擠壓大變形軟巖隧道雙層初期支護(hù)最優(yōu)施工方案研究*

袁 剛,徐金峰,李守仁,謝雄耀,嚴(yán)紹明,王安民

(1.云南臨云高速公路有限公司,云南 臨滄 675800;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092;3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650041)

0 引言

擠壓性軟巖大變形問(wèn)題是隧道工程界的一大難題,常見(jiàn)的軟巖一般都具有抗剪強(qiáng)度低、高地應(yīng)力、遇水易軟化分解等特性,隧道開(kāi)挖后易產(chǎn)生過(guò)大變形,導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形侵限、襯砌開(kāi)裂、鋼拱架扭曲等一系列工程問(wèn)題［1-4］。為了控制這類(lèi)擠壓大變形問(wèn)題,雙層初期支護(hù)不失為一種合理有效的手段。但是一昧提高初期支護(hù)剛度來(lái)限制圍巖的變形有時(shí)并不能達(dá)到理想效果,“邊支邊讓”的設(shè)計(jì)理念［1］也可用于雙層初期支護(hù)中,但雙層初期支護(hù)厚度分配與第2層初期支護(hù)時(shí)機(jī)等相關(guān)問(wèn)題仍需要進(jìn)一步研究［5-6］。謝金池等［7］、馬棟等［8］對(duì)軟弱圍巖開(kāi)挖中出現(xiàn)的掌子面剝落、坍塌頻繁與變形收斂問(wèn)題難以抑制等災(zāi)害提出了雙層初期支護(hù)方案,研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大隧道高跨比與預(yù)留足夠的第1層初期支護(hù)變形量可以有效降低圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。Liu［9］、Chen等［10］針對(duì)雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)力學(xué)性能采用能量轉(zhuǎn)化理論,提出了雙層初期支護(hù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工的方式,通過(guò)監(jiān)測(cè)第1層初期支護(hù)的變形量和變形速率及時(shí)施作第2層初期支護(hù),保障隧道安全掘進(jìn)。鄒昌磊［11］、孫啟博［12］、韓常領(lǐng)等［13］對(duì)雙層支護(hù)的作用機(jī)理與第2層支護(hù)的施作時(shí)間進(jìn)行了分析,并對(duì)比了軟巖隧道在不同雙層支護(hù)方案下的變形控制效果。Xu等［14］對(duì)軟弱巖層隧道開(kāi)挖時(shí)襯砌受力不均勻進(jìn)行了系統(tǒng)分析并提出了一種二次襯砌與讓壓支護(hù)結(jié)合的新型支護(hù)方式。文章通過(guò)相似模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方式分析襯砌在不同傾角下的內(nèi)力與屈服機(jī)理。姚正源［15］、胡九林等［16］考慮蠕變損傷模型對(duì)深埋破碎千枚巖隧道開(kāi)挖掘進(jìn)的影響并進(jìn)行數(shù)值模擬,分析得出采用雙層初期支護(hù)使得圍巖自承能力得到提高,圍巖蠕變性能降低。

縱觀上述學(xué)者對(duì)于雙層支護(hù)的研究,雙層初期支護(hù)第2層初期支護(hù)的施作大都采用整環(huán)澆筑,一次封閉,而實(shí)際工程中第1層初期支護(hù)封閉成環(huán)往往需要6～7個(gè)循環(huán)［17-19］。由于擠壓大變形隧道第1層初期支護(hù)不同位置變形量不同,且無(wú)法確定變形量大小,采用整環(huán)澆筑方法時(shí)須等到仰拱開(kāi)挖結(jié)束后才可施作,第2層初期支護(hù)施作滯后時(shí)間過(guò)長(zhǎng),第2層初期支護(hù)與第1層初期支護(hù)中會(huì)出現(xiàn)很多空隙,導(dǎo)致雙層初期支護(hù)不易形成整體受力結(jié)構(gòu)。此外第1層初期支護(hù)變形過(guò)大,第2層初期支護(hù)預(yù)留變形量不足,也會(huì)導(dǎo)致第2層初期支護(hù)施作困難。所以在大變形隧道第2層初期支護(hù)不宜滯后第1層初期支護(hù)太長(zhǎng),宜與第1層初期支護(hù)同臺(tái)階分步施作。為了更好地指導(dǎo)擠壓性軟巖大變形隧道的施工,本文依托臨云高速公路大亮山隧道現(xiàn)場(chǎng)施工中單層初期支護(hù)剛度不足造成的鋼拱架扭曲、噴射混凝土開(kāi)裂剝落和初期支護(hù)侵限等問(wèn)題提出雙層初期支護(hù)方案,并利用FLAC3D數(shù)值計(jì)算對(duì)第2層初期支護(hù)的施作方式與時(shí)機(jī)以及雙層初期支護(hù)內(nèi)外2層厚度分配進(jìn)行分析研究,以期保障大變形隧道的施工安全并為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

