V 級(jí)圍巖小凈距隧道二次襯砌支護(hù)荷載分擔(dān)比優(yōu)化研究①

羅貞焱， 史秀志， 代 轉(zhuǎn)， 丁春勝

（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083）

兩個(gè)隧洞的凈距（即中間巖柱厚度）小于某一規(guī)定值時(shí)，稱其為小凈距隧道［1］。 山嶺隧道由于地形條件限制，不可避免地采用小凈距隧道或連拱隧道［2］。相比連拱隧道，小凈距隧道具有對(duì)地質(zhì)和地形條件適應(yīng)性較強(qiáng)、施工工藝較為簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)形式較單一、防水處置較方便、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)［3］，使得小凈距隧道應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

隧道的有效支護(hù)可抑制地表沉降、隧道圍巖變形、中夾巖柱失穩(wěn)以及隧道冒頂片幫。 小凈距隧道圍巖支護(hù)一般包括初期支護(hù)和二次襯砌支護(hù)，較優(yōu)的圍巖、初支和二襯荷載力學(xué)分擔(dān)機(jī)制有利于隧道安全穩(wěn)定。 荷載分擔(dān)比指圍巖、初支和二襯承擔(dān)圍巖釋放荷載分別占圍巖總荷載的百分比。 當(dāng)隧道圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)，對(duì)隧道圍巖支護(hù)的荷載分擔(dān)比的優(yōu)化研究，選取較優(yōu)的二襯荷載分擔(dān)比，具有良好的安全效益與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于小凈距隧道的研究主要集中在小凈距隧道相互影響效應(yīng)［4-6］、小凈距隧道的穩(wěn)定性分析［7-9］和小凈距隧道穩(wěn)定性的影響因素［9-13］等方面，針對(duì)小凈距隧道圍巖支護(hù)的荷載分擔(dān)機(jī)制優(yōu)化的研究很少。

本文以某V 級(jí)圍巖小凈距隧道為研究對(duì)象，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［1，14］，采用荷載釋放法分析隧道在多種荷載分擔(dān)比組合下的力學(xué)行為特征，研究了先行洞和后行洞圍巖支護(hù)的荷載分擔(dān)機(jī)制優(yōu)化問(wèn)題。

1 隧道施工說(shuō)明及力學(xué)參數(shù)

隧道進(jìn)口段為隧道淺埋段，地表為粉質(zhì)粘土，隧道圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r，巖體較破碎，巖質(zhì)較軟，修正的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)［BQ］＜250，彈性縱波速1 100～1 300 m／s，圍巖等級(jí)為V 級(jí)，圍巖無(wú)自穩(wěn)能力。隧道圍巖物理力學(xué)指標(biāo)：重度24 kN／m3，彈性模量3.0 GPa，泊松比0.27，內(nèi)摩擦角23°，粘聚力0.1 MPa，抗拉強(qiáng)度0.01 MPa。

隧道按新奧法原理設(shè)計(jì)和施工，采用柔性支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)合襯砌，即錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土為初期支護(hù)，二次襯砌采用鋼筋混凝土襯砌，并在兩次襯砌之間鋪設(shè)土工布和防水板。

初期支護(hù)的系統(tǒng)錨桿為D25 普通中空注漿錨桿，錨桿長(zhǎng)4.0 m，錨桿間距60 cm × 100 cm；中夾巖柱的系統(tǒng)錨桿D25 漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿，錨桿長(zhǎng)7.0 m，錨桿間距60 cm ×100 cm；鋼筋網(wǎng)為雙層Φ8 mm 鋼筋網(wǎng)，間距20 cm × 20 cm， 噴射混凝土C25 噴射砼，厚10 cm。

二次襯砌采用鋼筋混凝土（C30 砼），拱頂、邊墻（鋼筋）厚度為50 cm；仰拱（鋼筋）厚度為50 cm。

參照《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》［14］，V 級(jí)圍巖采用復(fù)合式支護(hù)建造公路隧道時(shí)，應(yīng)確定合適的釋放荷載分擔(dān)比，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖組成聯(lián)合受力的整體，共同承受釋放荷載的作用。 V 級(jí)圍巖隧道的圍巖、初支和二襯的釋放荷載分擔(dān)比建議值：圍巖、初支共同荷載分擔(dān)比為20%～40%，二襯荷載分擔(dān)比80%～60%。

初期支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)：錨桿重度78 kN／m3，彈性模量205 GPa，粘結(jié)強(qiáng)度8×105MPa，抗拉力3×105N，抗壓力3×105N；初襯重度23 kN／m3，彈性模量15 GPa，抗拉力8×104N，抗壓力3×105N，慣性矩0.002 25 m4。

二襯的物理力學(xué)指標(biāo)：鋼筋混凝土重度25 kN／m3，彈性模量29.5 GPa 泊松比0.2，內(nèi)摩擦角58°，粘聚力2.58 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度1.2 MPa。

