软岩大断面隧道二次衬砌支护时机的选择研究*

张成良，张金瑞，蔡林真，吕文乾

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

0 引言

不同于硬岩隧道，软岩隧道大多都具有较为明显的蠕变特性，围岩的位移变化具有很强的时间效应，且持续较长时间，支护时间过早不利于发挥岩体的自稳定能力，支护时间过晚会引起岩体的失稳。因此，选择理想的二衬支护时机尤为关键。

针对软岩二次衬砌支护时机问题，国内外学者进行了大量的研究工作，取得了一定的成果。Sulem等[2]提出了一种通用方法，可以较为精准地预测围岩周边收敛-时间关系，这种方法尽可能地考虑了支护与围岩体的相互作用关系、隧道的掘进速率、围岩体的蠕变特性等大多影响二次衬砌施作时机的因素，为早期提出的收敛限制法做了很好的补充；朱桢德等[3]深入研究了围岩变形规律和应力-应变随时间的演化机制；田洪铭等[4]基于软岩蠕变损伤而引起其变形的时效性和非线性，研究了软岩蠕变损伤特征，提出了非线性损伤模型，进而为二衬时机的选择提供了参考；荣耀[5]研究了不同围岩等级隧道的支护时机，并得到了围岩等级与支护时机的相关性；谢峰等[6]采取数值分析和理论研究从多方面对隧道二次衬砌的最佳施作时机进行了阐述；范秋雁[7]研究认为，岩石的蠕变是岩石损伤效应和硬化效应共同作用的结果，为软岩的变形及其支护提供依据；李英明等[8]研究了二次支护最佳时间的理论公式。本文基于现场监控量测的基础上采用修正的蠕变模型，对围岩的变形进行预测；运用ABAQUS有限元软件作为数值计算软件，选取最佳台阶高度和台阶长度，利用监控测量数据反演分析得出的蠕变参数，对ABAQUS自带的D-P蠕变模型进行修正，以中和村隧道为例，得出了适合其泥岩蠕变规律的蠕变本构模型，并进行了蠕变计算，得出了考虑围岩蠕变的拱顶沉降和周边收敛的位移时间曲线，最终确定了二衬最佳支护时机。

1 工程概况

中和村隧道所在览川路是大理市海东镇新城区的一条主干道，设计等级为一级，览川路设计时速60 km/h，主洞采用R1=8.60 m，R2=5.30 m的三心圆衬砌断面。隧道跨度为17 m，高度为11 m，起止桩号为K0+755～K1+755，分界段全长1 020 m；全隧道位于直线上；隧道所在路段纵坡为-1.181%；隧道最大埋深约122 m。隧址区设计围岩以V级为主，围岩以泥岩为主，岩体风化程度高，以全-强风化为主，节理裂隙发育，富含基岩裂隙水，围岩的完整性差、稳定性差，粘结力较弱，开挖后泥岩在基岩裂隙水作用下易产生软化，使其变形过长；开挖后易产生变形，变形时间较长。属于典型的大断面软岩隧道。

2 隧道模拟数值方案设计

ABAQUS在岩土工程中也有着相当广泛的应用。ABAQUS对于部分岩土工程中常用材料模型，并没有包含在ABAQUS 的CAE软件中去。为弥补缺陷，ABAQUS为用户提供了大量的子程序，用户可根据自己的需求开发自己的本构模型去解决特定的问题[9]。采用ABAQUS数值分析软件作为隧道建模分析的工具[10-11]，并对ABAQUS自带的D-P蠕变模型的for文件进行修改，利用反演分析得到的软质泥岩蠕变参数，得到了符合软质泥岩的蠕变本构模型。

2.1 数值模拟的材料参数

根据室内试验结合现场开挖所揭露的围岩[12-14]，模型所采用的参数见表1。

2.2 考虑围岩蠕变的数值分析

三维隧道模型选取的开挖台阶参数见表2，根据现场的实际施工状况，浅埋段开挖进尺为1.2 m，洞身段开挖进尺为1.5 m进行数值分析。根据表1对隧道的支护参数进行选取，隧道不同段落的岩体物理力学参数见表3。

表1 模型中所采用的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters selection in numerical simulation

表2 三维隧道模型台阶尺寸选取Table 2 Selection of step size of 3D tunnel model m

对进口浅埋段K0+855～K0+885，洞身段K1+095～K1+125，出口浅埋段K1+585～K1+555进行考虑围岩蠕变的数值模拟。建立的模型图分别见图1的(a)，(b)，(c)所示。模型分为角砾层和泥岩层2个地层，角砾层的厚度在10～15 m。进口浅埋段K0+855～K0+885的埋深为40～53 m，洞身段K1+095～K1+125的埋深为119～122 m，出口浅埋段K1+585～K1+555的埋深为30～46 m，隧道模型的纵向(Z轴方向)长度为30 m。

