挤压大变形软岩隧道双层初期支护最优施工方案研究*

袁 刚,徐金峰,李守仁,谢雄耀,严绍明,王安民

(1.云南临云高速公路有限公司,云南 临沧 675800;2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;3.云南省交通规划设计研究院有限公司,云南 昆明 650041)

0 引言

挤压性软岩大变形问题是隧道工程界的一大难题,常见的软岩一般都具有抗剪强度低、高地应力、遇水易软化分解等特性,隧道开挖后易产生过大变形,导致支护结构变形侵限、衬砌开裂、钢拱架扭曲等一系列工程问题［1-4］。为了控制这类挤压大变形问题,双层初期支护不失为一种合理有效的手段。但是一昧提高初期支护刚度来限制围岩的变形有时并不能达到理想效果,“边支边让”的设计理念［1］也可用于双层初期支护中,但双层初期支护厚度分配与第2层初期支护时机等相关问题仍需要进一步研究［5-6］。谢金池等［7］、马栋等［8］对软弱围岩开挖中出现的掌子面剥落、坍塌频繁与变形收敛问题难以抑制等灾害提出了双层初期支护方案,研究发现适当增大隧道高跨比与预留足够的第1层初期支护变形量可以有效降低围岩变形与支护结构受力。Liu［9］、Chen等［10］针对双层支护结构支护力学性能采用能量转化理论,提出了双层初期支护动态设计施工的方式,通过监测第1层初期支护的变形量和变形速率及时施作第2层初期支护,保障隧道安全掘进。邹昌磊［11］、孙启博［12］、韩常领等［13］对双层支护的作用机理与第2层支护的施作时间进行了分析,并对比了软岩隧道在不同双层支护方案下的变形控制效果。Xu等［14］对软弱岩层隧道开挖时衬砌受力不均匀进行了系统分析并提出了一种二次衬砌与让压支护结合的新型支护方式。文章通过相似模型试验与数值模拟的方式分析衬砌在不同倾角下的内力与屈服机理。姚正源［15］、胡九林等［16］考虑蠕变损伤模型对深埋破碎千枚岩隧道开挖掘进的影响并进行数值模拟,分析得出采用双层初期支护使得围岩自承能力得到提高,围岩蠕变性能降低。

纵观上述学者对于双层支护的研究,双层初期支护第2层初期支护的施作大都采用整环浇筑,一次封闭,而实际工程中第1层初期支护封闭成环往往需要6～7个循环［17-19］。由于挤压大变形隧道第1层初期支护不同位置变形量不同,且无法确定变形量大小,采用整环浇筑方法时须等到仰拱开挖结束后才可施作,第2层初期支护施作滞后时间过长,第2层初期支护与第1层初期支护中会出现很多空隙,导致双层初期支护不易形成整体受力结构。此外第1层初期支护变形过大,第2层初期支护预留变形量不足,也会导致第2层初期支护施作困难。所以在大变形隧道第2层初期支护不宜滞后第1层初期支护太长,宜与第1层初期支护同台阶分步施作。为了更好地指导挤压性软岩大变形隧道的施工,本文依托临云高速公路大亮山隧道现场施工中单层初期支护刚度不足造成的钢拱架扭曲、喷射混凝土开裂剥落和初期支护侵限等问题提出双层初期支护方案,并利用FLAC3D数值计算对第2层初期支护的施作方式与时机以及双层初期支护内外2层厚度分配进行分析研究,以期保障大变形隧道的施工安全并为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

云南省临云高速公路大亮山隧道全长10 210m,因隧道区间地形复杂,设计采用分离式施工。隧道出入口附近均有断层破碎带,受断层作用影响,隧道区内岩体节理裂隙区发育异常,岩体极易破碎,岩芯多呈碎屑状、土柱状,围岩稳定性较差。结合现场超前水平钻孔,超前地质预报与现场开挖裸露围岩显示,围岩为强～全风化变质片岩,呈粉状、软弱,灰白色、黑色交替,有大量黏土填充,夹层发育密集。此外,隧道区间地表水体充沛,地下水主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水,主要受地层岩性构造裂隙分布变化和岩层风化构造裂隙群带边缘发育疏密程度的双重条件控制。隧道在断层破碎带、高地应力等影响下在ZK20+080和YK20+110处开始发生挤压大变形,地质构造特征产状如图1所示,从开挖揭露产状可以看出,断层破碎带与隧道开挖方向呈现约30°的斜交。

