張灣隧道襯砌合理施作時(shí)機(jī)研究

摘要：施作襯砌的時(shí)間，對(duì)隧道工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和施工安全性有較大影響。當(dāng)前多通過(guò)監(jiān)測(cè)的實(shí)際變形和極限位移來(lái)分析圍巖是否穩(wěn)定，以此確定襯砌施作時(shí)間，理論依據(jù)不足。為了準(zhǔn)確掌握張灣隧道襯砌施作的最佳時(shí)間，提出利用反位移分析法，計(jì)算襯砌的拉應(yīng)力最大值和抗剪安全系數(shù)最小值，并以容許抗剪安全系數(shù)和容許拉應(yīng)力為判斷標(biāo)準(zhǔn)，確定襯砌合理施作時(shí)機(jī)。研究結(jié)果表明：隨著施作襯砌時(shí)間的推遲，襯砌抗剪安全系數(shù)最小值逐漸提高，襯砌拉應(yīng)力最大值先快速降低，后逐漸保持穩(wěn)定；襯砌在初期支護(hù)閉合后第39d施作時(shí)抗剪安全系數(shù)為2.23，襯砌在初期支護(hù)閉合后第8天施作時(shí)拉應(yīng)力最大值為0.496。為了確保襯砌的安全性，可確定在初期支護(hù)完工閉合后的第39d開始施作襯砌。

關(guān)鍵詞：圍巖穩(wěn)定性；襯砌施作；反位移分析法；襯砌抗剪安全系數(shù)

0 引言

在隧道工程中，襯砌是用于支撐和保護(hù)隧道內(nèi)壁的關(guān)鍵組成部分，隧道襯砌的質(zhì)量和穩(wěn)定性直接關(guān)系到隧道的安全性、使用壽命和維護(hù)成本[1-3]。而在隧道襯砌的施工中，選擇合適的施工時(shí)機(jī)至關(guān)重要。當(dāng)前隧道襯砌的施工時(shí)機(jī)，通常是基于傳統(tǒng)的時(shí)間表和施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的。但這種方法未能充分考慮到隧道工程中復(fù)雜的地質(zhì)和地下水條件，以及襯砌材料的變形特性。

眾多學(xué)者對(duì)襯砌的施工時(shí)機(jī)的確定進(jìn)行了深入研究[4]。劉砥時(shí)等[5]以彈塑性理論為基礎(chǔ)，對(duì)初期支護(hù)收斂變形值進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算，認(rèn)為襯砌的最佳施作時(shí)期為初期支護(hù)變形達(dá)到收斂值。劉志春等[6]整理分析了烏鞘嶺隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了通過(guò)隧道總變形量和日變形量，來(lái)判斷最佳施作隧道襯砌時(shí)機(jī)的方法。

反位移法是通過(guò)監(jiān)測(cè)襯砌位移并反演計(jì)算襯砌內(nèi)部應(yīng)力的一種方法，本文基于此方法計(jì)算了襯砌的拉應(yīng)力最大值和抗剪安全系數(shù)最小值，并得出襯砌的最早施作時(shí)機(jī)，可為類似項(xiàng)目提供了指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況

張灣隧道位于河南省三門峽市陜縣張灣鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道進(jìn)口里程為L(zhǎng)DK1+538.65，出口里程為L(zhǎng)DK2+140，全長(zhǎng)601.35m，為單洞單線隧道、有砟軌道，洞身最大埋深約35m。隧道出口位于R=500m的左偏曲線上，其余段位于直線上。隧道明洞4.35m，暗洞597m，小里程連接張家灣貨車聯(lián)左線特大橋，大里程連接路基。

隧道最大斷面高度10.31m，最大寬度9.07m。斷面面積77.64m2，棄渣約6萬(wàn)m3。隧道基底均采用6～12m水泥土擠密樁。隧道初期支護(hù)選擇H180格柵鋼架，間距600mm全環(huán)設(shè)置，厚度為25cm，采用濕噴工藝。防水板采用EVA防水板（≥1.5mm）。二次襯砌采用模筑混凝土，拱墻厚度為50cm。

2 圍巖應(yīng)力場(chǎng)和支護(hù)時(shí)機(jī)研究方法

2.1 初期支護(hù)變形受襯砌的影響分析

通常在初期支護(hù)開始施工時(shí)監(jiān)測(cè)隧道的變形，且于襯砌施作時(shí)結(jié)束。由于初期支護(hù)和襯砌間的相互作用，施作襯砌時(shí)會(huì)對(duì)初期支護(hù)形成約束作用，導(dǎo)致初期支護(hù)預(yù)測(cè)變形值大于隧道實(shí)際變形值，具體如圖1所示。

