基于收敛-约束法的广西某隧道围岩支护时机研究

周小生,陈嘉臻,李宇峰,潘 宇

(广西龙马高速公路有限公司,广西 南宁 530022)

0 引言

随着我国高速铁路、高速公路网络的规划实施,大量铁路、公路隧道在我国西部和南部山岭地区开工建设,隧道施工的安全性、经济性是隧道设计中需要考虑的问题。新奥法是隧道建设中常用的一种方法,该方法充分利用了围岩开挖自稳定的特征,通过考虑支护结构体系与围岩的变形耦合效应,既充分发挥了支护结构的支护作用,又实现了将隧道围岩的变形控制在较小范围内的目标,保障了隧道建设的安全性和经济性[1-2]。基于围岩“收敛-约束”变形与应力响应特征的隧道支护时机的确定是隧道新奥施工法的核心技术,也是决定新奥法施工效果的关键因素,如何确定隧道的合理支护时机一直是隧道施工的技术难点[3]。

本文以广西天峨县境内岗岭隧道为依托,选取基于收敛-约束法的隧道支护时机判断方法作为隧道支护时机的研究方法,结合工程实际演算了隧道开挖弹塑性变形特征,分析了喷射混凝土、锚杆、钢拱架等支撑结构的支护特征曲线,计算了隧道的最佳支护时机及收敛-约束平衡状态。研究结果可为岗岭隧道支护时机的选择提供参考。

1 工程概况

广西壮族自治区天峨至北海高速公路(天峨县经凤山至巴马县段)沿线隧道占比高达47.75%,隧道的安全建设对于该高速公路的顺利贯通起着决定性作用。岗岭坡公路隧道是该高速公路沿线的一处关键隧道,位于天峨县岗岭屯东南方向大约500 m处[4-5]。隧道建设区属于剥蚀低山地貌,山体连绵不断,隧道建设区表层覆盖全-强风化粉砂岩,山体沟谷因地质构造原因较为发育,冲沟切割较深,冲沟坡度较大,隧道的最大埋深为262～275 m,见图1。

图1 隧道轴线剖面图(m)

岗岭隧道赋存岩体为三叠系中统粉砂岩,岩体的风化程度为全风化、强风化和中风化。其中,全风化粉砂岩主要分布在山坡的表层;强风化粉砂岩节理裂隙发育呈碎裂状结构,岩体完整程度以破碎为主,主要分布于隧道进出洞口,工程稳定性差;中风化粉砂岩主要为中厚层状构造,节理裂隙发育情况为较发育到不发育,岩体呈现较破碎到较完整分布,工程稳定性较好。岗岭隧道主要赋存于中风化粉砂岩中,围岩的整体力学参数见表1。

表1 围岩的力学参数取值表

2 基于收敛-约束法的支护时机分析方法

2.1 收敛-约束法的基本原理

收敛-约束法是一种综合考虑围岩变形与支护力时空耦合作用效果的隧道支护设计方法,该方法随着新奥法施工技术的兴起而逐渐应用于隧道工程。收敛-约束法的核心思想是在隧道开挖后,允许隧道围岩在无支撑作用下发生一定的初始变形,充分发挥了围岩的自稳能力,待初始变形达到某一量值,再对围岩施加支护作用,从而使围岩在外加约束作用下达到收敛,实现支护结构的高效率利用。收敛-约束法的主要技术指标包括围岩纵向变形曲线(LDP)、围岩支护特征曲线(SCC)和围岩收敛曲线(GRC)[6-7],见图2。

(a)隧道开挖变形过程

围岩纵向变形曲线LDP反映了隧道掌子面不断向前推进的情况下,隧道轴线方向某断面处拱顶竖向位移随掌子面前进距离的变化情况。图2中,x<0表示隧道掌子面前方未开挖围岩,x>0则掌子面后方已开挖围岩;u表示隧道的拱顶竖向位移沿轴向方向的分布情况:在隧道掌子面的前方、掌子面及其后方的开挖卸荷引起岩层扰动,围岩出现了较小的变形;u0为掌子面处顶拱的初始位移,随着掌子面不断向前推进,隧道拱顶位移逐渐变形到最大值umax。围岩支护特征曲线SCC反映了隧道施加支护结构后,支护结构与围岩的耦合变形量u和支护结构所产生的支护反力之间的关系,如图2中线段EF所示。E点表示支护体系刚施加时的受力状态;随后支护结构与围岩发生耦合变形,并且随着变形的累积,支护结构的受力状态逐渐从E点向F点移动;当支护结构的受力状态到达F点时,支护结构所能提供的支护反力达到了最大值Plim,此时如果隧道围岩与支护结构继续发生变形,则支护结构将发生屈服。

