软岩大变形隧道二次衬砌施作时机分析

赵春磊

摘要：文章结合高速公路软岩大变形隧道施工实践，通过对隧道围岩与初期支护监控量测数据进行拟合分析，研究隧道拱顶下沉和周边收敛变形情况与变形速率，计算二次衬砌允许位移量，合理确定二次衬砌施作时机。

关键词：隧道;软岩;二次衬砌;变形速率;允许位移量;施作时机

0 引言

软岩大变形隧道围岩稳定性差，初期支护后应按规范要求进行监控量测，分析围岩的变形情况，合理确定二次衬砌的施工时间。二次衬砌施作过早，隧道围岩和初期支护结构变形未稳定，容易导致衬砌结构变形开裂，缩短使用寿命;二次衬砌施作过迟，可能导致初期支护结构变形无法控制，造成隧道失稳破坏。关于隧道二次衬砌施作时机，规范中做了相关规定，但施工中也要结合实际情况进行具体分析。为准确确定二次衬砌的施作时机，国内外很多专家学者做了很多研究，早期的研究主要以收敛约束法为主，逐步发展采用建模、数值仿真平台和有限元分析，并取得了大量研究成果。二次衬砌施作时机受隧道围岩、断面尺寸、开挖支护方法等因素的影响，各隧道之间存在较大的差异。

本文在隧道监控量测的基础上，收集数据绘制变形曲线，进行拟合分析，确定拱顶下沉和周边位移的变形速率，进一步通过有限元计算，确定隧道二次衬砌的允许位移值，计算得出在隧道围岩与初期支护结构变形稳定的情况下，拱顶下沉和边墙周边收敛变形速率，作为确定二次衬砌施作时机的理论依据，准确确定二次衬砌施作时间。

1 依托项目概况

某高速公路隧道围岩等级为Ⅴ级，围岩破碎，风化严重，主要为二叠系浅白色、灰白色砂岩，裂隙纹理发育，稳定性差。该隧道穿越地区山岭陡峭，部分岩石裸露，沟壑交错。隧道进出口位置围岩稳定性差，有大量块石，局部分布有岩堆。洞口附近有沟谷，雨季有地表径流水，施工中应做好临时排水。隧道设计采用双向隧道，单向坡度为6%，进口高，出口低。隧道设计长度为1 043 m，进口段位于缓和曲线上。隧道路线上分布有断层，总体走向为S44°W～EW，断裂面产状为69°E/72°N，破碎带内围岩主要为角砾，稳定性差。

2 隧道软岩变形特征

隧道进出口地段覆盖层薄，围岩风化严重，且受季节性流水影响，围岩为软岩，稳定性差，施工中出现较大变形。

进口段隧道为V级围岩，主要为碳质板岩，个别地段有少量砂岩，岩体破碎，裂隙节理发育，整体强度低，自稳能力差。施工中个别地段隧道围岩出现挠曲变形，开挖后拱顶出现掉块，甚至塌方现象。为了提高隧道围岩的稳定性，有效控制围岩和初期支护结构变形，采用三台阶预留核心土法进行开挖，开挖过程中如果仍存在变形不收敛现象，可采用三台阶临时仰拱法进行施工。

出口段掌子面围岩为Ⅴ级围岩，呈灰白色，主要成分为板岩夹灰岩，岩层有挠曲现象，节理裂隙发育，岩石破碎，硬度低。掌子面开挖后渗水，局部有股状涌水，围岩稳定性差，处治不当容易出现坍塌。出口段采用三台阶预留核心土法进行开挖，开挖过程中如发现变形增大现象，可采用三台阶临时仰拱法进行施工。

3 隧道二次衬砌施作时机分析确定

3.1 隧道围岩与初期支护结构变形分析

通过布置测点，开展监控量测，对隧道拱顶下沉、周边收敛位移进行量测，分析隧道位移與初期支护结构的变形情况。收集监测数据，绘制拱顶下沉位移随时间分布的散点图，并进行数据拟合，进行回归分析。

结合隧道选定的监测断面拱顶下沉的量测数据，绘制拱顶下沉位移随时间变化曲线如图1所示。选择拟合相关系数R=0.95，进行回归分析，得出拟合函数见式（1）：

分析图3和图4速率变化拟合曲线，在初期支护结构封闭初期，隧道围岩和支护结构拱顶下沉和周边位移变形速率较大，变形量也较大，后期变形速率逐渐变小，并逐步趋于平稳。拱顶下沉位移和周边位移变形速率分别在初期支护结构封闭17 d和10 d后基本稳定。监控量测变形速率和变形量基本稳定，说明隧道位移和初期支护结构达到了预期的支护效果。

3.3 二次衬砌允许位移量计算

3.3.1 二次衬砌变形量计算

假定隧道二次衬砌与初期支护之间没有空隙，紧密接触，与初期支护结构同步变形，隧道结构无偏压，结合围岩与初期支护结构变形分析确定二次衬砌变形量。假定在施工时间为t时刻二次衬砌变形量ΔU是初期支护结构的最大变形量Umax与二次衬砌施工前初期支护结构与围岩变形量u（t），即式（5）：

4 结语

本文结合隧道围岩与初期支护监控量测结果，拟合分析隧道拱顶下沉和周边收敛变形情况与变形速率，计算二次衬砌允许位移量，确定二次衬砌施作时机，并得出以下结论：

（1）根据拱顶下沉和边墙周边收敛变形速率拟合曲线，得出二者变形在初期支护结构封闭17 d和10 d后变形速率基本稳定。

（2）通过计算确定安全系数最小值，得出拱顶边墙处的安全系数最小值分别为2.4和2.0，进而得出二次衬砌拱顶下沉允许位移值ΔUymax=1.58 mm，周边位移允许位移值ΔUxmax=0.59 mm。

（3）通过计算得出，在隧道围岩与初期支护结构变形稳定的情况下，拱顶下沉和边墙周边收敛变形速率分别为v=0.18 mm/d和v=0.12 mm/d，说明此时隧道围岩和初期支护结构稳定，可以进行二次衬砌施作。

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