隧道襯砌支護施作時機研究綜述★

王華山 黨立平 周遠強

(1.中國機械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055； 2.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

1 概述

襯砌最佳支護時機，就是最大限度調(diào)動圍巖變形釋放能量，充分發(fā)揮圍巖自承載能力，最大程度調(diào)整支護體系作用，使二次支護結(jié)構(gòu)使用最為合理、抗力降為最低[1]。

確定隧道襯砌最佳支護時機是有效發(fā)揮圍巖自承能力和盡可能合理利用襯砌結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[2]。選擇合適的支護參數(shù)與確定合理的支護時機已成為隧道工程的重中之重。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 支護結(jié)構(gòu)的研究方法

Panet[3]提出了收斂限制法。根據(jù)隧道圍巖的最終變形量，再引入支護特征線以及圍巖特征線的概念，就可以確定隧道襯砌的最佳支護時間。Sulem[4]在Panet等人研究基礎(chǔ)上，研究出了能夠比較準確地預測隧洞圍巖收斂位移的新方法，極大擴展了早期的收斂限制法。Bizjak，Karmen等[5]采用有限差分法分析了隧道圍巖應力，得出了隧道位移和演化的預測新方法。數(shù)值仿真技術(shù)發(fā)展速度迅猛，使得越來越多復雜的支護結(jié)構(gòu)工程模擬更能接近實際情況。謝鋒等[6]、魯巖等[7]采用數(shù)值模擬和理論分析等方法，詳細討論了二次襯砌支護的最佳時機問題。鄭州大學徐建國等[8]，依托嶺南高速公路分水嶺隧道工程，基于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，考慮該工程地質(zhì)條件及特點，運用于圍巖特性參數(shù)反分析，開展了隧道周邊及拱頂位移量測，為確定最佳二次支護時機提供了依據(jù)。何暉等[9]、李寶平等[10]以實際工程為工程背景，基于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，應用MATLAB軟件，回歸分析了工程現(xiàn)場典型斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對比研究，確定了隧道二次襯砌最佳支護時機。綜上所述，基于理論分析、數(shù)值模擬和解析分析三種基本研究方法，不同學者根據(jù)實際工程又提出一些具體的研究方法和研究理論。

2.2 支護時機影響因素研究

2.2.1圍巖級別對支護時機影響

對于不同圍巖級別對支護實際影響分析，榮耀[11]根據(jù)巷道開挖過程中各類圍巖的能量釋放時間不同，找到了圍巖級別與圍巖支護時機的互相關(guān)系。圍巖級別越好則支護施作時間可越推遲，但往往不超過3 d。唐霞等[12]基于充分利用圍巖自承能力的新奧法理念，對現(xiàn)場多個Ⅳ級圍巖斷面初期支護變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出二次襯砌的最佳支護時間段。結(jié)果表明：監(jiān)測數(shù)據(jù)分析所得二襯支護時機是合理的，適當提前施作二襯支護對工程是有利的。

2.2.2不同支護結(jié)構(gòu)類型施作時機

關(guān)于不同支護結(jié)構(gòu)類型的支護時機研究，朱珍德等[13]基于流變力學的基本理論，分析了隧道采用錨桿支護下，錨桿區(qū)圍巖位移與應力隨時間變化的規(guī)律。樂茂華[14]依托某地下隧洞，做了錨桿支護、噴網(wǎng)、襯砌及格柵鋼架等不同支護結(jié)構(gòu)形式在該隧洞運用的研究。李之達,黃強等[15]以某聯(lián)拱隧道為工程背景，采用環(huán)形模筑混凝土襯砌支護，整理分析了圍巖周邊收斂和拱頂下沉的現(xiàn)場監(jiān)測資料，得出了拱頂下沉和圍巖收斂的變化規(guī)律，研究了隧道受力與二次襯砌施作最佳時機之間的關(guān)系，最后給出了隧道最佳襯砌施作時機。

2.2.3不同開挖工法支護施作時機

由于隧道因地質(zhì)環(huán)境不同，往往采用開挖方式不同。對于不同開挖工法對支護施作時機影響研究，黃水泉等[16]采用數(shù)值模擬方法，分析了不同隧道開挖工法對不同圍巖級別二襯合理支護時機的影響。董磊、宋紅艷等[17]以某公路隧道建設(shè)為背景，采用“先讓后治”的原則，補強初期支護強度并提供二次襯砌施作條件，提出雙層初期支護設(shè)計方案，并通過數(shù)值技術(shù)仿真分析三臺階七步、CRD和雙側(cè)壁導坑3種工法下拱頂沉降、水平收斂及塑性區(qū)的分布特征。結(jié)果表明：二次支護施作的最佳時機在上臺階右半幅斷面開挖前。