表3 不同围岩段落的岩体物理力学特性参数Table 3 Physical and mechanical parameters of rock mass in different rock sections

2.3 蠕变参数反演计算

将现场监控量测的数据进行处理，得出围岩应变-时间关系，如图2所示。利用origin8.0自定义函数拟合功能进行蠕变参数反演，分析得出符合软质泥岩蠕变规律的应变-时间曲线。

图2 围岩应变-时间曲线Fig.2 Strain time curve of surrounding rock

蠕变本构模型关系式[15]如式(1)所示：

(1)

(2)

运用origin8.0，以式(2)的形式进行拟合，得出的拟合函数如式(3)所示：

(3)

通过反演分析获得的软质泥岩蠕变参数，修正了ABAQUS自带的D-P蠕变模型的for文件，得到符合软质泥岩的蠕变本构模型，取其蠕变时长为100 d。

3 围岩蠕变计算结果分析

3.1 进口浅埋段围岩蠕变位移分析

通过对隧道进口浅埋段考虑蠕变的数值计算，得到蠕变下围岩位移的变化情况；通过ABAQUS后处理工具，分别输出蠕变后的竖向应力云图。随着蠕变的进行，拱顶处的沉降值逐渐增大，前15 d的变形最为明显，占到了总变形量231 mm的82.5%；前30 d的累积变形占到了最终变形累积的99.7%。随着时间的延长，拱顶处位移的变形范围、拱底处的竖向位移逐渐增大；但随着蠕变时间的增加，隧道下部的变形范围逐渐变小。综合位移变化趋势，80%的最终位移量被视为最佳的支护时机。因此，进口浅埋段的二次衬砌的最佳支护时机约为15 d。

3.2 洞身段围岩蠕变位移分析

对洞身段进行分析，此段围岩为IV级围岩，围岩较进口浅埋段稳定性好，围岩的变形速率整体不大，累积变形量较进口浅埋段偏小，但是此段落的围岩变形的周期较长，这也是泥岩的蠕变效应的体现，围岩变形的时空效应明显。对拱顶的竖向位移进行分析可知，15 d产生的累积拱顶下沉值达到了总位移的85.2%，而30 d的累积沉降量则是达到了总位移的88.8%。根据洞身段最终位移量的90%为最佳支护时机，洞身段的二衬最佳支护时机在30 d左右。

3.3 出口浅埋段围岩蠕变位移分析

对出口浅埋段分析，分别输出蠕变15，30和100 d后的竖向应力云图。对拱顶的竖向位移进行分析可知，15 d累积拱顶下沉值达到了总下沉值的77.9%，而30 d的累积沉降量则是达到了总下沉值的99.2%。根据出口浅埋段的二衬最佳支护时机，以最终位移量的80%为支护时机。因此，出口浅埋段的二衬最佳支护时机在15 d左右。

4 工程验证

由于进口浅埋段和出口浅埋段的情形较为相似，因此工程验证段落分为2段：分别为浅埋段和洞身段。在隧道现场施工中，每一模二衬的浇筑长度为10 m，验证段落的长度为10 m。为使工程验证时围岩岩性、埋深、赋水状况等条件具有可比性，选取相近的段落进行工程验证。通过在二次衬砌浇筑之前埋设压力盒、混凝土应变计、钢筋应力计和位移计，来观测二次衬砌浇筑之后整体围岩的受力状况来评估整个支护体系的稳定性。

4.1 浅埋段 K0+885～YK0+895段开挖和二衬浇筑的位移和应力变化特性分析

4.1.1 开挖支护的顶拱累计位移变化特征分析

对于二衬支护时机而言，必须为使二衬施作范围内各个断面的位移和应力释放全部达到最佳二次衬砌施作要求才能进行二次衬砌浇筑，主要对断面YK0+895进行分析，2016年5月27日，YK0+895断面上台阶锚喷支护工作完成，在拱顶位置进行监测，上台阶开挖对围岩的扰动较小，支护及时，到5月29日，围岩的变形较小，累积变形小于10 mm；于5月31日完成了中台阶开挖，并及时地进行了锚喷支护，随着开挖的断面面积增加和开挖台阶高度的增大，监测数据显示，从5月30日到6月4日，围岩的应力释放速率较快，位移的变化较大，拱顶沉降累积值增加到100 mm；于6月5日完成了下台阶的开挖和初期支护，6月8日完成了仰拱的施作，从6月5日到6月8日，围岩位移速率仍较快，现阶段的拱顶沉降累积增加50 mm；围岩的位移速率从6月8日开始变缓，从6月8日到6月11日，由于仰拱开挖后封闭成环，围岩的拱顶沉降仅增加了5 mm。在开挖后第16天进行二次衬砌，此时围岩的拱顶沉降累计位移为168 mm，根据回归分析得出的位移-时间函数，最终预测位移为216.8 mm，16 d产生的拱顶累计位移占最终位移的77.5%。在6月11日对YK0+885～YK0+895段进行了二衬浇筑。