围岩收敛曲线GRC反映的是隧道围岩的收敛位移u和支护反力P0两者间的关系,见图2中A、B、C三点所连接形成的曲线。隧道未开挖时,围岩的支护反力与初始地应力相等,见A点;随着开挖的进行,隧道掌子面处围岩的应力不断释放,使掌子面围岩的竖向位移u不断增加。初始阶段围岩的卸荷应力与竖向变形呈线弹性关系,见图2中AB线段;随着隧道掌子面进一步开挖,隧道卸荷应力增大,围岩逐渐进入到塑性阶段,出现明显的塑性变形,见图2中BD段;当隧道掌子面开挖完成后,隧道变形进一步增大,并且随着隧道掌子面的前移,已开挖完成的隧道断面的位移逐渐增大,直至达到隧道无支护条件下的最大变形umax,见图2中DC段。

2.2 位移释放系数与支护时机

本文采用位移释放系数法确定隧道的最佳支护时机。基于位移释放系数的支护时机确定方法是通过分析隧道施工后各个开挖面的变形释放状态,从而确定掌子面后方已开挖隧道的最佳支护时机(即支护点距掌子面的距离)。

如图3所示给出了隧道开挖但未施加支护结构情况下,隧道轴线方向拱顶竖向位移的分布形态。将隧道开挖后轴向任意位置x处某时刻顶拱竖向位移与隧道开挖后顶拱的最大竖向位移的比值称为位移释放系数u*(x),即:

图3 隧道开挖未支护下拱顶竖向位移计算曲线图

(1)

以位移释放系数u*(x)为控制指标是隧道时空支护设计的一种有效方法,可用于指导隧道支护时机的选择[8]。该方法的设计计算流程为:(1)隧道开挖施工后,距离掌子面远端处的拱顶逐渐释放产生位移,待顶拱位移逐渐收敛后,得到隧道在无支护情况下的最大变形值umax;(2)根据开挖中位移释放系数u*(x)与围岩最大变形值umax的乘积确定支护的起点,由此可以计算得到隧道支护后的最终变形量值,即隧道顶拱支护情况下的最大变形量值为支护特征曲线与围岩特征曲线的相交点位置所对应的变形。

3 岗岭隧道最佳支护时机分析

3.1 隧道开挖的弹塑性应力-位移分析

根据已有的研究结果,假定隧道围岩开挖卸荷过程的应力-应变力学响应特征符合理想弹塑性模型,且围岩的屈服特征服从摩尔-库仑强度准则,若将侧压力系数取为1,则隧道开挖后拱顶位移的变形特征符合式(2)。

(2)

式中:r0——隧道半径(mm);

c——隧道围岩的粘聚力(MPa);

φ——内摩擦角(°);

E——弹性模量(GPa);

μ——泊松比;

P0——支护结构提供的支护反力(mPa)。

参数A为:

(3)

Rp和R0分别为卡斯特纳塑性半径和芬纳塑性半径,其表达式为:

(4)

(5)

Pi为岩体所需的支护力,为:

(6)

将依托工程岗岭隧道的几何参数及隧道围岩的力学参数代入式(2),可计算得到隧道围岩变形随支护力的变化关系曲线,见图4。

图4 岗岭隧道拱顶径向位移-支护反力响应曲线图

由图4可知:随着支护反力的增加,隧道围岩变形呈现反比例曲线型降低的趋势;当支护阻力近似为0时,隧道拱顶径向最大变形将>12 mm,而当支护反力>1.5 MPa时,隧道顶拱径向变形将<1.6 mm。此外,图4给出的隧道变形曲线可用于指导后续隧道支护时机的选择。

