云南省香麗高速淺埋隧道進(jìn)口段二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)分析

胡盛華 吳勇 姜文濤 劉浩杰

摘要：目前中國(guó)山嶺隧道主要采用新奧法施工，如何確定新奧法二次襯砌施工的合理支護(hù)時(shí)機(jī)一直是隧道施工中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，尤其遇到隧道埋深較淺、圍巖較差的情況。以云南香麗高速淺埋破碎圍巖隧道進(jìn)口段施工為例，采用基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的反分析法和收斂限制半解析計(jì)算法，得到了滿(mǎn)足變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則的二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)。研究結(jié)果表明：進(jìn)口段二次襯砌合理支護(hù)時(shí)間參數(shù)為21～26 d，空間參數(shù)為52～73 m。

關(guān)鍵詞：支護(hù)時(shí)機(jī);二次襯砌;淺埋隧道進(jìn)口段;監(jiān)控量測(cè);回歸分析;香麗高速;云南省

中圖法分類(lèi)號(hào)：U455.48文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.005

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）07 - 0024 - 03

0 引 言

為了構(gòu)建中國(guó)面向東南亞、南亞地區(qū)和印度洋周邊經(jīng)濟(jì)圈全方位對(duì)外開(kāi)放格局，推進(jìn)西南地區(qū)優(yōu)勢(shì)資源互補(bǔ)、優(yōu)化交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，我國(guó)西南部地區(qū)高速公路、城際快速路的建設(shè)得到了新的發(fā)展機(jī)遇。但西南部地區(qū)山地多、平原少，修建大量隧道不可避免。此外，西南部地區(qū)復(fù)雜的地形地質(zhì)特征給公路隧道的建設(shè)帶來(lái)了諸多的挑戰(zhàn)。

在采用新奧法修建隧道過(guò)程中，二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)十分重要，若施作時(shí)機(jī)過(guò)早，圍巖應(yīng)力不能得到充分釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)容易遭到破壞;施作時(shí)機(jī)過(guò)晚可能會(huì)出現(xiàn)初期支護(hù)不能有效抑制圍巖變形的情況，最終導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)坍塌。因此，深入研究圍巖和支護(hù)變形規(guī)律，確定二次襯砌的合理支護(hù)時(shí)機(jī)十分必要。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已在這方面做了大量的研究和探討。對(duì)于淺埋隧道，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)之上的圍巖壓力受隧道埋置深度、地形條件及地表環(huán)境影響較大，會(huì)對(duì)隧道支護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。巫晨笛[1]、郭小龍等[2-5]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)反分析法和收斂限制半解析法對(duì)花崗巖隧道、千枚巖隧道、軟巖隧道、盾構(gòu)隧道二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究。李寶平等[6]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的反分析法，獲得滿(mǎn)足變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則的二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)，并結(jié)合最小支護(hù)原理，確定了最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。孟陸波等[7]以某千枚巖高速公路為工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬建立了二次襯砌不同施做時(shí)機(jī)分析模型，研究結(jié)果表明：二次襯砌施做過(guò)早可導(dǎo)致隧道邊墻和拱腰部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，產(chǎn)生張拉開(kāi)裂，并指出施做二次襯砌時(shí)機(jī)應(yīng)為初期支護(hù)變形量為隧道最終變形量的65%～70%之后。邱子峰等[8]基于最優(yōu)加權(quán)組合預(yù)測(cè)法對(duì)華鎣山隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，研究結(jié)果表明：將最優(yōu)加權(quán)組合預(yù)測(cè)方法引入到隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析中，能夠更加有效反映隧道變形量發(fā)展趨勢(shì)，為確定二次襯砌支護(hù)時(shí)間提供依據(jù)。

綜上所述，多采用對(duì)數(shù)、指數(shù)、雙曲線(xiàn)函數(shù)對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，再利用反分析法確定二次襯砌合理支護(hù)時(shí)間參數(shù)。當(dāng)回歸曲線(xiàn)都不能較好反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化時(shí)，可引入最優(yōu)加權(quán)模型以更加有效地反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。由于常規(guī)回歸函數(shù)的限制，隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反分析法只能確定二次襯砌合理支護(hù)的時(shí)間參數(shù)，可采用基于收斂限制的半解析計(jì)算法確定二次襯砌的合理支護(hù)空間參數(shù)。

本文以云南香麗高速淺埋隧道進(jìn)口段實(shí)際工程為依托，采用基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的反分析法和基于收斂限制的半解析計(jì)算法，綜合確定了淺埋隧道進(jìn)口段二次襯砌施做合理時(shí)機(jī)。