图1 隧道岩层地质产状Fig.1 Geological occurrence of tunnel strata

1.2 隧道病害情况

受断层破碎带及高地应力影响,大亮山隧道开挖过程中大变形问题突出。施工过程中出现的初期支护变形侵限、钢拱架扭曲和喷射混凝土开裂剥落等病害现场如图2所示。隧道出口左幅未封闭成环段ZK20+035段拱顶及拱肩竖向位移监测结果如图3所示。由于围岩应力释放迅速,预留量为800mm,拱顶下沉最大已达到1 268mm,上台阶收敛变形也达到755mm,单日变形速率最大为178mm。过大的围岩变形导致上中台阶拱架出现大范围扭曲折弯,喷射混凝土出现大范围开裂,初期支护结构大面积侵限。

图2 隧道病害情况Fig.2 Tunnel disease situation

图3 ZK20+035段变形监测结果Fig.3 Monitoring results of ZK20+035

现场变形监测拱顶沉降与上台阶水平收敛变形结果如图3所示,Ⅰ区域为上台阶开挖支护后围岩的快速变形阶段,由于围岩性质软弱,支护强度不足,围岩变形迅速;Ⅱ区域为中台阶开挖支护后围岩变形情况,此时随着开挖范围扩大,围岩应力进一步释放,洞周位移也进一步增加;Ⅲ区域为下台阶与仰拱开挖支护后围岩变形阶段,该阶段随着仰拱的封闭成环,初期支护整体刚度提高,围岩变形速率逐渐降低;Ⅳ区域为二衬封闭成环后围岩变形收敛阶段,二衬浇筑后围岩仍缓慢变形,并最终导致二衬开裂。监测结果表明单层初期支护难以控制高地应力隧道掘进过程中围岩变形,变更设计后采用双层初期支护控制高地应力大变形段。然而,内外层初期支护不同厚度对支护效果的影响不明,第2层初期支护施作时机的不确定也给施工带来了巨大的难题。为此,开展双层初期支护施作时机及内外两层支护厚度比对支护效果的影响研究,以期得到双层初期支护最优化施工方案,保障隧道顺利安全掘进。

2 挤压大变形隧道双层初期支护时机数值模型

2.1 隧道双层支护三维数值开挖模型建立

结合现场三台阶开挖施工和初期支护施作次序,数值模拟采用三台阶开挖,其中上、中、下台阶长度均为6m,下台阶和仰拱一次开挖成型,开挖进尺为1.5m。二衬厚度为0.6m,滞后第2层初期支护10m开始施作。影响双层支护效果的主要因素是支护厚度与支护时机,采用控制变量法,共设计9种工况。当以支护时机为变量时,第2层初期支护与第1层初期支护施工方法相同,采用分台阶施工,分别滞后第1层初期支护0,2,4个开挖进尺施作第2层初期支护。当以两层初期支护厚度比为变量时,改变第1层初期支护和第2层初期支护的厚度,控制初期支护厚度为0.5m不变,第1层初期支护厚度与第2层初期支护厚度比值分别为0.9,1.0,1.1。数值模拟工况汇总如表1所示。

表1 数值模拟工况设计Table 1 Working condition design of numerical simulation

根据表1设置的第2层初期支护滞后进尺如图5所示。

图5 第2层初期支护施作时机隧道模型Fig.5 Tunnel model with different supporting footage

2.2 材料参数

数值模拟中围岩参数根据地勘报告并结合现场实际围岩情况取值,为便于模型建立,将喷射混凝土与钢拱架根据等效刚度原理进行计算,等效原则根据式(1)计算：

E=(EcAc+EsAs)/A

(1)