2 小凈距隧道二襯荷載分擔(dān)比優(yōu)化分析

2.1 數(shù)值分析流程與建模

細(xì)則給出V 級(jí)圍巖隧道建議的圍巖支護(hù)的荷載分擔(dān)比值區(qū)間范圍，需要研究區(qū)間范圍內(nèi)哪個(gè)值相對(duì)較優(yōu)，即圍巖支護(hù)荷載分擔(dān)機(jī)制優(yōu)化問(wèn)題。 而小凈距隧道由于存在隧洞先后開(kāi)挖的問(wèn)題，需對(duì)先行洞和后行洞分別探討荷載分擔(dān)比優(yōu)化問(wèn)題。

數(shù)值分析采用荷載釋放法逐步釋放荷載分析隧道施工的三個(gè)階段的力學(xué)行為特征，第一階段：隧道開(kāi)挖圍巖全部暴露，控制圍巖承擔(dān)的荷載；第二階段：初期支護(hù)階段，將錨桿和初襯加入，控制初期支護(hù)承擔(dān)的荷載；第三階段：二次襯砌支護(hù)階段，控制二襯支護(hù)承擔(dān)的荷載。 分別獲取三個(gè)階段地表沉降曲線和隧道封閉位移，數(shù)值分析流程見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)值分析流程

小凈距隧道需要考慮先行洞和后行洞的工序影響，根據(jù)實(shí)際工程情況建立數(shù)值分析模型。 隧道圍巖選用實(shí)體單元建立，錨桿、初期襯砌分別選用rockbolt和linEar 結(jié)構(gòu)單元。 二次襯砌由于厚度較大選用實(shí)體單元。 數(shù)值分析模型見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)值分析模型

2.2 模擬工況設(shè)定

由于Ⅴ級(jí)圍巖無(wú)自穩(wěn)能力，隧道開(kāi)挖圍巖釋放的荷載主要由二襯來(lái)承擔(dān)，而圍巖與初支承擔(dān)的較小，設(shè)定9 種模擬工況，各工況的圍巖、初支和二襯的荷載分擔(dān)比見(jiàn)表1，荷載分擔(dān)比組合參照細(xì)則建議值進(jìn)行設(shè)置。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖隧道圍巖支護(hù)荷載分擔(dān)比

2.3 先行洞二襯荷載分擔(dān)比優(yōu)化分析

通過(guò)分析先行洞（右洞）在二襯荷載分擔(dān)比分別為80%、70%和60%條件下不同工況的力學(xué)行為，得到地表沉降位移曲線見(jiàn)圖3。

圖3 先行洞不同二襯荷載分擔(dān)比下的地表沉降

圍巖荷載分擔(dān)比為5%、10%、15%、20%、30%時(shí)，地表沉降最大位移分別達(dá)到了2 mm（曲線1-1）、4 mm（曲線2-1）、7 mm（曲線3-1）、10 mm（曲線6-1）、16 mm（曲線9-1），呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，可見(jiàn)初期支護(hù)可以有效抑制地表沉降的增長(zhǎng)。

從圖3 可以看出，圍巖和初支共同承擔(dān)荷載比對(duì)地表沉降起主要作用。 當(dāng)圍巖和初支共同承擔(dān)荷載比不變的情況下，圍巖荷載分擔(dān)比越大，地表沉降位移越明顯，這可以從先行洞開(kāi)挖完畢后曲線1-2～3-2、4-2～6-2 及7-2～9-2 中得到反映，說(shuō)明圍巖相對(duì)初支承擔(dān)較小荷載為宜。

二襯荷載分擔(dān)比為80%時(shí)，地表最大沉降位移為36 mm；二襯荷載分擔(dān)比為70%和60%時(shí)，地表最大沉降位移量分別為40 mm 和46 mm。 說(shuō)明二襯荷載分擔(dān)比越大，地表沉降越小，但彼此相差不大。

由于Ⅴ級(jí)圍巖穩(wěn)定性較差，具有一定流變效應(yīng)，圍巖不宜承擔(dān)較大荷載，隧道開(kāi)挖后宜盡快進(jìn)行初期支護(hù)，初支后錨桿和襯砌與圍巖緊密貼合，在一定程度上也受?chē)鷰r流變影響。 從施工成本、難易程度和施工效率來(lái)說(shuō)，二襯的荷載分擔(dān)比越大，其施工成本越大，施工難度越大、施工效率越低。 經(jīng)分析先行洞的二襯荷載分擔(dān)比在60%～80%區(qū)間的最終沉降位移量相差不大，考慮到成本和效率等因素，確定先行洞二襯荷載分擔(dān)比的優(yōu)化值為從大往小趨向60%。