4.1.2 二衬浇筑完成的内部应力变化特征分析

在YK0+890断面中，在左拱脚、左拱腰、拱顶、右拱腰、右拱脚处埋设砼应变计、钢筋应力计和压力盒，监测隧道二次衬砌的受力状态。YK0+890断面二衬内部应力、应变随时间变化关系见图3。由图3(a)可知，二衬浇筑完成后，初支和二衬间的接触应力在短时间内有很大的提升，但是随着混凝土的强度不断提高，初支和二衬不断地耦合，隧道的支护体系性能逐渐得到强化，二衬最终所承受的压力为0.06～0.14 MPa，处于正常可控范围内。图3(b)和(c)分别显示了二衬混凝土应变和钢筋主筋轴力随时间的变化特性，从中可看出，混凝土产生的变形小，且变形周期基本上在15 d后趋于稳定，钢筋所承受的轴力远远小于设计值，根据综合监测结果，该段二衬结构围岩处于稳定状态。

图3 YK0+890断面二衬内部应力应变随时间变化关系Fig.3 YK0+890 section secondary lining internal stress and strain with time variation relation graph

4.2 洞身段K1+125～K1+135段开挖和二衬浇筑的位移和应力变化特性分析

4.2.1 开挖支护的顶拱累计位移变化特征分析

相对于浅埋段，洞身段的围岩较好，风化程度较低，自稳能力较强。K1+135断面于10月11日完成了上台阶的开挖和锚喷支护；10月21日前完成了中台阶、下台阶和仰拱的开挖支护。在上台阶、中台阶、下台阶和仰拱的开挖扰动下，围岩的拱顶下沉速率变化不大，均处于匀速变形阶段，主要是围岩相对完整，自稳能力较强；10月21日后变形速率逐渐减缓，并趋于稳定。二衬施作前初期支护的拱顶累计位移图拟合函数见图4。在第32天，封闭成环。依据拟合函数可知最终拱顶下沉累计位移值为200 mm， 32 d的拱顶下沉值为178 mm，占总沉降的88.9%。于11月11日进行了K1+125～K1+135段二衬的施作。

图4 拱顶下沉监测数据及回归曲线Fig.4 Vault subsidence monitoring data and regression curve

4.2.2 二衬浇筑完成的内部应力变化特征分析

图5 YK1+130断面二衬内部应力应变随时间变化关系Fig.5 YK1+130 section secondary lining internal stress and strain with time variation relation graph

在YK1+130断面的左拱脚、左拱腰、拱顶、右拱腰、右拱脚处埋设砼应变计、钢筋应力计和压力盒。监测隧道二次衬砌的受力状态。图5显示了K1+130断面二衬内部应力和应变随时间变化关系。由图5(a)可知，二衬浇筑完成后，初支和二衬间的应力在短时间内有很大的提升，但是随着混凝土的强度不断增加，初支和二衬不断地耦合，隧道的支护体系性能逐渐得到强化，二衬最终所承受的压力为0.15～0.45 MPa，处于正常可控范围内。图5(b)和(c)分别显示了二衬混凝土应变和主筋轴力随时间的变化情况，混凝土产生的变形小，且变形在15 d后趋于稳定。钢筋所承受的轴力远远小于设计值，综合监测的结果可知，该段二衬结构围岩处于稳定状态。

二衬施作完成后，分别对K0+885～K0+895段和K1+125～K1+135段的二衬进行了表面观测，观测结果表明，YK0+885～YK0+895段和K1+125～K1+135段的二衬均没有出现混凝土开裂、鼓包和变形等现象。这说明，根据计算结果所采用的二次衬砌的施作时机较为合理，整个支护体系的性能得到了充分的发挥，有利于隧道在运营期间的长期稳定。

5 结论

1)软岩大断面隧道围岩的开挖，岩体具有明显的时间效应和空间效应，随着开挖空间的增加，隧道围岩岩体的变形速率增大，直到仰拱封闭成环后，岩体的变形开始趋于减小；在这个过程中，中台阶的变形速率最大，上台阶次之，仰拱开挖最小。

2)在相同情况下，IV级围岩和V级围岩相比，IV级围岩较V级围岩稳定性好，IV级围岩的变形速率整体不大，累积变形量偏小，但围岩变形的周期较长，蠕变效应明显。

3)分别对浅埋段和洞身段的二次衬砌结构物埋设相应的应力、应变和位移传感器进行监测，经监测结果显示二衬结构物受力较小，二衬结构安全稳定，初支和二衬结构荷载分担比例适中，二衬的施作时机是合理的，可以为类似工程二衬施作的合理时机提供一定的参考。