式中：E为折算后的初期支护弹性模量;Ec为喷射混凝土的弹性模量;Es为工字钢的弹性模量;As为工字钢的截面面积;Ac为单位宽度上喷射混凝土截面面积。第2层初期支护的厚度分别取为第1层初期支护厚度的0.9,1.0,1.1倍。相关物理力学参数如表2所示。

表2 数值模拟材料参数Table 2 Material parameters of numerical simulation

2.3 监测点位

监测内容主要包括围岩变形、塑性区半径以及双层初期支护结构内力,为消除边界效应对结果的影响,取隧道中部断面Y=40m作为监测断面。监测点位如图6所示,共包含4个位移监测点,8个应力监测点,其中W1～W4为围岩变形监测点,C1～C4为第1层初期支护应力监测点,N1～N4为第2层初期支护应力监测点。

图6 监测点位示意Fig.6 The monitoring sites

3 数值模拟结果分析

根据模型计算结果,提取监测断面拱顶沉降值、仰拱隆起值、水平收敛值以及初期支护最小主应力,将外层初期支护最小主应力除以内层初期支护最小主应力定义为最小主应力比,汇总如表3所示。

表3 数值模拟各工况监测结果Table 3 The monitoring results of the numerical simulation

3.1 第2层初期支护滞后进尺与双层初期支护厚度比对支护效果的影响

3.1.1支护时机及支护厚度比对变形的影响

Intelligent Scheduling Optimization of Yard Crane in Container Terminal Based on Genetic Algorithm

为分析第2层初期支护滞后进尺与双层初期支护厚度比对支护效果的综合影响,将表3各工况的数值模拟结果提取并绘制第2层初期支护滞后进尺-双层初期支护厚度比-变形三维曲面图,如图7所示。其中x轴与y轴分别为第2层初期支护滞后进尺和双层初期支护厚度比,z轴分别为拱顶沉降值、水平收敛值。

图7 滞后进尺-厚度比-变形三维曲面Fig.7 3D surface of lag footage-thickness ratio-deformation

从图7a与图7b可以看出,随着第2层初期支护滞后进尺的增加,隧道断面拱顶沉降与水平收敛值均呈上升趋势;当第2层初期支护滞后进尺固定时,随着第1层初期支护与第2层初期支护厚度比的提高,隧道断面拱顶沉降与水平收敛值均呈下降趋势。工况7(滞后4个开挖进尺、厚度比0.9)与工况3(滞后0个开挖进尺、厚度比1.1)相比拱顶沉降值与水平收敛值分别提高了63.8%,22.8%,及时施作第2层初期支护与提高第1层初期支护的厚度均可以有效控制围岩的变形收敛。

隧道变形-开挖时步曲线如图8所示。由图8可知,在开挖至目标断面之前,各工况均发生一定的超前变形,此时拱顶沉降值均超过了最终变形量的20%,围岩性质软弱。随着掌子面开挖,围岩迅速变形,下台阶开挖并施作仰拱后隧道变形收敛趋于稳定。当第2层初期支护与第1层初期支护同时施作时,改变双层初期支护厚度比对隧道拱顶沉降及仰拱隆起影响较大,其中厚度比为1.1与厚度比为1.0相比,拱顶沉降与仰拱隆起值各减少了16%,16.5%;此时隧道水平收敛受厚度比的影响较小。当双层初期支护厚度比为0.9时,改变滞后进尺对隧道竖向变形及水平收敛均有较大影响。通过对竖向变形及水平收敛曲线进行对比,水平收敛稍滞后于拱顶沉降,仰拱隆起变形也滞后于水平收敛变形,这是因为采用了三台阶开挖法,围岩受到未开挖土体的约束作用。