云南省臨云高速公路大亮山隧道全長(zhǎng)10 210m,因隧道區(qū)間地形復(fù)雜,設(shè)計(jì)采用分離式施工。隧道出入口附近均有斷層破碎帶,受斷層作用影響,隧道區(qū)內(nèi)巖體節(jié)理裂隙區(qū)發(fā)育異常,巖體極易破碎,巖芯多呈碎屑狀、土柱狀,圍巖穩(wěn)定性較差。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)超前水平鉆孔,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖裸露圍巖顯示,圍巖為強(qiáng)～全風(fēng)化變質(zhì)片巖,呈粉狀、軟弱,灰白色、黑色交替,有大量黏土填充,夾層發(fā)育密集。此外,隧道區(qū)間地表水體充沛,地下水主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水,主要受地層巖性構(gòu)造裂隙分布變化和巖層風(fēng)化構(gòu)造裂隙群帶邊緣發(fā)育疏密程度的雙重條件控制。隧道在斷層破碎帶、高地應(yīng)力等影響下在ZK20+080和YK20+110處開(kāi)始發(fā)生擠壓大變形,地質(zhì)構(gòu)造特征產(chǎn)狀如圖1所示,從開(kāi)挖揭露產(chǎn)狀可以看出,斷層破碎帶與隧道開(kāi)挖方向呈現(xiàn)約30°的斜交。

圖1 隧道巖層地質(zhì)產(chǎn)狀Fig.1 Geological occurrence of tunnel strata

1.2 隧道病害情況

受斷層破碎帶及高地應(yīng)力影響,大亮山隧道開(kāi)挖過(guò)程中大變形問(wèn)題突出。施工過(guò)程中出現(xiàn)的初期支護(hù)變形侵限、鋼拱架扭曲和噴射混凝土開(kāi)裂剝落等病害現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。隧道出口左幅未封閉成環(huán)段ZK20+035段拱頂及拱肩豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。由于圍巖應(yīng)力釋放迅速,預(yù)留量為800mm,拱頂下沉最大已達(dá)到1 268mm,上臺(tái)階收斂變形也達(dá)到755mm,單日變形速率最大為178mm。過(guò)大的圍巖變形導(dǎo)致上中臺(tái)階拱架出現(xiàn)大范圍扭曲折彎,噴射混凝土出現(xiàn)大范圍開(kāi)裂,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)大面積侵限。

圖2 隧道病害情況Fig.2 Tunnel disease situation

圖3 ZK20+035段變形監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.3 Monitoring results of ZK20+035

現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)拱頂沉降與上臺(tái)階水平收斂變形結(jié)果如圖3所示,Ⅰ區(qū)域?yàn)樯吓_(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖的快速變形階段,由于圍巖性質(zhì)軟弱,支護(hù)強(qiáng)度不足,圍巖變形迅速;Ⅱ區(qū)域?yàn)橹信_(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖變形情況,此時(shí)隨著開(kāi)挖范圍擴(kuò)大,圍巖應(yīng)力進(jìn)一步釋放,洞周位移也進(jìn)一步增加;Ⅲ區(qū)域?yàn)橄屡_(tái)階與仰拱開(kāi)挖支護(hù)后圍巖變形階段,該階段隨著仰拱的封閉成環(huán),初期支護(hù)整體剛度提高,圍巖變形速率逐漸降低;Ⅳ區(qū)域?yàn)槎r封閉成環(huán)后圍巖變形收斂階段,二襯澆筑后圍巖仍緩慢變形,并最終導(dǎo)致二襯開(kāi)裂。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明單層初期支護(hù)難以控制高地應(yīng)力隧道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖變形,變更設(shè)計(jì)后采用雙層初期支護(hù)控制高地應(yīng)力大變形段。然而,內(nèi)外層初期支護(hù)不同厚度對(duì)支護(hù)效果的影響不明,第2層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)的不確定也給施工帶來(lái)了巨大的難題。為此,開(kāi)展雙層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)及內(nèi)外兩層支護(hù)厚度比對(duì)支護(hù)效果的影響研究,以期得到雙層初期支護(hù)最優(yōu)化施工方案,保障隧道順利安全掘進(jìn)。