3.2 隧道支护结构的力学特性分析

依托工程岗岭隧道采用喷射混凝土、锚杆、钢拱架的联合支撑结构体系对开挖隧道进行初期和二次支护,为了确定隧道的最佳支护时机,需要充分认识各种支护结构的变形-支护力特性。如图5所示给出了喷射混凝土、锚杆、钢拱架等隧道支护结构的理想弹塑性模型(即支护特征曲线SCC)。由图5可知,支护特征曲线SCC分为线弹性阶段和屈服阶段,其中,当支护结构处于线弹性阶段时,支护结构所提供的支护反力随支护结构的变形呈线性增长趋势,而当支护结构提供的支护反力达到最大值Pmax时,支护结构发生屈服,其所能提供的支护反力不再随变形的增加而增加,直至支护结构因变形过大而发生破坏。

图5 理想弹塑性模型的支护特征曲线图

如图6所示给出了岗岭隧道采用的3种支护结构的支护特征曲线。

图6 岗岭隧道支护结构的支护特征曲线图

(1)喷射混凝土支护特征曲线:喷射混凝土在隧道支护中提供的支护反力的大小受隧道半径和混凝土层厚度的影响,根据岗岭隧道中采用的喷射混凝土支护参数,得到岗岭隧道喷射混凝土在C25混凝土等级、200 mm厚度(泊松比为0.2)情况下的支护特征曲线,如图6所示。

(2)锚杆支护特征曲线:隧道开挖会引起开挖面向内一定深度的岩层发生裂化,锚杆的主要作用是将裂化岩层锚定于围岩深部完整岩层之上,从而避免围岩裂化后发生进一步的滑移和拉伸破坏,保证围岩的整体稳定性。岗岭隧道采用的锚杆长度为1.8 m,直径为24 mm,弹性模量为200 GPa,布设间距为0.8 m×0.8 m,根据学者针对锚杆的支护特征曲线的研究结果[9-10],可计算得到岗岭隧道锚杆的支护特征曲线。

(3)钢拱架支护特征曲线:钢拱架沿隧道轴向间距0.6 m布设,型号为Ⅰ22b,截面高度为220 cm,截面面积为46.528 cm2,弹性模量为210 GPa;根据学者提供的钢拱架刚度计算公式,结合岗岭隧道钢拱架的型号和规格,得到钢拱架的支护特征曲线如图6所示。

3.3 隧道最佳支护时机及支护效果分析

学者针对隧道最佳支护时机问题,从现场监测、数值模拟等方面开展了大量研究。文献[9]基于隧道实测资料,在文献[10]研究的基础上,提出了隧道支护时机确定方法,即当隧道变形达到u0时施加支护:

(7)

式中:l——隧道掌子面后端开挖后为未施加支护结构段距离掌子面的距离。

如图7所示为依托工程岗岭隧道收敛-约束平衡曲线图。根据式(2)及图4可以得到围岩未支护条件下的最大变形量为12.39 mm,进一步根据式(7)求得最佳支护时机,即围岩顶拱竖向位移达到3.87 mm时进行支护。在该支护条件下,喷射C25混凝土200 mm厚所能提供的支护反力为321.6 kPa;锚杆排距0.8 m×0.8 m,所能提供的支护反力为890.6 kPa;钢拱架沿隧道轴向间距0.6 m布设,所能提供的支护反力为956.0 kPa。支护后围岩的最终变形约为6.24 mm。

图7 岗岭隧道收敛-约束平衡曲线图

4 结语

本文以广西天峨县境内岗岭隧道为研究案例,采用基于收敛-约束法的隧道支护时机确定方法,分析了隧道弹塑性变形特征及联合支撑结构的收敛-约束状态,确定了岗岭隧道围岩最佳支护时机。结果表明:

(1)岗岭隧道顶拱竖向变形随支护反力的增加呈反比例曲线型降低,在无支护条件下隧道顶拱变形为12.39 mm,而当支护反力>1.5 MPa时隧道顶拱径向变形将<1.6 mm。

(2)岗岭隧道开挖后变形达到3.87 mm时为最佳支护时机,在最佳支护时机施加联合支撑体系后,隧道的最终变形可控制在6.24 mm左右;在联合支撑体系作用下,喷射混凝土、锚杆和钢拱架可分别提供321.6 kPa、890.6 kPa和956.0 kPa的反力。