CN107609241B - 软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设计方法，属于土木工程技术领域。该方法采用三维粘弹/粘弹塑性数值模拟计算与“收敛—约束特征曲线法”结合，以优化设计软弱流变围岩隧道二衬结构的刚度及其施作时机。本项发明提供的方法，除理论意义外，还具有重要的工程实用价值，其经济效益将十分可观，所节约的土石方开挖量、砼和钢材耗用量以及在施工工期等主要方面，绩效都十分显著。

Description

软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设 计方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种软弱流变围岩隧道二衬结构刚度及其施作时机的优选设计方法。

背景技术

进入21世纪以来，我国越岭隧道及各类岩石地下工程得到了前所未有的快速发展，但工程设计中存在的，诸如：对隧道衬砌结构各受力变形阶段其力学特征的模糊性及其随机变化的不确定性、山体荷载的不确知性、地下工程施工信息的不完备性等等，均有待深入系统探究，以实现设计安全、合理、适用和经济的基本要求。

加之，现场施工条件的诸多复杂性和为了施工组织的安排方便，隧道施工中经常出现难以按理论和设计要求合理施作二次衬砌的情况。有如：施工中为了防止软岩隧道初期支护发生过大变形，二次衬砌经常是紧跟“初支”之后就立即施作(或反之，又失之施作过晚)、围岩变形位移尚未有一定释放(或又因围岩变形释放过度导致洞周围岩已发生松动)的情况下施作二次衬砌。在上述二者均不合适的情况下，将极有可能导致隧道二衬结构因不合理地承担过大的围岩荷载而出现不允许的内力和变形位移，致衬砌砼产生不允许的裂缝扩展、甚或局部失稳等危象。当前，在国内外都已不只是个别出现上类情况，此时二衬结构的持续安全和可靠性将令人疑虑，并能否将二衬作为隧道结构耐久性方面的一种安全储备等等，都是值得业界深思并亟待关注解决的关键性问题。

这里，合理优选施作隧道二衬支护的最佳时机与对二衬结构合理刚度(含衬砌断面厚度与二衬配筋)的优化设计，已是关系到整座隧道工程设计最重要的一项当务之急。若此时衬砌支护施作时机过早，围岩应力及其变形位移尚未能得到相应的一定程度的释放，则会导致二次衬砌日后的受力和变形不合理地人为过大；又如，如二次衬砌施作时机过晚，则洞周软弱流变围岩的形变压力与塑性变形已过度发展，此时围岩将呈局部松动状态，使围岩应力水平不合理地过度增大、并甚或转化为骤然急速发展的“松动荷载”状态，同样会对二次衬砌产生过大的山体压力而加剧其结构裂损、甚或产生有可能导致洞周围岩局部失稳而掉块、崩塌等情况。上述二者均不可取。为此，二衬设计时应如何保证充分发挥围岩的自承和自稳能力并据此确定二衬最佳的支护时机及其合理的变形刚度，是一项在设计中需要切实做到：如何合理控制隧道围岩地应力和变形位移适度而又不过度地释放；同时，又要有理论依据地切实保障隧道结构的持续安全(耐久性)。