2 擠壓大變形隧道雙層初期支護(hù)時(shí)機(jī)數(shù)值模型

2.1 隧道雙層支護(hù)三維數(shù)值開(kāi)挖模型建立

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)三臺(tái)階開(kāi)挖施工和初期支護(hù)施作次序,數(shù)值模擬采用三臺(tái)階開(kāi)挖,其中上、中、下臺(tái)階長(zhǎng)度均為6m,下臺(tái)階和仰拱一次開(kāi)挖成型,開(kāi)挖進(jìn)尺為1.5m。二襯厚度為0.6m,滯后第2層初期支護(hù)10m開(kāi)始施作。影響雙層支護(hù)效果的主要因素是支護(hù)厚度與支護(hù)時(shí)機(jī),采用控制變量法,共設(shè)計(jì)9種工況。當(dāng)以支護(hù)時(shí)機(jī)為變量時(shí),第2層初期支護(hù)與第1層初期支護(hù)施工方法相同,采用分臺(tái)階施工,分別滯后第1層初期支護(hù)0,2,4個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺施作第2層初期支護(hù)。當(dāng)以?xún)蓪映跗谥ёo(hù)厚度比為變量時(shí),改變第1層初期支護(hù)和第2層初期支護(hù)的厚度,控制初期支護(hù)厚度為0.5m不變,第1層初期支護(hù)厚度與第2層初期支護(hù)厚度比值分別為0.9,1.0,1.1。數(shù)值模擬工況匯總?cè)绫?所示。

表1 數(shù)值模擬工況設(shè)計(jì)Table 1 Working condition design of numerical simulation

根據(jù)表1設(shè)置的第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺如圖5所示。

圖5 第2層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)隧道模型Fig.5 Tunnel model with different supporting footage

2.2 材料參數(shù)

數(shù)值模擬中圍巖參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖情況取值,為便于模型建立,將噴射混凝土與鋼拱架根據(jù)等效剛度原理進(jìn)行計(jì)算,等效原則根據(jù)式(1)計(jì)算：

E=(EcAc+EsAs)/A

(1)

式中：E為折算后的初期支護(hù)彈性模量;Ec為噴射混凝土的彈性模量;Es為工字鋼的彈性模量;As為工字鋼的截面面積;Ac為單位寬度上噴射混凝土截面面積。第2層初期支護(hù)的厚度分別取為第1層初期支護(hù)厚度的0.9,1.0,1.1倍。相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬材料參數(shù)Table 2 Material parameters of numerical simulation

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括圍巖變形、塑性區(qū)半徑以及雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力,為消除邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響,取隧道中部斷面Y=40m作為監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位如圖6所示,共包含4個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),8個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中W1～W4為圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),C1～C4為第1層初期支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),N1～N4為第2層初期支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意Fig.6 The monitoring sites

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,提取監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降值、仰拱隆起值、水平收斂值以及初期支護(hù)最小主應(yīng)力,將外層初期支護(hù)最小主應(yīng)力除以?xún)?nèi)層初期支護(hù)最小主應(yīng)力定義為最小主應(yīng)力比,匯總?cè)绫?所示。

表3 數(shù)值模擬各工況監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 3 The monitoring results of the numerical simulation

3.1 第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺與雙層初期支護(hù)厚度比對(duì)支護(hù)效果的影響

3.1.1支護(hù)時(shí)機(jī)及支護(hù)厚度比對(duì)變形的影響

Intelligent Scheduling Optimization of Yard Crane in Container Terminal Based on Genetic Algorithm

為分析第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺與雙層初期支護(hù)厚度比對(duì)支護(hù)效果的綜合影響,將表3各工況的數(shù)值模擬結(jié)果提取并繪制第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺-雙層初期支護(hù)厚度比-變形三維曲面圖,如圖7所示。其中x軸與y軸分別為第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺和雙層初期支護(hù)厚度比,z軸分別為拱頂沉降值、水平收斂值。

圖7 滯后進(jìn)尺-厚度比-變形三維曲面Fig.7 3D surface of lag footage-thickness ratio-deformation

