李剛占，富志鵬，李博融，董長松

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點實驗室,陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著中國交通路網(wǎng)的完善以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西部地區(qū)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，復雜地質(zhì)條件下的高速公路隧道大量涌現(xiàn)。隧道在施工過程中會發(fā)生變形、破壞等現(xiàn)象，導致初期支護結(jié)構(gòu)侵限、圍巖大變形和坍方等，嚴重影響隧道施工安全并造成重大經(jīng)濟損失[1-4]。李志偉等[5]通過對大斷面黃土隧道施工中鎖腳錨管的應用及效果檢驗，總結(jié)出適合大斷面黃土隧道鎖腳錨管的施作工藝；崔耀等[6]提出適用于不良地質(zhì)條件下的隧道支護思路和方法，即采用錨桿和內(nèi)壓(支撐)構(gòu)件形成錨肋的組合支護體系作為圍巖加固手段，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高支護剛度策略，研制形成適用于硬質(zhì)破碎巖體中隧道的柔性支護；張頂立等[7]從隧道圍巖結(jié)構(gòu)特性和支護作用的本質(zhì)特征出發(fā)，分別通過超前支護的保障作用、初期支護的核心作用和二次襯砌的安全儲備作用，針對圍巖的正面擠出、前傾式冒落和后傾式冒落等3種超前破壞模式，給出了相應的超前支護方式和支護效果評價方法；李康等[8]以隧道圍巖支護體系的力學特性為切入點，對隧道圍巖壓力、混凝土應力、鋼拱架應力、錨桿應力以及圍巖地層位移等進行系統(tǒng)全面的現(xiàn)場監(jiān)測，研究了支護體系各子構(gòu)件受力隨時間的演化特性以及沿隧道橫斷面的空間分布規(guī)律；呂剛等[9]根據(jù)初始地應力對圍巖承載拱受力的影響，將隧道周邊一定范圍內(nèi)的圍巖圈作為一個拱形結(jié)構(gòu)，進行強度、剛度和穩(wěn)定性計算，進而設(shè)計錨桿、錨索、噴射混凝土和襯砌等支護結(jié)構(gòu)，提出圍巖支護結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件化設(shè)計方法。

目前，針對隧道支護體系開展的相關(guān)研究多集中在支護結(jié)構(gòu)設(shè)計和支護效果評價方面，有關(guān)支護剛度、強度的影響特征及二次襯砌施作時機的力學特點研究甚少?；诖?，本文依托青海省海東地區(qū)公伯峽松散砂卵石地層公路隧道工程，進行松散地層隧道施工過程中支護結(jié)構(gòu)的力學行為研究，為隧道動態(tài)設(shè)計提供科學的理論依據(jù)。

1 工程概況

隧道采用左右線分離式，左線全長 2 069 m，右線全長 2 061 m，均屬長隧道，最大埋深約 221.0 m(左線)和218.0 m(右線)。隧道出口平面線型為圓曲線，洞身段為直線。隧址區(qū)松散層漂石含量大，粒徑范圍以80～260 mm為主，粒組占比61.54%；就分布形態(tài)而言，呈大粒徑卵石、漂石層狀分布。由于松散砂卵石層的大量分布，現(xiàn)場施工中坍塌及大變形的情況時有發(fā)生，對現(xiàn)場作業(yè)人員的生命安全構(gòu)成威脅，使得隧道建設(shè)期延滯。加之研究區(qū)松散層細砂密實，漿液擴散不暢，注漿效果欠佳，成洞難的問題也不可避免[10-14]。因此，隧道修建過程中洞內(nèi)支護體系的設(shè)計施工是保證隧道安全的關(guān)鍵。

2 分析方法及參數(shù)