在以往的隧道“围岩-支护系统”的稳定性研究中，关于二衬结构刚度及其施作时机问题，国内外业界均尚鲜有深入系统探讨；近年来，主要只通过以下两种方式进行粗略分析：一是采用依据“收敛约束法”的解析解方式作分析，但该方法在应用上主要存在以下不足：(1)受到洞型、不同地层和对围岩初始“应力释放率”不够掌握等客观条件的制约和影响，该法只能在理论上作些不尽合理的简化和近似，致使分析结果仍难以符合工程实际；(2)未及计入当软弱地层(当其地应力水平﹥岩土体材料流变下限的情况下)而滞后发展的流变粘性变形滞后时效作用；(3)未能考虑隧道开挖作业面存在和岩体走向与隧道纵轴不平行时所导致的三维空间约束效应；(4)难以考虑并确定在二次衬砌设置之前的“初支”阶段、先已发生了的洞壁径向位移，而这在计算中是不应忽略的，否则它将会导致偏不安全的设计结果；(5)这种解析解的实用范围十分有限，主要仍限于定性上的理念性(idea/conception)探究，而难以得到具体定量的结论为设计所用。综此，上述早前建议的方法实际采用的工程价值却很小。此处，因当前在现有技术实践中仍限于多只采用粘弹性理论和收敛约束法并只从二维平面应变问题角度来进行计算简化，则这种方法在该方面另又存在以下问题和缺点：(6)计算设定条件为平面应变、即衬砌沿隧道轴向的纵应变为零，在存在“施工作业面”对隧道衬砌的纵横向变形均具有约束效应的实际情况下，这与隧道的空间三维受力性态不符；(7)不能确定在二衬设置之前、作业面前方隧道围岩沿尚未开挖到的洞壁周边已经发生了的收敛变形，而它对作业面后方进一步发展的变形位移将产生相当影响而不可忽略；(8)未能模拟围岩流变后续发展使蠕变从早前的粘弹性、因变形增长而进入粘塑性阶段后的围岩与衬砌受力的变化，致使计算结果与实际不相符合。上述各项原因，其计算结果的偏差过大，常不能为工程采用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有隧道衬砌结构设计中普遍存在的问题，并旨在提供一种对软弱流变围岩隧道二次衬砌结构合理刚度及其最佳施作时机的优选设计理论和方法。该方法是基于三维粘弹塑性理论、建立在非线性数值模拟计算和“收敛—约束特征曲线”方法三者结合的基础上而建立的一种新的优化设计手段。

本发明所采用的具体技术方案如下：

软弱流变围岩隧道二衬结构刚度及施作时机优选设计的一种新方法，其具体实施步序如下：

S1：基于隧址附近的工程地质和水文地质资料，对隧道内分区段判定围岩等级类别，并分别确定不同区段隧道所不同的隧道二次衬砌支护方案，得出隧址区围岩及其支衬结构的物理力学特征数据及其相应的技术参数；

S2：考虑围岩的粘弹塑性流变效应，经模型本构辨识和模型参数测定后，采用幂律型蠕变模型，并根据Mohr-Coulomb准则建立软岩三维流变数值计算模型，该模型由二维平面模型沿隧道纵向进行延伸得到，模型中设置有开挖作业面；

S3：预先设定二次衬砌的施作时机和二衬初始刚度；在三维流变数值计算模型中，对不同的二衬支护时机以及不同的二衬刚度相组合的多种方案进行三维粘弹塑性非线性流变数值模拟，得到考虑围岩粘弹塑性流变效应后的围岩收敛曲线和二衬支护约束曲线；

S4：基于围岩收敛曲线和二衬支护约束曲线，优化确定两条曲线的交会界点位置，进而经优化设计得出该软弱流变围岩隧道二衬结构的合理刚度及其最佳施作时机。

作为优选，在模型数值模拟过程中，为保持洞室围岩开挖后的稳定性，紧随隧道开挖应实时施作锚喷和钢拱支架作为初期支护。

作为优选，所述的三维流变数值计算模型中划定众多个单元结点和四边形线应变变化单元，并对边界进行位移约束。

作为优选，所述的交会界点位置选择为：接近围岩收敛线进入松动状态前的最低点，但又保留有一段安全距离的稍高点位。

作为优选，隧址区围岩及其支衬结构的物理力学特征数据及其技术参数，可根据现行《公路隧道设计规范》以及现场岩样室内流变非常规试验获得。

作为优选，以隧道二衬施作应距作业面的最小距离作为二次衬砌预先设定的施作时机，并以隧道二次衬砌常规采用的截面厚度和配筋率作为预先设定的二衬初始刚度。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)采用围岩三维流变时空效应进行了非线性数值模拟分析，从二衬结构不同施作时机和不同截面刚度的对比研究角度，分别得到了洞周围岩和隧道二衬结构的受力和变形。通过定量化的结果及其相互间的对比，得出了有关最佳的二衬施作时机及其合理刚度的选择依据；

