二次襯砌施工對黃土隧道圍巖壓力的影響分析

作者簡介：

郭志軍（1974—），工程師，研究方向：橋梁工程、公路工程管理、安全管理。

摘要：文章依托甘肅省某黃土隧道工程，借助埋設于隧道圍巖內部的智能壓力傳感器采集了從初期支護到二次襯砌完成后一年的圍巖壓力監測數據，通過研究超長監測周期內圍巖壓力隨時間的變化情況，得出了隧道圍巖壓力的變化趨勢，同時對隧道二次襯砌施工引起圍巖壓力突變的階段進行了分析。結果表明：二次襯砌施工后圍巖壓力先急劇下降，隨后快速增加，最后趨于穩定；二次襯砌施工期間圍巖壓力突變階段的壓力變化率是整個監測周期內的9.5倍，在隧道橫斷面不同部位差異較大，拱頂處高達22.5倍；對隧道圍巖壓力的研究有助于確定二次襯砌施工的時間，對隧道二次襯砌結構的穩定具有重要意義。

關鍵詞：黃土隧道；二次襯砌；圍巖壓力；臺階法

中圖分類號：U455.91文獻標識碼：A 35 118 3

0 引言

二次襯砌是隧道工程施工在初期支護內側施作的模筑混凝土或鋼筋混凝土襯砌，與初期支護共同組成復合式襯砌。二次襯砌是相對初期支護而言的，主要是在隧道初期支護已完成的條件下，用鋼筋混凝土修建內層襯砌，以達到加固支護、優化路線防排水系統、美化外觀，方便設置通信、照明、監測等設施的作用，以適應現代化高速道路隧道建設的要求［1-3］。二次襯砌施作一般在圍巖和初期支護變形趨于穩定后進行，二次襯砌施作的條件有兩個：（1）隧道水平凈空變化速度及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降；（2）隧道位移相對值已達到相對位移量的90%以上［4-5］。過早施工隧道二次襯砌不利于隧道整體襯砌結構的穩定性和耐久性，若隧道初期支護變形未達到穩定狀態即施作二次襯砌，可能引起二次襯砌承受較大的圍巖及初期支護的壓力，此壓力超過二次襯砌的承受能力時，二次襯砌將會開裂［6-7］。

國內外學者對隧道二次襯砌的受力情況進行了大量的研究，主要采用現場實測和模擬的研究方法，研究內容主要有二次襯砌的施作時間、初期支護與二次襯砌之間的受力、圍巖與初期支護之間的受力等。二襯混凝土所受較大壓應變主要位于隧道拱腰肩位置，與初支和二襯間接觸應力最大值位置具有一定對應關系［8］。二襯荷載分擔比集中在0～20%，接觸壓力有明顯的時間效應，隨時間的變化表現為快速增長至峰值之后減小，進而緩慢增大趨于穩定，穩定所需時間在二襯澆筑后30 d左右［9］；接觸壓力空間分布規律為拱頂→拱肩→拱腰→拱墻增大，拱墻→拱腳→拱底減小。二襯在承受來自初支的接觸壓力后進行了應力調整分配，導致了不同部位承受拉壓力的差異性，但其仍具有較高的安全儲備［10-11］。由大量學者的研究可知，隧道圍巖壓力可隨時間變化劃分為快速增長→緩慢增長→趨于穩定3個階段，其中快速增長階段多集中在隧道開挖后無支護或支護結構尚未完全發揮作用的一段時間，同時對隧道圍巖壓力沿洞周分布規律進行研究［12-14］。

本文通過采用智能圍巖壓力傳感器獲取的隧道從初期支護完成后至二次襯砌施工完成后一年的圍巖壓力，深入分析二次襯砌施工階段圍巖壓力的變化特征。

1 實驗設計

1.1 項目工程概況

本研究以甘肅省平涼市境內某一黃土隧道為研究對象。隧道位于黃土溝壑，屬于黃土Ⅳ、Ⅴ級圍巖，隧道凈寬為10.5 m、凈高為5 m，隧道正常段落采用二臺階法施工，緊急停車帶采用單側臂導坑法（CD法）。本研究隧道圍巖壓力數據采集段落為TVC襯砌結構段，此襯砌結構采用Ⅰ20a型工字鋼支護，鋼拱架縱向間距為80 cm，初期支護為厚度26 cm的噴射混凝土，二次襯砌厚度為50 cm的鋼筋混凝土結構，隧道上臺階每循環進尺為1.6 m，下臺階和仰拱緊跟上臺階施工，確保安全步距滿足規范要求。