2.4 后行洞二襯荷載分擔(dān)比優(yōu)化分析

先行洞二襯支護(hù)完成后，后行洞（左洞）開(kāi)挖至先行洞支護(hù)段時(shí)，假設(shè)先行洞圍巖荷載完全釋放，后行洞數(shù)值分析也采用表1 中的工況。 在后行洞二襯荷載分擔(dān)比分別為80%、70%和60%時(shí)，獲取不同荷載分擔(dān)比的地表沉降位移曲線見(jiàn)圖4。

后行洞在圍巖和初支共同承擔(dān)20%和30%總荷載條件下，此時(shí)圍巖和初支共同荷載比和相互荷載比對(duì)地表沉降的影響不大；當(dāng)圍巖和初支共同承擔(dān)40%總荷載時(shí)，圍巖承擔(dān)荷載比對(duì)地表沉降影響大。

后行洞二襯荷載分擔(dān)比為70%和80%條件下地表沉降位移最大分別為52 mm 和58 mm，說(shuō)明兩種條件下二襯對(duì)地表沉降影響相差不大。 二襯荷載分擔(dān)比為60%條件下，地表最大地表沉降位移為75 mm，最大沉降點(diǎn)位置也偏移至中線左側(cè)，與二襯荷載分擔(dān)比為70%及80%條件相比，二襯對(duì)地表沉降抑制效果較差。

由此可分析出二襯荷載分擔(dān)比不宜小于70%，可將70%作為二襯荷載分擔(dān)比優(yōu)化臨界值，確定后行洞二襯荷載分擔(dān)比的優(yōu)化值為從大往小趨向70%。

圖4 后行洞不同二襯荷載分擔(dān)比下的地表沉降

2.5 隧洞圍巖封閉位移分析

不同工況V 級(jí)圍巖小凈距隧洞施工各階段隧洞圍巖垂直封閉位移見(jiàn)表2，可以看出無(wú)論先行洞還是后行洞，當(dāng)二襯荷載分擔(dān)比不變時(shí)，圍巖承擔(dān)的荷載分擔(dān)比相對(duì)初支越大，則隧道各個(gè)階段的垂直封閉位移越大，因此圍巖相對(duì)初支承擔(dān)較小荷載為宜。

表2 不同工況小凈距隧道施工各階段的垂直封閉位移

先行洞二襯荷載分擔(dān)比為80%、70%和60%時(shí)，隧道各階段垂直封閉位移呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，圍巖和初支荷載比的相互變化對(duì)二襯垂直封閉位移影響不大，所有工況的最終垂直封閉位移相差不大，工況9 比工況1 相比位移差僅為12.6 mm。 考慮到成本和效率等因素，確定先行洞二襯荷載分擔(dān)比的優(yōu)化值為從大往小趨向60%，與上文分析一致。

后行洞二襯荷載分擔(dān)比為60%時(shí)，圍巖和初支荷載分擔(dān)比的相互變化對(duì)二襯垂直封閉位移影響較大，工況9 比工況7 位移要大14.4 mm，所以二襯荷載分擔(dān)比宜大于60%。 當(dāng)二襯荷載分擔(dān)比為70%時(shí)，工況4～5 的二襯垂直封閉位移變化不大，可作為后行洞二襯荷載分擔(dān)比的優(yōu)化臨界值，與上文分析基本一致。

3 結(jié) 論

1） 以某V 級(jí)圍巖小凈距隧道為研究對(duì)象，借助數(shù)值分析手段尋求小凈距隧道在多種荷載分擔(dān)比組合下的力學(xué)行為特征，研究了先行洞和后行洞圍巖的二襯荷載分擔(dān)比優(yōu)化問(wèn)題。

2） 先行洞在圍巖和初支共同承擔(dān)荷載比不變的情況下，圍巖荷載分擔(dān)比越大，地表沉降位移越明顯，因此圍巖相對(duì)初支承擔(dān)較小荷載為宜。 二襯荷載分擔(dān)比為80%、70%和60%條件下，二襯承擔(dān)的荷載比越大，地表沉降越小，但彼此相差不大。 考慮到成本和效率等因素，確定二襯荷載分擔(dān)比的優(yōu)化值為從大往小趨向60%。 隧洞圍巖封閉位移分析與其一致。

3） 后行洞在二襯荷載分擔(dān)比為70%和80%條件下，地表沉降位移相差不大，而在二襯荷載分擔(dān)比為60%條件下，圍巖承擔(dān)荷載比對(duì)地表沉降影響大，二襯支護(hù)對(duì)地表沉降抑制效果較差。 可將70%作為二襯荷載分擔(dān)比優(yōu)化臨界值，確定后行洞二襯荷載分擔(dān)比的優(yōu)化值為從大往小趨向70%。 隧洞圍巖封閉位移分析與其基本一致。