軟巖大變形隧道二次襯砌施作時機分析

趙春磊

摘要：文章結合高速公路軟巖大變形隧道施工實踐，通過對隧道圍巖與初期支護監控量測數據進行擬合分析，研究隧道拱頂下沉和周邊收斂變形情況與變形速率，計算二次襯砌允許位移量，合理確定二次襯砌施作時機。

關鍵詞：隧道;軟巖;二次襯砌;變形速率;允許位移量;施作時機

0 引言

軟巖大變形隧道圍巖穩定性差，初期支護后應按規范要求進行監控量測，分析圍巖的變形情況，合理確定二次襯砌的施工時間。二次襯砌施作過早，隧道圍巖和初期支護結構變形未穩定，容易導致襯砌結構變形開裂，縮短使用壽命;二次襯砌施作過遲，可能導致初期支護結構變形無法控制，造成隧道失穩破壞。關于隧道二次襯砌施作時機，規范中做了相關規定，但施工中也要結合實際情況進行具體分析。為準確確定二次襯砌的施作時機，國內外很多專家學者做了很多研究，早期的研究主要以收斂約束法為主，逐步發展采用建模、數值仿真平臺和有限元分析，并取得了大量研究成果。二次襯砌施作時機受隧道圍巖、斷面尺寸、開挖支護方法等因素的影響，各隧道之間存在較大的差異。

本文在隧道監控量測的基礎上，收集數據繪制變形曲線，進行擬合分析，確定拱頂下沉和周邊位移的變形速率，進一步通過有限元計算，確定隧道二次襯砌的允許位移值，計算得出在隧道圍巖與初期支護結構變形穩定的情況下，拱頂下沉和邊墻周邊收斂變形速率，作為確定二次襯砌施作時機的理論依據，準確確定二次襯砌施作時間。

1 依托項目概況

某高速公路隧道圍巖等級為Ⅴ級，圍巖破碎，風化嚴重，主要為二疊系淺白色、灰白色砂巖，裂隙紋理發育，穩定性差。該隧道穿越地區山嶺陡峭，部分巖石裸露，溝壑交錯。隧道進出口位置圍巖穩定性差，有大量塊石，局部分布有巖堆。洞口附近有溝谷，雨季有地表徑流水，施工中應做好臨時排水。隧道設計采用雙向隧道，單向坡度為6%，進口高，出口低。隧道設計長度為1 043 m，進口段位于緩和曲線上。隧道路線上分布有斷層，總體走向為S44°W～EW，斷裂面產狀為69°E/72°N，破碎帶內圍巖主要為角礫，穩定性差。

2 隧道軟巖變形特征

隧道進出口地段覆蓋層薄，圍巖風化嚴重，且受季節性流水影響，圍巖為軟巖，穩定性差，施工中出現較大變形。

進口段隧道為V級圍巖，主要為碳質板巖，個別地段有少量砂巖，巖體破碎，裂隙節理發育，整體強度低，自穩能力差。施工中個別地段隧道圍巖出現撓曲變形，開挖后拱頂出現掉塊，甚至塌方現象。為了提高隧道圍巖的穩定性，有效控制圍巖和初期支護結構變形，采用三臺階預留核心土法進行開挖，開挖過程中如果仍存在變形不收斂現象，可采用三臺階臨時仰拱法進行施工。

出口段掌子面圍巖為Ⅴ級圍巖，呈灰白色，主要成分為板巖夾灰巖，巖層有撓曲現象，節理裂隙發育，巖石破碎，硬度低。掌子面開挖后滲水，局部有股狀涌水，圍巖穩定性差，處治不當容易出現坍塌。出口段采用三臺階預留核心土法進行開挖，開挖過程中如發現變形增大現象，可采用三臺階臨時仰拱法進行施工。

3 隧道二次襯砌施作時機分析確定

3.1 隧道圍巖與初期支護結構變形分析

通過布置測點，開展監控量測，對隧道拱頂下沉、周邊收斂位移進行量測，分析隧道位移與初期支護結構的變形情況。收集監測數據，繪制拱頂下沉位移隨時間分布的散點圖，并進行數據擬合，進行回歸分析。

結合隧道選定的監測斷面拱頂下沉的量測數據，繪制拱頂下沉位移隨時間變化曲線如圖1所示。選擇擬合相關系數R=0.95，進行回歸分析，得出擬合函數見式（1）：

分析圖3和圖4速率變化擬合曲線，在初期支護結構封閉初期，隧道圍巖和支護結構拱頂下沉和周邊位移變形速率較大，變形量也較大，后期變形速率逐漸變小，并逐步趨于平穩。拱頂下沉位移和周邊位移變形速率分別在初期支護結構封閉17 d和10 d后基本穩定。監控量測變形速率和變形量基本穩定，說明隧道位移和初期支護結構達到了預期的支護效果。

3.3 二次襯砌允許位移量計算

3.3.1 二次襯砌變形量計算

假定隧道二次襯砌與初期支護之間沒有空隙，緊密接觸，與初期支護結構同步變形，隧道結構無偏壓，結合圍巖與初期支護結構變形分析確定二次襯砌變形量。假定在施工時間為t時刻二次襯砌變形量ΔU是初期支護結構的最大變形量Umax與二次襯砌施工前初期支護結構與圍巖變形量u（t），即式（5）：

4 結語

本文結合隧道圍巖與初期支護監控量測結果，擬合分析隧道拱頂下沉和周邊收斂變形情況與變形速率，計算二次襯砌允許位移量，確定二次襯砌施作時機，并得出以下結論：

（1）根據拱頂下沉和邊墻周邊收斂變形速率擬合曲線，得出二者變形在初期支護結構封閉17 d和10 d后變形速率基本穩定。

（2）通過計算確定安全系數最小值，得出拱頂邊墻處的安全系數最小值分別為2.4和2.0，進而得出二次襯砌拱頂下沉允許位移值ΔUymax=1.58 mm，周邊位移允許位移值ΔUxmax=0.59 mm。

（3）通過計算得出，在隧道圍巖與初期支護結構變形穩定的情況下，拱頂下沉和邊墻周邊收斂變形速率分別為v=0.18 mm/d和v=0.12 mm/d，說明此時隧道圍巖和初期支護結構穩定，可以進行二次襯砌施作。

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