图8 隧道变形-开挖时步曲线Fig.8 Curve of tunnel deformation-excavation step

综上,适当降低第1层初期支护厚度与增大第2层初期支护滞后进尺可以充分释放围岩的变形压力。

3.1.2支护时机及支护厚度比对塑性区的影响

隧道开挖完毕后,提取各工况监测断面塑性区,如图9所示。图9中None区域为未进入塑性区的土体,shear-n区域为当前处于剪切破坏状态,shear-p区域为过去曾发生剪切破坏,shear-p与shear-n均表示岩土体已进入塑性状态。对比图9a～9c可以发现,当第2层初期支护与第1层初期支护同时施作时,提高第1层初期支护厚度,隧道拱腰、拱脚处的塑性区半径均有所减小,这是因为适当提高第1层初期支护厚度可以有效控制围岩的早期变形,抑制塑性区的发展。对比图9a与9d,当控制初期支护厚度比不变时,改变第2层初期支护滞后进尺对隧道的塑性区发展影响较大。当第2层初期支护施作滞后第1层初期支护4个开挖进尺时,隧道贯通后拱肩塑性区仍然在继续发展,隧道仍未达到稳定状态,隧道的安全系数较低。

图9 监测断面塑性区Fig.9 Plastic area of monitoring section

3.1.3支护时机及支护厚度比对支护内力的影响

如图10所示,当滞后0个开挖进尺,即双层初期支护同时施作时,第1层与第1层初期支护同时抵抗围岩的压力,两者拱顶最小主应力之比接近于1。随着第2层初期支护滞后进尺的增加与第1层初期支护厚度的提高,第1层初期支护承担的内力逐渐提高,当第2层初期支护施作滞后4个开挖进尺、双层初期支护厚度比为1.1时,初期支护结构拱顶的最小主应力比达到6.94。可以预见,当第2层初期支护滞后第1层初期支护开挖进尺进一步增大与第1层初期支护厚度持续下降时,第1层初期支护将难以抵抗过大的围岩压力直至屈服,此时围岩压力将主要由第2层初期支护承担。

图10 滞后进尺-厚度比-应力比三维曲面Fig.10 3D surface of lag footage-thickness ratio-stress ratio

为了更直观对比各工况下支护结构的内力分配,将上述9种工况的双层初期支护结构拱顶最小主应力进行提取,如图11所示。

图11 双层初期支护最小主应力比(拱顶)Fig. 11 Minimum main stress ratio of double support (vault)

从图11可以看出,随着第2层初期支护滞后进尺不断增加,第1层初期支护所承担的内力相应提高,第2层初期支护承担的内力也逐渐下降。当第2层初期支护与第1层初期支护同时施作时(工况1～3),第1层初期支护的内力较小,但是第2层初期支护所承担的内力过大,此时围岩的应力没有得到充分释放,双层初期支护的总应力也最大;该种支护形式虽然对围岩的变形控制作用最强,但是此时的荷载分配形式最差,支护结构的安全性与冗余度过低,难以应对各种突发灾害。当第2层初期支护滞后2个开挖进尺(工况4～6)或滞后4个开挖进尺(工况7～9)时,第1层初期支护的应力相较于滞后0个开挖进尺的工况有所提高,但双层初期支护的总应力明显减少。此时第1层初期支护主要承担围岩变形释放的压力,第2层初期支护的施作主要作用为加快围岩的变形收敛并提高支护结构的稳定性。此外,对比工况4～6可以发现,随着双层初期支护厚度比的提高,第1层初期支护所承担的应力也有所上升,但对支护结构内力影响较小,双层初期支护结构的应力主要受第2层初期支护滞后进尺的影响。

3.2 最优化双层初期支护施工方案

从上节分析可知,第2层初期支护滞后进尺过小固然可以减小隧道的变形收敛,但这样施作时双层初期支护结构的最小主应力之和也最大,结构的安全储备过低;滞后进尺过大也会导致第1层初期支护进入屈服阶段,隧道变形难以控制。双层初期支护厚度比也反映了相似的规律,提高第1层初期支护厚度可以控制围岩的早期变形,但是围岩应力得不到充分释放,支护结构荷载分配较差。

综合考虑支护结构内力分配、围岩变形收敛与塑性区半径,选取工况4(滞后2个开挖进尺,厚度比为0.9)、工况5(滞后2个开挖进尺,厚度比为1.0)与工况8(滞后4个开挖进尺、厚度比为1.0)3组进行对比分析。开挖面为40m时拱顶沉降曲线如图12所示,监测断面初期支护结构内力对比如表4所示。