1.2 測點布設

隧道上臺階開挖完成后，立即進行鋼架支撐，將圍巖壓力盒布設于圍巖表面，確保壓力盒與圍巖密貼。布點方式采用“五點法”，即在拱頂、兩拱腰、兩拱腳分別布點。拱腳測點在距離地面1 m處布置，拱腰測點在上臺階斷面45°方向布設。為了確保壓力盒能夠與圍巖同變形，在壓力盒布設處挖槽將其嵌入，壓力盒外側與隧道襯砌支護鋼筋網片焊接牢固。用摻入速凝劑的水泥砂漿將壓力盒與圍巖的縫隙填塞密實，數據傳輸線在初期支護區域內進行包裹保護層處理，確保數據線工作的可靠性。監測點布設完成后，將同斷面5個傳感器數據線匯集到一處引處隧道口數據采集裝置。壓力盒傳感器安裝完成后及時進行噴射混凝土作業，安裝人員將壓力盒埋設位置及注意事項向噴漿手進行交底，噴漿過程先調小噴漿壓力進行傳感器布設位置噴射，待圍巖壓力盒完全覆蓋后再進行大面噴射作業。

本研究選擇在隧道進口TVC襯砌段連續設置3個監測斷面，第一個斷面為K1755+360，第二個斷面為K1755+390，第三個斷面為K1755+420。在每個斷面布設5個圍巖壓力傳感器，分別在拱頂、兩拱腰、兩拱腳各布置1個。

2 數據采集及處理

本研究采用智能圍巖壓力傳感器采集各監測點圍巖壓力值，通過隧道口數據接收裝置獲取數據，可從成都理工大學開發的地質災害監測預警系統獲取實時數據。本項數據采集系統采用布設在隧道口的太陽能板為其提供能源。

二次襯砌施工對黃土隧道圍巖壓力的影響分析/

郭志軍，胡文斌，賀耀偉，王海堂，王 照

采集系統每天可連續自動采集數據，為了便于數據分析，選擇每天18：00的數據為當天的壓力值（單位為MPa）。對3個采集斷面15個監測點的圍巖壓力數據進行預處理，通過監測系統數據平臺可發現有5個監測斷面的數據出現異常，表現為數據缺失、無變化等。為了能夠準確地分析圍巖壓力的變形特征，將這5個出現異常的監測點數據從分析中剔除，并進一步分析產生數據不正常的原因，為將來圍巖壓力的研究總結經驗。

本文主要為了分析二次襯砌施工對隧道圍巖壓力的變化特征，從連續采集的圍巖壓力檢測數據中，選擇30 d的監測數據進行分析，這30 d的監測數據為二次襯砌施工前10 d和二次襯砌施工后20 d。對每個圍巖壓力監測點的數據進行深入分析，探討圍巖壓力的變化規律，指導隧道安全施工。

3 數據分析

3.1 圍巖壓力隨時間變化特征分析

將3個斷面10個監測點的圍巖壓力數據繪制成圍巖壓力-時間變化曲線圖，如圖1所示。其中斷面一有2個監測點，斷面二有3個監測點，斷面三有5個監測點。橫坐標表示圍巖壓力變化的時間，縱坐標為監測點圍巖壓力值。

從圍巖壓力隨時間的變化曲線圖上可以看出，二次襯砌施工后（第10 d）10個監測點圍巖壓力-時間曲線圖均出現拐點，表現為圍巖壓力突然降低，然后再逐漸增大。

二次襯砌施工完成后，襯砌混凝土鋪滿初期支護表面，對初期支護產生一個徑向支撐力，導致圍巖壓力短時間內降低。隨著二次襯砌混凝土鋪度的增加，在拱部初期支護與二次襯砌之間出現間隙，圍巖和初期支護繼續變形。當圍巖和初期支護變形與二次襯砌結構之間密貼時，圍巖和初期支護將受到二次襯砌徑向的支撐力，使隧道整個襯砌結構處于平衡狀態，表現為隧道圍巖壓力不再隨時間增加。

3.2 二次襯砌施工后圍巖壓力變化分析

為了深入探討二次襯砌施工對隧道圍巖壓力變化規律的影響，將二次襯砌施工后圍巖壓力突變階段的數據進行詳細分析，主要分析二次襯砌施工后圍巖壓力開始突然降低的時間、最大突變值、突變率。本文對整個圍巖壓力監測周期內的圍巖壓力參數進行統計分析，包括觀測持續時間、壓力變化值（終期觀測值-初始值）、平均圍巖壓力變化率（壓力變化值/觀測持續時間）。將二次襯砌施工前后和整個圍巖壓力監測周期內圍巖壓力相關參數進行對比分析，如表1所示。

由表1可知：

（1）二次襯砌施工完后，圍巖壓力會突然降低，持續2～8 d。不同監測斷面、監測部位圍巖壓力突然降低階段持續時間有所不同。斷面二圍巖壓力突然降低階段持續時間為3～5 d、斷面三為2～5 d、斷面一為4～8 d。二次襯砌施工后圍巖壓力突然降低階段持續時間最長的部位為拱頂，持續時間為5～8 d，其他部位的持續時間均在2～4 d。