從圖1中能夠看出，在開始階段施工初期支護(hù)，時(shí)間t處施工襯砌，0～t為初期支護(hù)變形監(jiān)測(cè)時(shí)間段。通過(guò)曲線能夠預(yù)測(cè)出初期支護(hù)在t時(shí)間后的剩余變形值為?u，當(dāng)施工完襯砌之后，提高隧道趨于收斂的速度，減小剩余變形值?u，得到最終實(shí)際變形值?u'。在分析襯砌受力情況時(shí)，如果直接采用預(yù)測(cè)變形值?u則會(huì)過(guò)于保守，從而延后施作襯砌的時(shí)間。

2.2 獲取初期支護(hù)變形預(yù)測(cè)曲線

整理分析初期支護(hù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通常采用雙曲線函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)或指數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸分析，獲取初期支護(hù)的變形曲線，同時(shí)預(yù)測(cè)出初期支護(hù)的最終變形值。

2.3 確定圍巖應(yīng)力場(chǎng)和支護(hù)時(shí)機(jī)

根據(jù)位移反分析法，給予支護(hù)剩余變形得出對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力場(chǎng)，并將其施加在襯砌、初期支護(hù)以及圍巖上，從而得出襯砌應(yīng)力。結(jié)合反分析法和位移監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)計(jì)算支護(hù)和圍巖應(yīng)力，將地層假定程各向同性且均質(zhì)彈性體，初始地應(yīng)力為常量。若已知支護(hù)和隧道圍巖的彈性參數(shù)，就能夠以隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)最小二乘法來(lái)反分析得出支護(hù)和圍巖的應(yīng)力。

再將得到的圍巖應(yīng)力場(chǎng)施加在襯砌、初期支護(hù)以及圍巖上，通過(guò)正分析計(jì)算出襯砌應(yīng)力。襯砌剪應(yīng)力峰值和拉應(yīng)力峰值應(yīng)低于容許應(yīng)力值，并將剪應(yīng)力用抗剪安全系數(shù)來(lái)進(jìn)行表示，故可將抗剪安全系數(shù)2和容許拉應(yīng)力0.6MPa作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)對(duì)襯砌的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以此確定施作襯砌的最早時(shí)機(jī)。

3 張灣隧道襯砌合理施作時(shí)機(jī)的確定

3.1 擬合變形曲線和計(jì)算剩余變形

用雙曲線函數(shù)擬合隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出初期支護(hù)的變形曲線，內(nèi)空變形與拱頂沉降的擬合結(jié)果如表1所示。

參考擬合所得初期支護(hù)變形曲線得出襯砌剩余變形量，其中襯砌完成時(shí)已產(chǎn)生的變形值和曲線收斂值的差值，即為剩余變形值（在監(jiān)測(cè)期內(nèi)選擇監(jiān)測(cè)值，超出監(jiān)測(cè)其時(shí)選擇預(yù)測(cè)值）從初期支護(hù)閉合后開始計(jì)算時(shí)間間隔。

初期支護(hù)剩余變形趨勢(shì)如圖2所示。從圖2中能夠得出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，初期支護(hù)剩余變形逐漸降低，剩余變形在初期支護(hù)完工閉合10d內(nèi)呈現(xiàn)出快速降低后緩慢降低的趨勢(shì)。

3.2 計(jì)算剩余變形所對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力場(chǎng)

由于此項(xiàng)目隧道埋深大，屬于深埋隧道，為此通過(guò)反分析軟件構(gòu)建此隧道的分析模型。具體模型由初期支護(hù)和圍巖組成，邊界條件設(shè)置成四周固定，參考初期支護(hù)的剩余變形，開展反分析計(jì)算得出剩余變對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力場(chǎng)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查和相關(guān)規(guī)范，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)等效抗彎剛度法，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量進(jìn)行計(jì)算（相關(guān)參數(shù)見表2），并反分析計(jì)算出剩余變形?u的圍巖應(yīng)力場(chǎng)。不同時(shí)間間隔下圍巖應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖3所示。

從圖3中能夠得出，圍巖應(yīng)力具體包括剪應(yīng)力和正應(yīng)力，其中剪應(yīng)力接近于0。當(dāng)時(shí)間持續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，圍巖應(yīng)力逐漸降低，并在初期支護(hù)完工閉合10d內(nèi)呈現(xiàn)出快速降低后緩慢降低的趨勢(shì)。

3.3 襯砌應(yīng)力與安全系數(shù)的計(jì)算

施工襯砌之后，構(gòu)建正分析有限元模型，模型具體包括襯砌、圍巖和初期支護(hù)，模型輸入的圍巖應(yīng)力場(chǎng)為剩余變形對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力，由此開展正分析計(jì)算，得出襯砌在各時(shí)間間隔下的應(yīng)力。