從圖7a與圖7b可以看出,隨著第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺的增加,隧道斷面拱頂沉降與水平收斂值均呈上升趨勢(shì);當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺固定時(shí),隨著第1層初期支護(hù)與第2層初期支護(hù)厚度比的提高,隧道斷面拱頂沉降與水平收斂值均呈下降趨勢(shì)。工況7(滯后4個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺、厚度比0.9)與工況3(滯后0個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺、厚度比1.1)相比拱頂沉降值與水平收斂值分別提高了63.8%,22.8%,及時(shí)施作第2層初期支護(hù)與提高第1層初期支護(hù)的厚度均可以有效控制圍巖的變形收斂。

隧道變形-開(kāi)挖時(shí)步曲線(xiàn)如圖8所示。由圖8可知,在開(kāi)挖至目標(biāo)斷面之前,各工況均發(fā)生一定的超前變形,此時(shí)拱頂沉降值均超過(guò)了最終變形量的20%,圍巖性質(zhì)軟弱。隨著掌子面開(kāi)挖,圍巖迅速變形,下臺(tái)階開(kāi)挖并施作仰拱后隧道變形收斂趨于穩(wěn)定。當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)與第1層初期支護(hù)同時(shí)施作時(shí),改變雙層初期支護(hù)厚度比對(duì)隧道拱頂沉降及仰拱隆起影響較大,其中厚度比為1.1與厚度比為1.0相比,拱頂沉降與仰拱隆起值各減少了16%,16.5%;此時(shí)隧道水平收斂受厚度比的影響較小。當(dāng)雙層初期支護(hù)厚度比為0.9時(shí),改變滯后進(jìn)尺對(duì)隧道豎向變形及水平收斂均有較大影響。通過(guò)對(duì)豎向變形及水平收斂曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比,水平收斂稍滯后于拱頂沉降,仰拱隆起變形也滯后于水平收斂變形,這是因?yàn)椴捎昧巳_(tái)階開(kāi)挖法,圍巖受到未開(kāi)挖土體的約束作用。

圖8 隧道變形-開(kāi)挖時(shí)步曲線(xiàn)Fig.8 Curve of tunnel deformation-excavation step

綜上,適當(dāng)降低第1層初期支護(hù)厚度與增大第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺可以充分釋放圍巖的變形壓力。

3.1.2支護(hù)時(shí)機(jī)及支護(hù)厚度比對(duì)塑性區(qū)的影響

隧道開(kāi)挖完畢后,提取各工況監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū),如圖9所示。圖9中None區(qū)域?yàn)槲催M(jìn)入塑性區(qū)的土體,shear-n區(qū)域?yàn)楫?dāng)前處于剪切破壞狀態(tài),shear-p區(qū)域?yàn)檫^(guò)去曾發(fā)生剪切破壞,shear-p與shear-n均表示巖土體已進(jìn)入塑性狀態(tài)。對(duì)比圖9a～9c可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)與第1層初期支護(hù)同時(shí)施作時(shí),提高第1層初期支護(hù)厚度,隧道拱腰、拱腳處的塑性區(qū)半徑均有所減小,這是因?yàn)檫m當(dāng)提高第1層初期支護(hù)厚度可以有效控制圍巖的早期變形,抑制塑性區(qū)的發(fā)展。對(duì)比圖9a與9d,當(dāng)控制初期支護(hù)厚度比不變時(shí),改變第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺對(duì)隧道的塑性區(qū)發(fā)展影響較大。當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)施作滯后第1層初期支護(hù)4個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺時(shí),隧道貫通后拱肩塑性區(qū)仍然在繼續(xù)發(fā)展,隧道仍未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),隧道的安全系數(shù)較低。

圖9 監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)Fig.9 Plastic area of monitoring section

3.1.3支護(hù)時(shí)機(jī)及支護(hù)厚度比對(duì)支護(hù)內(nèi)力的影響

如圖10所示,當(dāng)滯后0個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺,即雙層初期支護(hù)同時(shí)施作時(shí),第1層與第1層初期支護(hù)同時(shí)抵抗圍巖的壓力,兩者拱頂最小主應(yīng)力之比接近于1。隨著第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺的增加與第1層初期支護(hù)厚度的提高,第1層初期支護(hù)承擔(dān)的內(nèi)力逐漸提高,當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)施作滯后4個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺、雙層初期支護(hù)厚度比為1.1時(shí),初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖钚≈鲬?yīng)力比達(dá)到6.94?？梢灶A(yù)見(jiàn),當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)滯后第1層初期支護(hù)開(kāi)挖進(jìn)尺進(jìn)一步增大與第1層初期支護(hù)厚度持續(xù)下降時(shí),第1層初期支護(hù)將難以抵抗過(guò)大的圍巖壓力直至屈服,此時(shí)圍巖壓力將主要由第2層初期支護(hù)承擔(dān)。