（2）二次襯砌施工完成后，隧道圍巖壓力突然降低階段的最大值可達11.975 kPa，平均值為7.277 kPa。斷面一、斷面二、斷面三的平均突變值分別為7.410 kPa、6.67 kPa、7.589 kPa；拱頂、拱腰、拱腳處圍巖壓力平均突變值分別為8.14 kPa、6.03 kPa、9.11 kPa。

（3）二次襯砌施工完成后，在圍巖壓力突然降低階段，最大突變率可達2.395 kPa/d，平均變化率為1.456 kPa/d。斷面一、斷面二、斷面三的平均變化率分別為1.482 kPa/d、1.334 kPa/d、1.518 kPa/d；拱頂、拱腰、拱腳處圍巖壓力平均變化率分別為1.628 kPa/d、1.205 kPa/d、1.822 kPa/d。

（4）二次襯砌施工完成后，在圍巖壓力突然降低階段，平均突變率為1.456 kPa/d；在整個圍巖壓力監測周期內，圍巖壓力平均變化率為0.153 kPa/d。二次襯砌施工后圍巖壓力突然變形階段圍巖壓力的平均變化率為9.5倍的整個監測周期內圍巖壓力平均變化率。二次襯砌施工突變階段圍巖壓力平均變化率與整個監測周期內圍巖壓力平均變化率之比在斷面一、斷面二、斷面三的比值分別為12.2、9.2、8.9。二次襯砌施工突變階段圍巖壓力平均變化率與整個監測周期內圍巖壓力平均變化率之比在拱頂、拱腰、拱腳的比值分別為22.5、6.7、12.9。

隧道圍巖壓力變化是一個極為復雜的過程，受多種因素的綜合影響。隧道圍巖壓力的變化受隧道圍巖級別、橫斷面位置、襯砌結構設計、隧道開挖方式等因素的影響，二次襯砌施工過程能夠引起圍巖壓力的較大波動。綜合各監測斷面、不同監測部位的監測數據變化特征，可發現二次襯砌施工后，圍巖壓力出現較大幅度降低、然后快速增長，最后趨于穩定。隧道二次襯砌施工前，圍巖和初期支護結構同步持續變形，表現為圍巖壓力值逐漸增加。二次襯砌混凝土施工后，二次襯砌結構將會對初期支護結構產生一個徑向的支撐力，隧道圍巖壓力表現為突然降低。隨著二次襯砌混凝土凝結硬化，二次襯砌與初期支護之間的防水隔離層膨脹，二次襯砌對初期支護結構的支撐力降低，表現為圍巖壓力持續增加。當圍巖壓力與二次襯砌的支撐力相等時，整個襯砌結構表現為穩定狀態。

4 結語

本研究借助埋設于隧道圍巖內部的智能壓力傳感器采集了從初期支護到二次襯砌完成后一年的圍巖壓力監測數據，通過超長監測周期內圍巖壓力隨時間的變化分析得出了隧道圍巖壓力的變化趨勢，同時對隧道二次襯砌施工引起圍巖壓力突變的階段進行了重點分析。本文的主要研究結論如下：

（1）二次襯砌施工完成后，圍巖壓力急劇下降，這一階段約為2～8 d，然后逐漸增大。隧道拱頂圍巖壓力急劇下降階段持續時間最長，為5～8 d。

（2）二次襯砌施工完成后，隧道圍巖壓力突然降低階段的最大值可達11.975 kPa，在整個圍巖壓力監測階段圍巖壓力平均值為7.277 kPa，拱腳處圍巖壓力突變值最大，為9.11 kPa。

（3）二次襯砌施工完成后，在隧道圍巖壓力突然降低階段最大突變率可達2.395 kPa/d，平均變化率為1.456 kPa/d。

（4）二次襯砌施工完成后，在圍巖壓力突然降低階段，平均突變率為1.456 kPa/d；在整個圍巖壓力監測周期內，圍巖壓力平均變化率為0.153 kPa/d。二次襯砌施工后圍巖壓力突然變形階段圍巖壓力的平均變化率為整個監測周期內圍巖壓力平均變化率的9.5倍。在隧道拱頂二次襯砌施工后圍巖壓力突然變形階段平均變化率為22.5倍的整個監測周期內圍巖壓力平均變化率。

二次襯砌之所以會破壞，主要原因是二次襯砌施工時初期支護變形未達到穩定狀態，因此如何確定隧道二次襯砌的施工時間是一個很關鍵的問題。隧道二次襯砌應當在初期支護變形穩定后施工，但是隧道施工安全規范規定二次襯砌施工與掌子面的距離不應大于規定距離，因此在實際施工過程中二次襯砌不能確保在初期支護基本穩定后施工。對隧道初期支護變形的穩定時間、二次襯砌承載能力、二次襯砌穩定時間的研究對隧道整體襯砌結構的穩定具有重要的意義。

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