1 工程背景

1.1 工程概況

云南香麗高速公路隧道位于香格里拉—麗江高速虎跳峽縣境內(nèi)，隧道位于云貴高原中部，屬于構(gòu)造侵蝕、溶蝕中山地貌，地形陡峭，地質(zhì)作用以侵蝕、風(fēng)化為主。進(jìn)口段埋深較淺，最淺埋深僅有4 m，圍巖以V級(jí)強(qiáng)風(fēng)化板巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎石狀，圍巖破碎（圖1）。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

隧道為雙向四車(chē)道，左右線(xiàn)隧道均為單洞兩車(chē)道，左線(xiàn)隧道長(zhǎng)756 m，右線(xiàn)隧道長(zhǎng)823 m，屬中隧道。隧道建筑界限凈高5.0 m，凈寬為10.25 m;隧道開(kāi)挖斷面積為90 m2，為大斷面隧道。

隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合襯砌，Ⅴ級(jí)圍巖淺埋超前支護(hù)參數(shù)為：隧道洞口采用Φ108 mm管棚，間距40 cm×40 cm，長(zhǎng)30 m，搭接長(zhǎng)度5 m;隧道洞內(nèi)采用Φ50 mm的小導(dǎo)管，間距40 cm×40 cm，長(zhǎng)30 m，搭接長(zhǎng)度5 m。圍巖淺埋加強(qiáng)初期支護(hù)為：C25噴射混凝土，厚28 cm;縱向間距50 cm的I22b鋼拱架;Φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm。

2 監(jiān)控量測(cè)方案

測(cè)點(diǎn)布置原則為，拱頂下沉監(jiān)測(cè)以拱頂為中心，間隔2 m共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn);周邊位移監(jiān)測(cè)以拱頂為中心，共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，且周邊位移水平測(cè)線(xiàn)距拱頂距離為3 m。以此規(guī)律布設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位，可較全面地掌握施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定程度和變形規(guī)律（圖2）。

本文著重對(duì)隧道周邊收斂和拱頂下沉結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)參照其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目結(jié)果。拱頂下沉采用精密水準(zhǔn)儀器測(cè)量，周邊收斂采用鋼尺收斂?jī)x測(cè)量。量測(cè)頻率按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。

3 基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的反分析法

反分析法一般先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)合變形速率準(zhǔn)則和極限位移準(zhǔn)則綜合確定二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)[9]。變形速率準(zhǔn)則：根據(jù)JTG F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，拱頂下沉速率<0.07～0.15 mm/d，隧道適合施做二次襯砌;極限位移準(zhǔn)則：根據(jù)GB 50086-2009《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，已產(chǎn)生的各項(xiàng)位移達(dá)到預(yù)計(jì)極限位移量的80%～90%時(shí)，隧道適合施做二次襯砌。

根據(jù)隧道監(jiān)控量測(cè)拱頂下沉實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，用對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和雙曲線(xiàn)函數(shù)對(duì)拱頂沉降曲線(xiàn)進(jìn)行擬合分析，獲得回歸方程，最終選用擬合度較高的曲線(xiàn)。對(duì)麗香高速隧道進(jìn)口段典型監(jiān)測(cè)斷面ZK60+735，ZK60+715拱頂位移數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

一般建議選取兩種準(zhǔn)則下的時(shí)間交集作為二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)，即ZK60+735斷面宜在開(kāi)挖完成后21～22 d進(jìn)行二次襯砌，ZK60+715斷面宜在開(kāi)挖完成后25～26 d進(jìn)行二次襯砌。

通過(guò)對(duì)典型斷面進(jìn)行回歸分析，結(jié)合隧道實(shí)際情況認(rèn)為，進(jìn)口段開(kāi)挖宜在掌子面開(kāi)挖完成后21～26 d進(jìn)行二次襯砌。

4 基于收斂限制的半解析法

采用函數(shù)回歸分析法對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，獲得的回歸函數(shù)僅是變形量與監(jiān)測(cè)天數(shù)的關(guān)系，而掌子面相對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的推進(jìn)距離也是影響變形量的一個(gè)重要因素。為此，引入基于收斂限制的半解析計(jì)算法確定二次襯砌合理支護(hù)的空間參數(shù)。

引入收斂限制的半解析計(jì)算法本質(zhì)上是引入收斂函數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。收斂函數(shù)闡明了變形量與掌子面推近距離之間的關(guān)系，一般按照如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[6]。

[δx=δ∞x[1-e（-x/X）]]? ? ? ? ? （1）

式中：[δx]為當(dāng)掌子面與監(jiān)測(cè)斷面距離x時(shí)的斷面變形量，mm;[δ∞x]為監(jiān)測(cè)斷面變形量極限值，對(duì)于同級(jí)圍巖可取各測(cè)點(diǎn)極限位移值的平均值，mm;x為隧道開(kāi)挖掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離，m;X為掌子面推進(jìn)影響距離，可按照下式進(jìn)行計(jì)算：

