蠕變圍巖隧道的二襯支護時間研究

黃友林

1 概述

隨著我國大力開發(fā)基礎(chǔ)建設(shè)的實施，我國公路建設(shè)中的隧道將穿過更多更長的軟弱圍巖地段。在軟弱巖層中開挖隧洞，因圍巖具有流變變形特性[1-3]，其變形將隨時間的推移而發(fā)生較大的變化。若支護時間過早，襯砌受力和變形都較大，最后可使襯砌出現(xiàn)開裂、失穩(wěn)、剝落等破壞現(xiàn)象;若支護時間過晚，圍巖的強度將隨時間的推移而降低以致出現(xiàn)塌方等事故。因此，本文將討論蠕變圍巖隧道工程中的二次襯砌合理支護的時間問題。

2 計算模型的建立

2.1 計算工況

本文支護厚度按JTG D70-2004公路隧道設(shè)計規(guī)范中的Ⅴ級圍巖規(guī)定取中值，即初襯厚度為20 cm，二襯厚度為45 cm。初次支護均為洞室開挖后立即施作，改變二次襯砌施作時間，分別為開挖后 0 d，10 d，20 d，30 d，60 d，100 d，200 d和無窮大時間(即不設(shè)二襯)，洞室全斷面一次開挖。蠕變時間均計算至開挖后300 d。

2.2 計算范圍、邊界條件和單元類型的選取

1)計算斷面及范圍的選取。本文所選斷面按JTG D70-2004公路隧道設(shè)計規(guī)范兩車道隧道標準內(nèi)輪廓斷面，即拱部為單心半圓，半徑為5.5 m;側(cè)墻為大半徑圓弧，半徑為8.5 m;側(cè)墻仰拱半徑為18.0 m;仰拱與側(cè)墻間用小半徑圓弧連接。本文在研究中，二維數(shù)值分析的計算域為隧道中心軸線向兩側(cè)各42 m深部取隧道底板下36 m，埋深取100 m。2)邊界條件。本文采用位移邊界，在左右兩邊水平位移固定，底面豎向位移固定。3)單元類型及大小。本模型對圍巖及襯砌的模擬均采用ANSYS程序提供的Plane42四節(jié)點四邊形單元?？紤]計算精度和計算誤差要求，本文采用隧洞周邊一倍洞徑范圍內(nèi)的單元尺寸控制在0.5 m～1.0 m，一倍洞徑以外的單元尺寸控制在2.0 m，盡量采用映射四邊形網(wǎng)格劃分。本文采用的有限元計算模型見圖1。

2.3 本構(gòu)模型及計算參數(shù)的選取

鑒于本文研究的是蠕變圍巖，因此對圍巖和加固圈的模擬采用廣義開爾文模型，它是一個能比較真實且可行的模擬實際隧道各種力學現(xiàn)象的模型。

廣義開爾文體的流變本構(gòu)關(guān)系為:

其中，εe，εc分別為應(yīng)變的彈性部分和蠕變部分;η為粘性系數(shù)，MPa?d;t為蠕變時間，d;E1，E2均為彈性模量，MPa。

對初期支護和二襯按均質(zhì)理想彈性體考慮，采用虎克本構(gòu)模型。圍巖及混凝土參數(shù)，按照JTG D70-2004公路隧道設(shè)計規(guī)范中Ⅴ級圍巖的規(guī)定取中值，粘彈性參數(shù)參考《地下工程設(shè)計理論與實踐》;錨桿注漿區(qū)按注漿范圍適當提高加固圈參數(shù)。

在計算過程中，采用應(yīng)力釋放來對施工步驟進行模擬，應(yīng)用應(yīng)力釋放率近似考慮“空間效應(yīng)”。地應(yīng)力的釋放率需要結(jié)合隧道的工程實際、監(jiān)控量測結(jié)果的分析以及工程師的施工經(jīng)驗綜合確定。為了能分析單個支護參數(shù)對隧道施工力學行為的影響，使之具有可比性，采用了簡化的荷載分擔比率，見表1。

表1 釋放荷載分擔比率 %

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 關(guān)鍵點位置的選擇

關(guān)鍵點位置見圖2。

3.2 圍巖位移、初襯應(yīng)力、二襯應(yīng)力隨二襯支護時間變化分析

1)圍巖位移與二襯支護時間的關(guān)系見圖3，圖4。從圖3，圖4可以看出，二襯支護時間對圍巖位移影響的大小次序是邊墻、拱腰、拱頂。不施作二襯的邊墻的最終水平位移比立即施作二襯的邊墻的水平位移大2.58 mm，大77%;開挖后60 d內(nèi)施作二襯能對洞周圍巖起到非常有效的約束，能顯著減小圍巖向洞內(nèi)收斂位移;當二襯在隧道開挖60 d以后施作時，其對洞周圍巖的約束效果不大顯著，尤其是在開挖后100 d才施作時，對減小圍巖向洞內(nèi)收斂位移的效果甚微，拱頂下沉位移、拱腰和邊墻的水平位移分別比不施作二襯時的位移僅小 0.18 mm，0.19 mm，0.29 mm，分別減小0.9%，3.7%，5.1%。

2)初襯應(yīng)力與二襯支護時間的關(guān)系見圖5。從圖5可以看出，二襯在開挖后60 d內(nèi)施作時對減小初襯應(yīng)力的效果較為明顯;在開挖60 d后施作時，對減小初襯應(yīng)力的效果不大顯著，開挖后60 d施作二襯時，拱頂、拱腰、邊墻處的初襯應(yīng)力分別比不施作時減小 2.18 M Pa，1.61 MPa，0.87 MPa，分別減小 10.7%，7.7%，4.8%。不施作二襯的拱頂初襯應(yīng)力比立即施作的拱頂初襯應(yīng)力大 8.54 MPa，大71.6%。

3)二襯應(yīng)力與二襯支護時間的關(guān)系見圖6。從圖6可以看出，當二襯在隧道開挖后前60 d施作時，二襯應(yīng)力隨支護時間的增長減小得較快;當二襯在隧道開挖后60 d以后施作時，其應(yīng)力隨支護時間的增長減小不是太明顯。

4 結(jié)語

本文采用粘彈性方法，考慮了混凝土襯砌與圍巖之間相互作用與時間的關(guān)系，對隧道施工過程中的力學動態(tài)進行時間效應(yīng)分析，分析了二襯支護時間對圍巖位移、初襯應(yīng)力、二襯應(yīng)力的影響，得出了Ⅴ級圍巖隧道的二襯在開挖完60 d內(nèi)施作是較合理的。

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