝土應(yīng)變計、鋼筋應(yīng)力計和位移計，來觀測二次襯砌澆筑之后整體圍巖的受力狀況來評估整個支護體系的穩(wěn)定性。

4.1 淺埋段 K0+885～YK0+895段開挖和二襯澆筑的位移和應(yīng)力變化特性分析

4.1.1 開挖支護的頂拱累計位移變化特征分析

對于二襯支護時機而言，必須為使二襯施作范圍內(nèi)各個斷面的位移和應(yīng)力釋放全部達到最佳二次襯砌施作要求才能進行二次襯砌澆筑，主要對斷面YK0+895進行分析，2016年5月27日，YK0+895斷面上臺階錨噴支護工作完成，在拱頂位置進行監(jiān)測，上臺階開挖對圍巖的擾動較小，支護及時，到5月29日，圍巖的變形較小，累積變形小于10 mm；于5月31日完成了中臺階開挖，并及時地進行了錨噴支護，隨著開挖的斷面面積增加和開挖臺階高度的增大，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，從5月30日到6月4日，圍巖的應(yīng)力釋放速率較快，位移的變化較大，拱頂沉降累積值增加到100 mm；于6月5日完成了下臺階的開挖和初期支護，6月8日完成了仰拱的施作，從6月5日到6月8日，圍巖位移速率仍較快，現(xiàn)階段的拱頂沉降累積增加50 mm；圍巖的位移速率從6月8日開始變緩，從6月8日到6月11日，由于仰拱開挖后封閉成環(huán)，圍巖的拱頂沉降僅增加了5 mm。在開挖后第16天進行二次襯砌，此時圍巖的拱頂沉降累計位移為168 mm，根據(jù)回歸分析得出的位移-時間函數(shù)，最終預(yù)測位移為216.8 mm，16 d產(chǎn)生的拱頂累計位移占最終位移的77.5%。在6月11日對YK0+885～YK0+895段進行了二襯澆筑。

4.1.2 二襯澆筑完成的內(nèi)部應(yīng)力變化特征分析

在YK0+890斷面中，在左拱腳、左拱腰、拱頂、右拱腰、右拱腳處埋設(shè)砼應(yīng)變計、鋼筋應(yīng)力計和壓力盒，監(jiān)測隧道二次襯砌的受力狀態(tài)。YK0+890斷面二襯內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變隨時間變化關(guān)系見圖3。由圖3(a)可知，二襯澆筑完成后，初支和二襯間的接觸應(yīng)力在短時間內(nèi)有很大的提升，但是隨著混凝土的強度不斷提高，初支和二襯不斷地耦合，隧道的支護體系性能逐漸得到強化，二襯最終所承受的壓力為0.06～0.14 MPa，處于正常可控范圍內(nèi)。圖3(b)和(c)分別顯示了二襯混凝土應(yīng)變和鋼筋主筋軸力隨時間的變化特性，從中可看出，混凝土產(chǎn)生的變形小，且變形周期基本上在15 d后趨于穩(wěn)定，鋼筋所承受的軸力遠遠小于設(shè)計值，根據(jù)綜合監(jiān)測結(jié)果，該段二襯結(jié)構(gòu)圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 YK0+890斷面二襯內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變隨時間變化關(guān)系Fig.3 YK0+890 section secondary lining internal stress and strain with time variation relation graph

4.2 洞身段K1+125～K1+135段開挖和二襯澆筑的位移和應(yīng)力變化特性分析

4.2.1 開挖支護的頂拱累計位移變化特征分析

相對于淺埋段，洞身段的圍巖較好，風化程度較低，自穩(wěn)能力較強。K1+135斷面于10月11日完成了上臺階的開挖和錨噴支護；10月21日前完成了中臺階、下臺階和仰拱的開挖支護。在上臺階、中臺階、下臺階和仰拱的開挖擾動下，圍巖的拱頂下沉速率變化不大，均處于勻速變形階段，主要是圍巖相對完整，自穩(wěn)能力較強；10月21日后變形速率逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。二襯施作前初期支護的拱頂累計位移圖擬合函數(shù)見圖4。在第32天，封閉成環(huán)。依據(jù)擬合函數(shù)可知最終拱頂下沉累計位移值為200 mm， 32 d的拱頂下沉值為178 mm，占總沉降的88.9%。于11月11日進行了K1+125～K1+135段二襯的施作。

圖4 拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)及回歸曲線Fig.4 Vault subsidence monitoring data and regression curve

4.2.2 二襯澆筑完成的內(nèi)部應(yīng)力變化特征分析

圖5 YK1+130斷面二襯內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變隨時間變化關(guān)系Fig.5 YK1+130 section secondary lining internal stress and strain with time variation relation graph

在YK1+130斷面的左拱腳、左拱腰、拱頂、右拱腰、右拱腳處埋設(shè)砼應(yīng)變計、鋼筋應(yīng)力計和壓力盒。監(jiān)測隧道二次襯砌的受力狀態(tài)。圖5顯示了K1+130斷面二襯內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變隨時間變化關(guān)系。由圖5(a)可知，二襯澆筑完成后，初支和二襯間的應(yīng)力在短時間內(nèi)有很大的提升，但是隨著混凝土的強度不斷增加，初支和二襯不斷地耦合，隧道的支護體系性能逐漸得到強化，二襯最終所承受的壓力為0.15～0.45 MPa，處于正?？煽胤秶鷥?nèi)。圖5(b)和(c)分別顯示了二襯混凝土應(yīng)變和主筋軸力隨時間的變化情況，混凝土產(chǎn)生的變形小，且變形在15 d后趨于穩(wěn)定。鋼筋所承受的軸力遠遠小于設(shè)計值，綜合監(jiān)測的結(jié)果可知，該段二襯結(jié)構(gòu)圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

二襯施作完成后，分別對K0+885～K0+895段和K1+125～K1+135段的二襯進行了表面觀測，觀測結(jié)果表明，YK0+885～YK0+895段和K1+125～K1+135段的二襯均沒有出現(xiàn)混凝土開裂、鼓包和變形等現(xiàn)象。這說明，根據(jù)計算結(jié)果所采用的二次襯砌的施作時機較為合理，整個支護體系的性能得到了充分的發(fā)揮，有利于隧道在運營期間的長期穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1)軟巖大斷面隧道圍巖的開挖，巖體具有明顯的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)，隨著開挖空間的增加，隧道圍巖巖體的變形速率增大，直到仰拱封閉成環(huán)后，巖體的變形開始趨于減小；在這個過程中，中臺階的變形速率最大，上臺階次之，仰拱開挖最小。

2)在相同情況下，IV級圍巖和V級圍巖相比，IV級圍巖較V級圍巖穩(wěn)定性好，IV級圍巖的變形速率整體不大，累積變形量偏小，但圍巖變形的周期較長，蠕變效應(yīng)明顯。

3)分別對淺埋段和洞身段的二次襯砌結(jié)構(gòu)物埋設(shè)相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移傳感器進行監(jiān)測，經(jīng)監(jiān)測結(jié)果顯示二襯結(jié)構(gòu)物受力較小，二襯結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，初支和二襯結(jié)構(gòu)荷載分擔比例適中，二襯的施作時機是合理的，可以為類似工程二襯施作的合理時機提供一定的參考。