綜上所述，影響支護時機的因素很多：圍巖級別、支護結(jié)構(gòu)類型、隧道開挖方法等。目前往往采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析等研究手段做影響襯砌結(jié)構(gòu)支護時機的因素研究，研究成果針對性較強。

2.3 不同支護時機對圍巖穩(wěn)定性影響

圍巖對支護結(jié)構(gòu)有影響，反之支護結(jié)構(gòu)對圍巖穩(wěn)定性也有影響。任旭華等[18]以錦屏二級水電站(一期)引水隧洞工程為背景，研究了隧洞在不同滲控方案所形成的外部水環(huán)境條件下圍巖及襯砌的工作性態(tài)，不同支護時間對圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的應力及變形會產(chǎn)生不利影響。楊建平等[19]以復雜施工工藝的小凈距隧道為工程背景，做了隧道在不同荷載釋放比例下不同支護時機對圍巖穩(wěn)定性影響的相關(guān)探索。支護越早，襯砌承擔的荷載越大，圍巖的塑性變形越小。王迎超等[20]在復合式襯砌在圍巖蠕變過程中的受力規(guī)律研究中，利用有限元程序ANSYS建立計算模型，采用廣義開爾文本構(gòu)關(guān)系，分別分析了二次襯砌在不同支護時機和不同剛度下，復合式襯砌的受力規(guī)律。二次襯砌在不同支護時機施作時，其受力都先逐步增大再趨于穩(wěn)定。

綜上所述，支護時機越早則圍巖塑性變形越小，支護結(jié)構(gòu)受力越多，但最終受力達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 特殊地質(zhì)環(huán)境支護時機探究

2.4.1軟巖圍巖支護時機

通常軟巖圍巖強度較低，常常有蠕變效應，故該特殊圍巖支護時機確定往往較為復雜。辛全山等[21]以某軟巖巷道為依托，進行了最佳支護時機研究，采用位移反演方法給出了盡可能利用圍巖自承能力的二次支護系統(tǒng)最佳支護時間。李俊鵬[22]對隧道開挖過程進行模擬研究，探討圍巖應力釋放規(guī)律及軟巖支護時機。張鵬，李寧等[23]采用非靜水壓力的柱狀孔擴張與芬納理論，結(jié)合軟巖的應變軟化力學特征，推導了圓形隧洞非靜水壓力下塑性區(qū)、松動區(qū)最大半徑的求解公式，并基于實際工程經(jīng)驗建立了隧洞頂拱變形與塑性區(qū)、松動區(qū)半徑大小的關(guān)系式，提出了襯砌施作時機的收斂變形監(jiān)測判據(jù)。

2.4.2復雜地質(zhì)條件支護時機

蔣斌松等[24]采用解析方法對深埋圓形隧道應力與變形作了研究，給出了關(guān)于深埋圓形隧道破裂圍巖的變形和應力的封閉解。姚國圣等[25]針對已有彈塑性解不能描述圍巖應力隨時間發(fā)展的破壞關(guān)系，在巖體的塑性軟化特性及擴容等基礎(chǔ)上，給出了在均勻介質(zhì)中破碎巖巷道變形及應力的理論解答。汪波等[26]從隧道開挖方式及洞周應力調(diào)整角度出發(fā)，利用數(shù)值分析方法，選擇了典型施工斷面，分析并預測了計算范圍內(nèi)巖爆的狀況，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，最終確定出了不同地段時的二次襯砌最佳支護時機。綜上所述，軟巖隧道最佳支護時機確定得考慮其蠕變效應。在特殊地質(zhì)環(huán)境中最佳支護時機確定存在已有解答在該工程實際中不適用的現(xiàn)象，需要特殊問題特殊對待。

3 展望

1)目前研究方法從經(jīng)驗法到理論計算法都有其局限性。而嘗試將多種手段進行結(jié)合與比較，采集現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對比室內(nèi)試驗，結(jié)合理論計算分析，進行數(shù)值模擬來反復對襯砌施作時間進行修正可能是以后研究的重要內(nèi)容。2)隧道支護工程隱蔽性高、地域性強、地下環(huán)境復雜，最佳支護時間研究的普適性與一般性仍然有待繼續(xù)探索。不僅是理論層面，更需要更先進的測量儀器和技術(shù)手段。