鑒于參數(shù)敏感性分析及取值優(yōu)化問題，假定其他參數(shù)及指標保持不變，僅改變待分析的物理量，研究其引起的圍巖和結(jié)構(gòu)力學響應的變化，從變化趨勢和變化量值分析物理量的敏感特征，借助FLAC3D三維有限差分程序進一步確定其合理取值范圍[15-17]。以數(shù)值計算結(jié)果分析圍巖的應力和變形情況。

2.1 計算模型

取值優(yōu)化問題的計算采用簡化模型，隧道縱向取30 m，將隧道地表理想化為水平地表，隧道埋深均一。計算模擬：沿著水平x軸方向，按照工程實際，邊墻至邊界取3倍洞徑(82 m)；豎直z軸方向，取至地表，底部邊界至仰拱，取3倍洞徑(40 m)；隧道y軸縱向，取30 m。簡化模型如圖1所示。

圖1 簡化模型

施工全過程仿真模擬采用精確模型，隧道縱向按實際雙洞平均長度取值，約110 m，隧道地表按地形建模。計算模擬范圍為：x軸方向，隧道左、右洞到左、右邊界凈距各取3倍洞徑，總長約160 m；z軸方向上至地表，仰拱至底部邊界約取40 m；隧道y軸縱向取118 m。三維模型如圖2所示。

圖2 三維仿真模型

2.2 材料、單元及本構(gòu)關(guān)系

圍巖采用Mohr-Coulomb(摩爾-庫侖)彈塑性模型(圖3)模擬，該模型由于能夠反映巖土材料屈服時與球應力和偏應力密切相關(guān)的重要特性而在巖土工程研究中被廣泛應用。Mohr-Coulomb模型的破壞準則是張拉剪切組合準則。給3個主應力編號，假定：σ1≤σ2≤σ3，由Mohr-Coulomb破壞準則確定的點A到點B的破壞包絡(luò)線上剪切破壞應力fs=0，即剪切破壞準則

從點B到點C的破壞包絡(luò)線上張拉破壞應力ft=0，即張拉破壞準則

ft=σt-σ3=0

圖3 Mohr-Coulomb強度準則

在Mohr-Coulomb彈塑性模型中，勢函數(shù)gs用以定義模型剪切塑性流動，gt則用來定義張拉塑性流動。

勢函數(shù)gt符合相關(guān)流動法則，形式為gt=σ3

采用函數(shù)h(σ1,σ3)=0來給定流動法則的惟一定義。

其中，函數(shù)h可以表示為

h=σ3-σt+αp(σ1-σp)

式中：αp和σp可分別由下列兩式給定。

噴射混凝土采用Shell(殼)單元模擬，二次襯砌采用Elastic(彈性)模型模擬，以上2種材料均服從彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.3 計算參數(shù)

洞內(nèi)密排短管棚支護遵循等效模擬原則，即提高圍巖剛度、強度。隧址區(qū)砂卵石物理力學參數(shù)由現(xiàn)場試驗測定，混凝土在噴射和模筑時的各項參數(shù)取值依相關(guān)規(guī)定確定，如表1所示。

表1 計算參數(shù)

3 初期支護剛度分析

砂卵石地層開挖后必須立即施作初期支護，形成支擋結(jié)構(gòu)，防止漏砂坍塌，這樣致使圍巖壓力得不到充分釋放，初期支護將承受較大的外部圍巖荷載。本節(jié)設(shè)置埋深分別為10、15、20、25、35、50 m的6組工況，對比分析初期支護的受力和變形情況。

取值合理性問題的計算模擬過程均作簡化處理，按臺階法施工流程分部開挖至上臺階掌子面，開挖進尺取2 m，采集變形和受力要素進行分析[18-19]。簡化模型與實際力學結(jié)果有一定差異，但不影響規(guī)律性和敏感性分析，能夠滿足取值范圍優(yōu)化的要求。

