松散地層隧道支護(hù)體系的力學(xué)特性

李剛占，富志鵬，李博融，董長(zhǎng)松

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著中國(guó)交通路網(wǎng)的完善以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，復(fù)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(huì)發(fā)生變形、破壞等現(xiàn)象，導(dǎo)致初期支護(hù)結(jié)構(gòu)侵限、圍巖大變形和坍方等，嚴(yán)重影響隧道施工安全并造成重大經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。李志偉等[5]通過對(duì)大斷面黃土隧道施工中鎖腳錨管的應(yīng)用及效果檢驗(yàn)，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(hù)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(hù)體系作為圍巖加固手段，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高支護(hù)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(hù)；張頂立等[7]從隧道圍巖結(jié)構(gòu)特性和支護(hù)作用的本質(zhì)特征出發(fā)，分別通過超前支護(hù)的保障作用、初期支護(hù)的核心作用和二次襯砌的安全儲(chǔ)備作用，針對(duì)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(yīng)的超前支護(hù)方式和支護(hù)效果評(píng)價(jià)方法；李康等[8]以隧道圍巖支護(hù)體系的力學(xué)特性為切入點(diǎn)，對(duì)隧道圍巖壓力、混凝土應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)力、錨桿應(yīng)力以及圍巖地層位移等進(jìn)行系統(tǒng)全面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了支護(hù)體系各子構(gòu)件受力隨時(shí)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(yīng)力對(duì)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(gè)拱形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算，進(jìn)而設(shè)計(jì)錨桿、錨索、噴射混凝土和襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)，提出圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件化設(shè)計(jì)方法。

目前，針對(duì)隧道支護(hù)體系開展的相關(guān)研究多集中在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和支護(hù)效果評(píng)價(jià)方面，有關(guān)支護(hù)剛度、強(qiáng)度的影響特征及二次襯砌施作時(shí)機(jī)的力學(xué)特點(diǎn)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(jìn)行松散地層隧道施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究，為隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供科學(xué)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(zhǎng) 2 069 m，右線全長(zhǎng) 2 061 m，均屬長(zhǎng)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(chǎng)施工中坍塌及大變形的情況時(shí)有發(fā)生，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(xì)砂密實(shí)，漿液擴(kuò)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(hù)體系的設(shè)計(jì)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(biāo)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(xué)響應(yīng)的變化，從變化趨勢(shì)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(jìn)一步確定其合理取值范圍[15-17]。以數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析圍巖的應(yīng)力和變形情況。

2.1 計(jì)算模型

取值優(yōu)化問題的計(jì)算采用簡(jiǎn)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(jì)算模擬：沿著水平x軸方向，按照工程實(shí)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(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化模型

施工全過程仿真模擬采用精確模型，隧道縱向按實(shí)際雙洞平均長(zhǎng)度取值，約110 m，隧道地表按地形建模。計(jì)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(zhǎng)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(kù)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(shí)與球應(yīng)力和偏應(yīng)力密切相關(guān)的重要特性而在巖土工程研究中被廣泛應(yīng)用。Mohr-Coulomb模型的破壞準(zhǔn)則是張拉剪切組合準(zhǔn)則。給3個(gè)主應(yīng)力編號(hào)，假定：σ1≤σ2≤σ3，由Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則確定的點(diǎn)A到點(diǎn)B的破壞包絡(luò)線上剪切破壞應(yīng)力fs=0，即剪切破壞準(zhǔn)則

從點(diǎn)B到點(diǎn)C的破壞包絡(luò)線上張拉破壞應(yīng)力ft=0，即張拉破壞準(zhǔn)則

ft=σt-σ3=0

圖3 Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則

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

勢(shì)函數(shù)gt符合相關(guān)流動(dòng)法則，形式為gt=σ3

采用函數(shù)h(σ1,σ3)=0來給定流動(dòng)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(jì)算參數(shù)

洞內(nèi)密排短管棚支護(hù)遵循等效模擬原則，即提高圍巖剛度、強(qiáng)度。隧址區(qū)砂卵石物理力學(xué)參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定，混凝土在噴射和模筑時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)取值依相關(guān)規(guī)定確定，如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 初期支護(hù)剛度分析

砂卵石地層開挖后必須立即施作初期支護(hù)，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(hù)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(duì)比分析初期支護(hù)的受力和變形情況。

取值合理性問題的計(jì)算模擬過程均作簡(jiǎn)化處理，按臺(tái)階法施工流程分部開挖至上臺(tái)階掌子面，開挖進(jìn)尺取2 m，采集變形和受力要素進(jìn)行分析[18-19]。簡(jiǎn)化模型與實(shí)際力學(xué)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(hù)內(nèi)力

砂卵石隧道初期支護(hù)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(hù)除封擋漏砂外，也承擔(dān)了大量圍巖荷載，因超前支護(hù)施作于開挖之前，基本上拱部原位應(yīng)力將全部作用于短管棚，施作初期支護(hù)后，短管棚與其共同承受圍巖壓力，應(yīng)力釋放的過程很短，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受的壓力和初期支護(hù)的內(nèi)力均較大。

初期支護(hù)彎矩隨埋深的變化如圖4所示，隨著埋深增大，初期支護(hù)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(fù)彎矩發(fā)展的趨勢(shì)。埋深超過25 m時(shí)，仰拱拱腳處彎矩超過200 kN·m，量值較大，承載需求對(duì)初期支護(hù)剛度和強(qiáng)度要求較高；埋深超過50 m時(shí)，拱肩處彎矩達(dá)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(shì)。埋深較大的砂卵石隧道，其初期支護(hù)的拱肩部位成為強(qiáng)度破壞的控制部位。