表4 监测断面荷载分担百分比Table 4 Share of load percentage of monitoring section

图12 拱顶沉降曲线Fig.12 Settlement curve of the vault

从图12可以看出,当第2层初期支护滞后2个开挖进尺、初期支护厚度比为0.9时,开挖之前拱顶已经发生了7.8cm的沉降,达到了整体沉降的29%,围岩性质软弱,最终总沉降值为26.5cm。当第2层初期支护滞后2个开挖进尺、初期支护厚度比为1.0时,围岩的开挖前变形为5.9cm,最终沉降为24.9cm,均为3种工况中的最小值,此时,较大的第1层初期支护厚度有效控制了围岩的变形松动,随着第2层初期支护的及时施作,加快了围岩最终的收敛变形。当滞后4个开挖进尺、初期支护厚度比为1.0时,开挖前拱顶沉降约占总沉降的19%,超前变形主要取决于第1层初期支护的厚度;第2层初期支护由于施作时间滞后较多,围岩变形松动未得到有效控制,最终拱顶沉降量达到30.6cm。此外,从表4可以发现,拱顶处第1层初期支护承担的内力相较于隧道其余位置较大,衬砌施作后应着重关注拱顶处的位移变化。工况4、工况5与工况8的外层初期支护结构拱顶所承担的应力分别为79.2%,83.5%与87.4%,此时,双层初期支护结构拱顶最小主应力分别为136.5,135.7MPa与147.8MPa。3种工况下双层初期支护结构受力形式相似,外层初期支护均承担了绝大多数围岩的挤压应力,第2层初期支护均起到加快围岩变形收敛、提高安全储备的作用。

综上所述,采用双层初期支护厚度比为1.0,第2层初期支护滞后第1层初期支护2个开挖进尺的双层初期支护方案不仅能充分释放围岩的压力,在第2层初期支护施作后也能提供足够刚度,促进围岩的变形收敛。

4 结语

本文通过对大亮山隧道高地应力状态下的软岩大变形隧道双层初期支护厚度比与内侧初期支护施作时机进行了隧道开挖三维数值模拟,分析了不同工况下围岩的变形收敛、塑性区半径和支护结构应等力学特性参数,得到以下结论。

1)隧道拱顶沉降值、仰拱隆起值、水平收敛值与塑性区半径随第2层初期支护滞后进尺的增大呈上升趋势,第1层初期支护应力也逐渐增大直至进入屈服阶段。第1层初期支护厚度越大,对围岩的早期变形控制作用越强,围岩应力释放不充分,隧道变形收敛速率较慢。

2) 综合考虑初期支护厚度比与滞后进尺对隧道变形收敛的影响,当第1层初期支护厚度较小时,滞后进尺为控制围岩变形收敛的主要因素;滞后进尺较大时,双层初期支护结构厚度比为控制围岩变形收敛的主要因素,支护方案的设计需结合不同因素对隧道收敛变形的影响。

3)依据台阶法开挖下隧道双层初期支护结构的力学特性,采用双层初期支护厚度比为1.0、内侧初期支护滞后2个开挖进尺的支护方案最佳。此时“边支边让、先柔后刚”的支护理念既可以充分释放围岩压力,双层初期支护也能加快围岩的收敛变形。

4)挤压性软岩大变形隧道现场易出现非对称变形、围岩压力分布极其不均等地质变化情况,需有针对性地打设长锚杆或锚索、使用新型让压支护等手段,使得围岩压力分布更加均匀。本研究未能全面涵盖,限于篇幅,研究团队后续将探索隧道非对称大变形的最优支护控制技术。

本文主要针对隧道挤压大变形区段双层支护方案的支护施作时机和支护厚度比开展了数值研究,然而,隧道现场围岩条件复杂多变,对于隧道大变形段支护方案可以在本文的研究基础上,结合工程实际,增设锚杆或锚索、大锁脚和加深仰拱等,也可局部采用让压支护,共同形成耦合支护控制技术方案,以提高围岩的稳定性,同时施工方案也应根据隧道变形情况进行动态反馈调整,方可控制隧道大变形问题。