复杂地质条件下公路隧道二次衬砌支护时机仿真研究

复杂地质条件下公路隧道二次衬砌支护时机仿真研究

王永辉查彦宇

关键词：二次衬砌；软岩隧道；支护时机；数值模拟

中图分类号：U231+.3文献标识码：B

1引言

近年来，我国隧道的建设规模越发壮大，其中，软岩隧道的建设比例也逐渐增加，在建设过程中也逐渐暴露出了各种各样的问题，比如支护结构参数选择难、支护施作时机确定难等，为工程带来了施工安全风险，还增加了工程建设成本，因此正确确定合理的支护施作时机，对隧道施工的安全性和经济性都具有重要影响[1,2]。

2工程概况

小坝田隧道地处贵州省六盘水市，为单洞隧道，长440m，双向两车道。场址地质环境复杂,岩体破碎严重，节理、裂隙发育，其内由泥沙填充，每年5月到9月为雨季，不考虑地下水影响。全线隧道围岩可划分为Ⅳ、Ⅴ两种围岩级别。

洞身采用复合式衬砌支护结构设计。本文在原初期支护结构设计不变的基础上，针对具有代表性的Ⅴ级围岩进行有限元数值模拟，最终确定理论上的二次衬砌最佳支护时机。

隧道内轮廓设计参数如表1。

3有限元数值模拟确定隧道支护时机

3.1材料参数

隧道设计参数见表2。

建立模型所需各材料参数见下表3。

3.2计算模型的网格建立与划分

本文选择Ⅴ级围岩K26+920～K26+970施工段进行数值模拟分析，该段埋深50m左右。有限元计算模型相关尺寸和参数为：以隧道拱部圆弧对应圆心为坐标原点，岩体自重方向为Z轴负方向，上部取至地表，下部取至-30m，X方向为垂直隧洞边墙方向，向右为正，左右各取35m。计算所施加的边界支撑条件是：地表为自由边界；左右边界均受到X轴方向的位移约束，模型的底部边界受到Z轴方向的位移约束。初始条件：初始应力场由自重产生。采用上下台阶法开挖，单个开挖步为2m，每完成一个开挖步，即时施加初衬，然后依次进行，模型如图3.1[4]。

3.3模拟结果分析

图3.4模拟隧道拱顶沉降累计变形曲线图

由图3.4可以看出，开挖初始阶段，拱顶下沉速率较大，随着开挖步的进行，下沉速率逐渐趋缓，直至第15开挖步时，拱顶下沉基本停止，拱顶围岩基本稳定，由图上看出，拱顶的累计下沉值稳定在6.0mm的水平。这就说明自第15开挖步开始，隧道上方土压力与初期支护支撑力到达平衡[5]，根据相关理论可以得出第15开挖步后即可施作二次衬砌，但需要注意的是，二次衬砌的施作开始时间不可无限制延长，应越早实施越好。根据规定的开挖速率，每日一个开挖步，每步2m，故距掌子面第15个工作日或者距掌子面30m的断面可以开始二次衬砌的施作。

图3.5模拟隧道各开挖步周边收敛云图

由图3.6可以看出，隧道周边收敛变形展现出了相似规律，即在第15开挖步之前，周边收敛速率较大，但总体上呈减缓趋势，第15开挖步之后，周边收敛速率基本趋于零，周边累计收敛值也基本保持恒定，由图可看出，周边累计收敛值稳定在5.8mm的水平。这就说明自第15开挖步开始，隧道周边土压力与初期支护支撑力到达平衡，得出本隧道二次衬砌最佳施作时间段为第15开挖步以后，根据规定的开挖速率，每日一个开挖步，每步2m，可以得出本隧道二次衬砌最佳施作时机为：距掌子面第15个工作日或者距掌子面30m的断面可以开始二次衬砌的施作。

4结语

(1)数值模拟的结果基本符合客观的变形规律，因此说明此种数值模拟方法具有一定的科学性和合理性，得出的数值模拟结果具有较高的可信度。

（2）小坝田隧道在设定的支护结构设计方案下，二次衬砌的合理支护时机为：隧道开挖15天后到20天前适合进行二次衬砌的铺设，隧道开挖速率大约为2m/d，换算为开挖进程后为，距掌子面距离为30～40m处的隧道开挖段可以进行二次衬砌的铺设。

（3）数值模拟方法虽然经济简单，但也存在很大缺点，其模拟的结果与隧道施工中的实际情况存在一定的出入，比如在隧道实际施工过程中，围岩变形稳定后，如果不及时施作二次衬砌，有可能出现隧道坍塌现象，但数值模拟却不会表现出这种现象，在围岩变形稳定后，会一直延续其稳定的状态，数值模拟只能给出施作二次衬砌的最佳开始时间，而不能给出截止时间。因此，数值模拟方法只可作为一种辅助手段，具体的二次衬砌支护时间还应以现场量测得出的结果为准。

参考文献

[1]林勇.隧道支护与围岩自承问题的讨论.公路隧道，2000，(3)：7–12.

[2]朱汉华,孙红月,杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术[M].北京:科学出版社,2007:16-21.

[3]中华人民共和国交通部．JTGD70—2004，公路隧道设计规范．北京：人民交通出版社，2004.

[4]北京迈达斯公司.MIDAS/GTS正版说明书,2006.

[5]刘砥时,方建勤.弹塑性解析法确定隧道二衬合理支护时机的应用研究.公路,2009.12：186-188.