其模型建立和計(jì)算過(guò)程和反分析時(shí)基本一致。襯砌所用混凝土重度為25kN/m3，等級(jí)為C35，單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及內(nèi)摩擦角分別為27MPa、33.5GPa和36°。參考摩爾庫(kù)倫模型，能夠得出混凝土單軸抗壓強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角、粘聚力之間的函數(shù)關(guān)系，具體見式（1）所示。

（1）

式中：φ表示內(nèi)摩擦角，單位為°；c代表粘聚

力，單位為MPa；σc表示混凝土單軸抗壓強(qiáng)度，單位為MPa。

通過(guò)式（1）計(jì)算得出混凝土粘聚力等于6.78MPa，并將其內(nèi)摩擦角和粘聚力代入式（2）計(jì)算得出襯砌的抗剪安全系數(shù)，具體如下。

（2）

式中：σ3和σ1分別表示最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力，單位MPa；Fs表示抗剪安全系數(shù)。

3.4 襯砌具體施作時(shí)機(jī)

通過(guò)正分析有限元模型計(jì)算出襯砌施工時(shí)間不同時(shí)，其抗剪安全系數(shù)最小值和拉應(yīng)力峰值。不同時(shí)間間隔下襯砌抗剪安全系數(shù)最小值變化見圖4。不同時(shí)間間隔下襯砌拉應(yīng)力最大值變化圖5。

從圖4中能夠得出，隨著施作襯砌時(shí)間的推遲，襯砌抗剪安全系數(shù)最小值逐漸提高。在抗剪安全系數(shù)最小值高于容許安全系數(shù)線時(shí)，代表襯砌此時(shí)較為安全。襯砌可在初期支護(hù)完工閉合后的第39d施作，此時(shí)抗剪安全系數(shù)2.23＞2。

從圖5中能夠得出，隨著施作襯砌時(shí)間的推遲，襯砌拉應(yīng)力最大值呈現(xiàn)出先快速降低，后逐漸保持穩(wěn)定的規(guī)律，且在初期支護(hù)完工閉合10d內(nèi)快速將小。在拉應(yīng)力最大值持續(xù)降低到容許拉應(yīng)力以下時(shí)，代表襯砌較為穩(wěn)定。襯砌可在初期支護(hù)完工閉合后的第8d施作時(shí)的拉應(yīng)力最大值為0.496MPa，＜0.6MPa。綜上所述，為了確保襯砌的安全性可確定在初期支護(hù)完工閉合后的第39d開始施作襯砌。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了準(zhǔn)確掌握張灣隧道襯砌施作的最佳時(shí)間，通過(guò)反位移分析法，計(jì)算襯砌的拉應(yīng)力最大值和抗剪安全系數(shù)最小值，并得出襯砌的最早施作時(shí)機(jī)。主要得出以下結(jié)論：

通過(guò)雙曲線函數(shù)對(duì)隧道斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合初期支護(hù)的變形曲線，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，初期支護(hù)剩余變形和圍巖應(yīng)力逐漸降低，剩余變形在初期支護(hù)完工閉合10d內(nèi)呈現(xiàn)出快速降低后緩慢降低的趨勢(shì)。

隨著施作襯砌時(shí)間的推遲，襯砌抗剪安全系數(shù)最小值逐漸提高，襯砌拉應(yīng)力最大值呈現(xiàn)出先快速降低，后逐漸保持穩(wěn)定的規(guī)律，且在初期支護(hù)完工閉合10d內(nèi)下降速度較快。為了確保襯砌的安全性可確定在初期支護(hù)完工閉合后的第39d開始施作襯砌。

參考文獻(xiàn)

[1] 巫晨笛，李天斌，孟陸波，等.雅康高速公路二郎山隧道花崗巖區(qū)二襯支護(hù)時(shí)機(jī)分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2017，43（2）：75.

[2] 王華寧，宋飛，蔣明鏡.基于時(shí)效理論解的雙層襯砌圓形隧道圍巖壓力分擔(dān)的簡(jiǎn)便計(jì)算法[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2017，39（9）：1600.

[3] 帥遠(yuǎn)梁.考慮蠕變特性軟巖隧道二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)研究[D].南昌：東華理工大學(xué)，2022.

[4] 吳夢(mèng)軍，張永興，劉新榮，等.基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的大跨扁平連拱隧道最佳支戶時(shí)機(jī)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012，39（1）：53.

[5] 劉砥時(shí)，方建勤.彈塑性解析法確定隧道二襯合理支護(hù)時(shí)機(jī)的應(yīng)用研究[J].公路，2009，（12）：186.

[6] 劉志春，李文江，朱永全，等.軟巖大變形隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（3）：580.