3.1 初期支護內(nèi)力

砂卵石隧道初期支護彎矩分布與常規(guī)地層隧道不同，起拱線以上結(jié)構(gòu)均承受正彎矩，且量值普遍大于起拱線以下部位。短管棚超前支護除封擋漏砂外，也承擔了大量圍巖荷載，因超前支護施作于開挖之前，基本上拱部原位應力將全部作用于短管棚，施作初期支護后，短管棚與其共同承受圍巖壓力，應力釋放的過程很短，導致結(jié)構(gòu)承受的壓力和初期支護的內(nèi)力均較大。

初期支護彎矩隨埋深的變化如圖4所示，隨著埋深增大，初期支護拱頂、拱肩、仰供拱腳、仰拱中心彎矩量值明顯增大，拱肩處增幅加劇，其余部位增幅逐步放緩。邊墻處彎矩隨埋深增大而減小，且呈現(xiàn)由正彎矩向負彎矩發(fā)展的趨勢。埋深超過25 m時，仰拱拱腳處彎矩超過200 kN·m，量值較大，承載需求對初期支護剛度和強度要求較高；埋深超過50 m時，拱肩處彎矩達到305 kN·m，大于仰拱拱腳處彎矩，且隨埋深增大，彎矩增幅有變大趨勢。埋深較大的砂卵石隧道，其初期支護的拱肩部位成為強度破壞的控制部位。

圖5 初期支護軸力

圖6 初期支護軸力隨埋深變化關(guān)系

軸力分布(圖5、6)和彎矩分布基本一致，呈“上大下小”的形態(tài)，短管棚傳遞給初期支護的圍巖壓力較大，起拱線以上結(jié)構(gòu)內(nèi)力量值很大，埋深為50 m時拱部軸力達到3 000 kN。拱頂、拱肩處軸力隨埋深增大顯著增大；邊墻及仰供拱腳處軸力同樣隨埋深增大而增加，但增速較小，曲線較平；仰拱中心處軸力基本保持一致。

圖7 初期支護變形隨埋深變化關(guān)系

3.2 初期支護變形

初期支護變形隨埋深的變化趨勢如圖7所示。沉降隨埋深增加基本呈線性增大，埋深50 m時拱頂沉降達26.8 cm；收斂也隨埋深增加而增大，但增速較緩。

3.3 砂卵石隧道初期支護取值范圍

根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果分別計算不同埋深情況下的初期支護安全系數(shù)。參照《公路隧道設(shè)計細則》(JTG/T D70—2010)推薦的內(nèi)力校核方法，初期支護鋼拱架與噴射混凝土內(nèi)力分擔原則為：鋼拱架與噴射混凝土承受軸力，鋼拱架獨立承受彎矩。噴射混凝土安全系數(shù)取2.0，鋼拱架安全系數(shù)取1.7。

計算截面的軸力以及彎矩

噴射混凝土截面壓應力應滿足

KhyNh≤αRhyAh

鋼拱架壓應力應滿足

鋼拱架拉應力應滿足

式中：N、M分別為單位長度截面軸力(kN)、彎矩(kN·m)；Eh、Eg分別為噴射混凝土、鋼拱架的彈性模量(kPa)；Nh、Ng分別為噴射混凝土、鋼拱架承擔的軸力(kN)；Khy為噴射混凝土強度系數(shù)；Kg為鋼拱架的抗壓極限強度安全系數(shù)；Ah、Ag分別為噴射混凝土及鋼拱架計算截面的面積；Wg為鋼拱架抗彎剛度(m3)；α為偏心影響系數(shù)；h為計算截面厚度(m)。

由以上公式驗算得出：砂卵石隧道埋深小于35 m時，初期支護拱架型號不應低于I22b，噴射混凝土厚度可取28 cm，拱架間距不應大于0.5 m，能夠滿足支護強度的需求；埋深大于35 m、小于50 m時，初期支護拱架型號不應低于I25b，噴射混凝土厚度可取32 cm，拱架間距不應大于0.5 m，基本能夠滿足支護強度的需求；埋深大于50 m時，應進行專項技術(shù)設(shè)計，確定隧道支護方案及參數(shù)。