圖5 初期支護(hù)軸力

圖6 初期支護(hù)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(hù)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(shí)拱部軸力達(dá)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(hù)變形隨埋深變化關(guān)系

3.2 初期支護(hù)變形

初期支護(hù)變形隨埋深的變化趨勢(shì)如圖7所示。沉降隨埋深增加基本呈線性增大，埋深50 m時(shí)拱頂沉降達(dá)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(hù)取值范圍

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分別計(jì)算不同埋深情況下的初期支護(hù)安全系數(shù)。參照《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)推薦的內(nèi)力校核方法，初期支護(hù)鋼拱架與噴射混凝土內(nèi)力分擔(dān)原則為：鋼拱架與噴射混凝土承受軸力，鋼拱架獨(dú)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(jì)算截面的軸力以及彎矩

噴射混凝土截面壓應(yīng)力應(yīng)滿足

KhyNh≤αRhyAh

鋼拱架壓應(yīng)力應(yīng)滿足

鋼拱架拉應(yīng)力應(yīng)滿足

式中：N、M分別為單位長(zhǎng)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(dān)的軸力(kN)；Khy為噴射混凝土強(qiáng)度系數(shù)；Kg為鋼拱架的抗壓極限強(qiáng)度安全系數(shù)；Ah、Ag分別為噴射混凝土及鋼拱架計(jì)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(jì)算截面厚度(m)。

由以上公式驗(yàn)算得出：砂卵石隧道埋深小于35 m時(shí)，初期支護(hù)拱架型號(hào)不應(yīng)低于I22b，噴射混凝土厚度可取28 cm，拱架間距不應(yīng)大于0.5 m，能夠滿足支護(hù)強(qiáng)度的需求；埋深大于35 m、小于50 m時(shí)，初期支護(hù)拱架型號(hào)不應(yīng)低于I25b，噴射混凝土厚度可取32 cm，拱架間距不應(yīng)大于0.5 m，基本能夠滿足支護(hù)強(qiáng)度的需求；埋深大于50 m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)，確定隧道支護(hù)方案及參數(shù)。

4 二次襯砌施作時(shí)機(jī)分析

由于松散砂卵石圍巖的特殊性，其二襯時(shí)機(jī)的把握較為復(fù)雜。二次襯砌較早，可有效預(yù)防和減少拱頂沉降，但即使進(jìn)行了加強(qiáng)配筋，二襯仍然需要承受較大荷載，在控制其變形的同時(shí)混凝土也極易開裂。可見，二次襯砌施作時(shí)間的把握需要充分考慮變形和荷載2個(gè)方面。通過計(jì)算分析確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)，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(hù)沉降

二襯落后于下臺(tái)階掌子面的距離影響著拱頂沉降最大值。如圖8所示:當(dāng)二次襯砌落后距離小于6 m，拱頂沉降速率??；然而落后距離超過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(jìn)時(shí)機(jī)的關(guān)系

圖9 二襯主應(yīng)力與二襯跟進(jìn)時(shí)機(jī)關(guān)系

4.2 二次襯砌應(yīng)力

二襯主應(yīng)力與二襯跟進(jìn)時(shí)機(jī)的關(guān)系如圖9所示。二襯落后距離逐漸達(dá)到6 m時(shí)，襯砌主應(yīng)力量值減小幅度明顯，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)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(yīng)力量值變化穩(wěn)定?？梢?，二次襯砌落后距離變大，襯砌主應(yīng)力減小。

4.3 二次襯砌施作時(shí)機(jī)的確定

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

圖10 二次襯砌跟進(jìn)時(shí)機(jī)綜合比選

5 結(jié) 語

高速公路隧道常穿越復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，因而產(chǎn)生一些隧道災(zāi)害，如圍巖大變形、塌方等。不合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)是導(dǎo)致這些災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，因此對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)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(jì)算以及基于荷載結(jié)構(gòu)理論的支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算等研究方法，對(duì)松散砂卵石隧道在施工過程中的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及二次襯砌施作時(shí)機(jī)等進(jìn)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(hù)剛度及強(qiáng)度的影響特征，提出砂卵石隧道初期支護(hù)參數(shù)建議：埋深小于35 m時(shí)，初期支護(hù)拱架型號(hào)不應(yīng)低于I22b，噴射混凝土厚度可取28 cm，拱架間距不應(yīng)大于0.5 m，能夠滿足支護(hù)強(qiáng)度的需求；埋深大于35 m、小于50 m時(shí)，初期支護(hù)拱架型號(hào)不應(yīng)低于I25b，噴射混凝土厚度可取32 cm，拱架間距不應(yīng)大于0.5 m，基本能夠滿足支護(hù)強(qiáng)度的需求；埋深大于50 m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)，確定隧道支護(hù)方案及參數(shù)。

(2)研究了二次襯砌施作時(shí)機(jī)的力學(xué)影響特點(diǎn)，明確了拱頂沉降和主應(yīng)力變化速率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為二次襯砌落后下臺(tái)階6 m，距離大于6 m會(huì)造成沉降過大，而距離小于6 m則會(huì)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(hù)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(jìn)一步對(duì)松散地層隧道施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為進(jìn)行分析。