圖10 滯后進(jìn)尺-厚度比-應(yīng)力比三維曲面Fig.10 3D surface of lag footage-thickness ratio-stress ratio

為了更直觀對(duì)比各工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配,將上述9種工況的雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂最小主應(yīng)力進(jìn)行提取,如圖11所示。

圖11 雙層初期支護(hù)最小主應(yīng)力比(拱頂)Fig. 11 Minimum main stress ratio of double support (vault)

從圖11可以看出,隨著第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺不斷增加,第1層初期支護(hù)所承擔(dān)的內(nèi)力相應(yīng)提高,第2層初期支護(hù)承擔(dān)的內(nèi)力也逐漸下降。當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)與第1層初期支護(hù)同時(shí)施作時(shí)(工況1～3),第1層初期支護(hù)的內(nèi)力較小,但是第2層初期支護(hù)所承擔(dān)的內(nèi)力過(guò)大,此時(shí)圍巖的應(yīng)力沒(méi)有得到充分釋放,雙層初期支護(hù)的總應(yīng)力也最大;該種支護(hù)形式雖然對(duì)圍巖的變形控制作用最強(qiáng),但是此時(shí)的荷載分配形式最差,支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性與冗余度過(guò)低,難以應(yīng)對(duì)各種突發(fā)災(zāi)害。當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)滯后2個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺(工況4～6)或滯后4個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺(工況7～9)時(shí),第1層初期支護(hù)的應(yīng)力相較于滯后0個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺的工況有所提高,但雙層初期支護(hù)的總應(yīng)力明顯減少。此時(shí)第1層初期支護(hù)主要承擔(dān)圍巖變形釋放的壓力,第2層初期支護(hù)的施作主要作用為加快圍巖的變形收斂并提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外,對(duì)比工況4～6可以發(fā)現(xiàn),隨著雙層初期支護(hù)厚度比的提高,第1層初期支護(hù)所承擔(dān)的應(yīng)力也有所上升,但對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小,雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力主要受第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺的影響。

3.2 最優(yōu)化雙層初期支護(hù)施工方案

從上節(jié)分析可知,第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺過(guò)小固然可以減小隧道的變形收斂,但這樣施作時(shí)雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力之和也最大,結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備過(guò)低;滯后進(jìn)尺過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致第1層初期支護(hù)進(jìn)入屈服階段,隧道變形難以控制。雙層初期支護(hù)厚度比也反映了相似的規(guī)律,提高第1層初期支護(hù)厚度可以控制圍巖的早期變形,但是圍巖應(yīng)力得不到充分釋放,支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載分配較差。

綜合考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配、圍巖變形收斂與塑性區(qū)半徑,選取工況4(滯后2個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺,厚度比為0.9)、工況5(滯后2個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺,厚度比為1.0)與工況8(滯后4個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺、厚度比為1.0)3組進(jìn)行對(duì)比分析。開(kāi)挖面為40m時(shí)拱頂沉降曲線(xiàn)如圖12所示,監(jiān)測(cè)斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比如表4所示。

表4 監(jiān)測(cè)斷面荷載分擔(dān)百分比Table 4 Share of load percentage of monitoring section