4 二次襯砌施作時機分析

由于松散砂卵石圍巖的特殊性，其二襯時機的把握較為復雜。二次襯砌較早，可有效預防和減少拱頂沉降，但即使進行了加強配筋，二襯仍然需要承受較大荷載，在控制其變形的同時混凝土也極易開裂?？梢姡我r砌施作時間的把握需要充分考慮變形和荷載2個方面。通過計算分析確定二次襯砌施作時機，分別考慮二次襯砌落后掌子面2、4、6、8、10 m等幾種情況。

4.1 初期支護沉降

二襯落后于下臺階掌子面的距離影響著拱頂沉降最大值。如圖8所示:當二次襯砌落后距離小于6 m，拱頂沉降速率?。蝗欢浜缶嚯x超過6 m后，從曲線曲率變化可明顯看出，拱頂沉降速率增大。

圖8 拱頂沉降與二次襯砌跟進時機的關(guān)系

圖9 二襯主應力與二襯跟進時機關(guān)系

4.2 二次襯砌應力

二襯主應力與二襯跟進時機的關(guān)系如圖9所示。二襯落后距離逐漸達到6 m時，襯砌主應力量值減小幅度明顯，最大主應力和最小主應力分別減小約24%和42%。二次襯砌落后距離超過6 m，最大和最小主應力量值變化穩(wěn)定?？梢?，二次襯砌落后距離變大，襯砌主應力減小。

4.3 二次襯砌施作時機的確定

綜合分析初期支護拱頂沉降、襯砌應力以及二次襯砌施作時機(圖10)不難看出，拱頂沉降和主應力變化速率的轉(zhuǎn)折點即為二次襯砌落后下臺階距離為6 m。距離大于6 m會造成沉降過大，而距離小于6 m則會造成襯砌應力過大，所以二次襯砌施作時機可確定為落后下臺階掌子面6 m。

圖10 二次襯砌跟進時機綜合比選

5 結(jié) 語

高速公路隧道常穿越復雜的地質(zhì)環(huán)境，因而產(chǎn)生一些隧道災害，如圍巖大變形、塌方等。不合理的支護結(jié)構(gòu)參數(shù)是導致這些災害發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，因此對隧道支護結(jié)構(gòu)力學特性進行研究很有意義。

本文以在建的青海省循隆高速穿越公伯峽砂卵石隧道工程為依托，借助FLAC3D數(shù)值分析軟件，采用理論分析、數(shù)值模擬計算以及基于荷載結(jié)構(gòu)理論的支護結(jié)構(gòu)計算等研究方法，對松散砂卵石隧道在施工過程中的初期支護結(jié)構(gòu)及二次襯砌施作時機等進行系統(tǒng)研究，主要取得以下成果。

(1)研究了砂卵石隧道初期支護剛度及強度的影響特征，提出砂卵石隧道初期支護參數(shù)建議：埋深小于35 m時，初期支護拱架型號不應低于I22b，噴射混凝土厚度可取28 cm，拱架間距不應大于0.5 m，能夠滿足支護強度的需求；埋深大于35 m、小于50 m時，初期支護拱架型號不應低于I25b，噴射混凝土厚度可取32 cm，拱架間距不應大于0.5 m，基本能夠滿足支護強度的需求；埋深大于50 m時，應進行專項技術(shù)設(shè)計，確定隧道支護方案及參數(shù)。

(2)研究了二次襯砌施作時機的力學影響特點，明確了拱頂沉降和主應力變化速率的轉(zhuǎn)折點為二次襯砌落后下臺階6 m，距離大于6 m會造成沉降過大，而距離小于6 m則會使襯砌結(jié)構(gòu)受力過大。

在今后特殊地質(zhì)隧道修建支護體系研究工作中，筆者將重視隧道巖體流變作用的研究，通過建立黏彈塑性模型進一步對松散地層隧道施工過程中支護結(jié)構(gòu)力學行為進行分析。