[X=aR=ar0[（1-sinφ）（p0-c?cotφ）pi+c?cotφ]1-sinφsinφ]（2）

式中：[a]為常數(shù)，可取0.84;R為塑性區(qū)半徑;[pi]為圍巖壓力;[p0]為原巖應(yīng)力;[c]為圍巖黏聚力;[φ]為圍巖內(nèi)摩擦角;[r0]為隧道半徑。代入?yún)?shù)并結(jié)合表1結(jié)果計(jì)算，得收斂函數(shù)表達(dá)式：

[δx=26.48×[1-e（-x/32.25）]]? ? （3）

根據(jù)規(guī)范要求并結(jié)合實(shí)際情況認(rèn)為，基于收斂限制法確定二次襯砌時(shí)機(jī)條件為[δx∈（0.8δ∞x， ][0.9δ∞x）]，由此可計(jì)算得基于收斂限制法二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)如表2所示。

5結(jié) 論

本文以云南香麗高速淺埋隧道進(jìn)口段施工為背景，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的處理，確定了二次襯砌支護(hù)的合理時(shí)機(jī)，得到結(jié)論如下。

（1）基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反分析法，獲得了滿(mǎn)足極限位移準(zhǔn)則和變形速率準(zhǔn)則的二次襯砌合理支護(hù)時(shí)間為斷面開(kāi)挖后21～26 d。

（2）基于收斂限制半解析法獲得了滿(mǎn)足極限位移準(zhǔn)則的二次襯砌支護(hù)合理空間參數(shù)為開(kāi)挖掌子面向前開(kāi)挖52～73 m。

（3）在二次襯砌混凝土澆筑180 d后對(duì)混凝土表面進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)滲水、開(kāi)裂等缺陷。由此認(rèn)為本文研究結(jié)果可有效指導(dǎo)二次襯砌的施作時(shí)間的確定，適合在淺埋段公路隧道進(jìn)行推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 巫晨笛，李天斌，孟陸波，等. 雅康高速公路二郎山隧道花崗巖區(qū)二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)分析[J]. 四川建筑科學(xué)研究，2017，43（2）：75-80.

[2] 郭小龍，譚忠盛，李磊，等. 高地應(yīng)力千枚巖隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)研究[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2020，33（12）：249-261.

[3] 趙春磊. 軟巖大變形隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)分析[J]. 西部交通科技，2020（12）：118-120.

[4] 王士民，陳兵，王先明，等. 盾構(gòu)隧道二次襯砌合理施作時(shí)機(jī)模型試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2020，42（5）：882-891.

[5] 楊友彬，裴利華，林東，等. 軟弱圍巖隧道二次襯砌合理施作時(shí)機(jī)研究[J]. 施工技術(shù)，2018，47（24）：24-28，84.

[6] 李寶平，高詩(shī)明，王睿，等. 基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的反分析法確定二襯支護(hù)時(shí)機(jī)[J]. 鐵道建筑，2014，（8）：49-51.

[7] 孟陸波，潘皇宋，李天斌. 鷓鴣山隧道二次襯砌開(kāi)裂機(jī)理及支護(hù)時(shí)機(jī)探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（2）：129-136.

[8] 邱子峰，沈簡(jiǎn)，傅旭東，等. 基于最優(yōu)加權(quán)組合預(yù)測(cè)的隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2016（5）：53-57.

[9] JTG F60-2009 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

（編輯：李 慧）

Analysis on supporting timing of second lining of entrance section of shallow buried tunnel of Xiangli Highway in Yunan Province

HU Shenghua1，3， WU Yong2，3， JIANG Wentao2，3， LIU Haojie2，3

（1. Engineering Quality Supervision Bureau， Department of Transportation of Yunnan Province ， Kunming 650200， China;? ?2. Yunnan? Institute of Building Research， Kunming? 650223， China;? 3. Yunnan Geotechnical Engineering Technology Research Center，Kunming 650223， China）

Abstract： At present， New Austrian Tunnel Method was commonly used in the mountain tunnel construction in China. The determination of the reasonable support timing of the second lining during the construction of the tunnel has been focused ， especially in the shallow buried tunnel with poor surrounding rock condition. Taking the construction of the entrance section of shallow buried tunnel of Xiangli Highway in Yunan Province with broken rock condition as an example， the supporting timing of second lining of the section was determined by using the back-analysis of the in-site data and the convergent control method， which meets the deformation rate criterion and the limit displacement criterion. The research indicated that the reasonable support timing of the project would be 21～26 d and the spatial parameter was 52～73 m.

Key words： support timing; secondary lining; shallow buried tunnel entrance; monitoring measurement; regression analysis; Xiangli Highway; Yunnan Province