圖12 拱頂沉降曲線(xiàn)Fig.12 Settlement curve of the vault

從圖12可以看出,當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)滯后2個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺、初期支護(hù)厚度比為0.9時(shí),開(kāi)挖之前拱頂已經(jīng)發(fā)生了7.8cm的沉降,達(dá)到了整體沉降的29%,圍巖性質(zhì)軟弱,最終總沉降值為26.5cm。當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)滯后2個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺、初期支護(hù)厚度比為1.0時(shí),圍巖的開(kāi)挖前變形為5.9cm,最終沉降為24.9cm,均為3種工況中的最小值,此時(shí),較大的第1層初期支護(hù)厚度有效控制了圍巖的變形松動(dòng),隨著第2層初期支護(hù)的及時(shí)施作,加快了圍巖最終的收斂變形。當(dāng)滯后4個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺、初期支護(hù)厚度比為1.0時(shí),開(kāi)挖前拱頂沉降約占總沉降的19%,超前變形主要取決于第1層初期支護(hù)的厚度;第2層初期支護(hù)由于施作時(shí)間滯后較多,圍巖變形松動(dòng)未得到有效控制,最終拱頂沉降量達(dá)到30.6cm。此外,從表4可以發(fā)現(xiàn),拱頂處第1層初期支護(hù)承擔(dān)的內(nèi)力相較于隧道其余位置較大,襯砌施作后應(yīng)著重關(guān)注拱頂處的位移變化。工況4、工況5與工況8的外層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂所承擔(dān)的應(yīng)力分別為79.2%,83.5%與87.4%,此時(shí),雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂最小主應(yīng)力分別為136.5,135.7MPa與147.8MPa。3種工況下雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力形式相似,外層初期支護(hù)均承擔(dān)了絕大多數(shù)圍巖的擠壓應(yīng)力,第2層初期支護(hù)均起到加快圍巖變形收斂、提高安全儲(chǔ)備的作用。

綜上所述,采用雙層初期支護(hù)厚度比為1.0,第2層初期支護(hù)滯后第1層初期支護(hù)2個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺的雙層初期支護(hù)方案不僅能充分釋放圍巖的壓力,在第2層初期支護(hù)施作后也能提供足夠剛度,促進(jìn)圍巖的變形收斂。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大亮山隧道高地應(yīng)力狀態(tài)下的軟巖大變形隧道雙層初期支護(hù)厚度比與內(nèi)側(cè)初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)進(jìn)行了隧道開(kāi)挖三維數(shù)值模擬,分析了不同工況下圍巖的變形收斂、塑性區(qū)半徑和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)等力學(xué)特性參數(shù),得到以下結(jié)論。

1)隧道拱頂沉降值、仰拱隆起值、水平收斂值與塑性區(qū)半徑隨第2層初期支護(hù)滯后進(jìn)尺的增大呈上升趨勢(shì),第1層初期支護(hù)應(yīng)力也逐漸增大直至進(jìn)入屈服階段。第1層初期支護(hù)厚度越大,對(duì)圍巖的早期變形控制作用越強(qiáng),圍巖應(yīng)力釋放不充分,隧道變形收斂速率較慢。

2) 綜合考慮初期支護(hù)厚度比與滯后進(jìn)尺對(duì)隧道變形收斂的影響,當(dāng)?shù)?層初期支護(hù)厚度較小時(shí),滯后進(jìn)尺為控制圍巖變形收斂的主要因素;滯后進(jìn)尺較大時(shí),雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度比為控制圍巖變形收斂的主要因素,支護(hù)方案的設(shè)計(jì)需結(jié)合不同因素對(duì)隧道收斂變形的影響。

3)依據(jù)臺(tái)階法開(kāi)挖下隧道雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,采用雙層初期支護(hù)厚度比為1.0、內(nèi)側(cè)初期支護(hù)滯后2個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺的支護(hù)方案最佳。此時(shí)“邊支邊讓、先柔后剛”的支護(hù)理念既可以充分釋放圍巖壓力,雙層初期支護(hù)也能加快圍巖的收斂變形。

4)擠壓性軟巖大變形隧道現(xiàn)場(chǎng)易出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)變形、圍巖壓力分布極其不均等地質(zhì)變化情況,需有針對(duì)性地打設(shè)長(zhǎng)錨桿或錨索、使用新型讓壓支護(hù)等手段,使得圍巖壓力分布更加均勻。本研究未能全面涵蓋,限于篇幅,研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)將探索隧道非對(duì)稱(chēng)大變形的最優(yōu)支護(hù)控制技術(shù)。

本文主要針對(duì)隧道擠壓大變形區(qū)段雙層支護(hù)方案的支護(hù)施作時(shí)機(jī)和支護(hù)厚度比開(kāi)展了數(shù)值研究,然而,隧道現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件復(fù)雜多變,對(duì)于隧道大變形段支護(hù)方案可以在本文的研究基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)際,增設(shè)錨桿或錨索、大鎖腳和加深仰拱等,也可局部采用讓壓支護(hù),共同形成耦合支護(hù)控制技術(shù)方案,以提高圍巖的穩(wěn)定性,同時(shí)施工方案也應(yīng)根據(jù)隧道變形情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋調(diào)整,方可控制隧道大變形問(wèn)題。