(2)采用本发明的三维模型进行三维粘弹塑性流变分析过程中，计入了随隧道施工作业面掘进、洞周围岩沿作业面前、后方其纵向变形位移的历时发展，以及洞室开挖后围岩二次应力重分布；考虑了因受施工作业面存在的空间约束效应和初支以后、在二衬施作前洞周围岩先已发生了的变形位移(u₀)，以及因作业面存在和岩层走向与隧道纵轴不对称而产生的空间约束效应对围岩与二衬结构稳定性的有利影响；

(3)在三维流变数值计算模型中计入了围岩粘滞性变形——流变时效，对围岩和支衬结构系统的“收敛—约束时程曲线”能以作出定量化描述。通过多种方案的对比分析，可优化确定二衬结构约束线与围岩地应力释放收敛线二者交会界点“A”(见后文图3)的合理位置，并结合洞周上方围岩塑性区的布置形态，为施工过程中隧道二次衬砌结构的施作提供确切的理论依据。

附图说明

图1为“围岩-支护系统”的主要设计参数；图中：①开挖作业面；②掘进方向；③围岩(主要参数：E，ν，c，

)；④锚、喷、网、钢拱架等初期支护(主要参数，含：锚杆长度、杆径、纵环向排距，喷砼厚度，钢拱型号和排距等)；⑤二次衬砌(主要参数，含：衬厚、配筋率，洞室主体尺寸等)。

图2为因作业面存在和岩层走向构成的三维空间约束效应示意图；图中：①开挖作业面；②围岩纵向变形位移；③岩层走向(不与隧道纵轴线相对称)。该图中①、③两者，是需要作三维空间分析的主要原因。

图3为隧道“围岩—支护系统”的收敛-约束特征曲线；图中：p为地应力释放值；u为洞周围岩径向变形位移值；u₀为二衬施作前，初支后围岩已产生了的变形位移；u₁为二衬施作后，二衬围岩变形位移的收敛值；①围岩收敛线；②二衬支护约束线；③二衬刚度(k)；④围岩塑性软化；⑤残余强度；⑥围岩松动失稳；A为二衬合理施作时机的理想点位。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

结合某山区流变软岩隧道的工程实际，对其二次衬砌的结构进行优化设计，就以上研究成果的计算运作和实施，本节再作该方法的的具体实施如下。

该隧道毛宽18.66m，毛高12.71m。其出入口为岩石松散破碎、浅埋暗挖洞段，以及洞内断层破碎带和节理密集带均采用优化后的CRD工法的开挖施工方案进行。其开挖步序的先后为：左侧导坑上半断面—右侧导坑上半断面—左侧导坑下半断面—右侧导坑下半断面；预期开挖进度为1.5m/d，开挖过程中和开挖以后的围岩和支衬结构受力均计入了软岩粘性变形滞后的流变时间效应。施锚和网筋喷层砼以及钢架初期支护，均紧跟作业面进行。依据以下所述步序进行隧道二衬结构设计，并采用三维粘弹塑性(计及岩层走向和掘进作业面存在的影响)作非线性流变数值模拟计算；进而结合采用“收敛—约束特征曲线”法来优选该软弱流变围岩区段隧道结构的二衬刚度及其施作时机。

数值模拟的计算步序，其步骤先后依序为：

第1步：从收集隧址所在处的工程地质和水文地质资料着手，隧道出入洞口段山体覆盖层为第四系残积土和坡洪积碎石土、含碎石粉质黏土，下伏全风化～微风化晚侏罗统西山头组凝灰岩；其节理断层发育，主要分布于滨海平原区底部和低山丘陵区表部。主要工程地质层组自上至下依次为：含砾粉质黏土、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩、微风化凝灰岩。除上述隧道出、入口浅埋洞段为上覆松散破碎残积土层，基本上无自稳能力外，进洞后再又共穿越4条断层和2条节理密集带。受其影响，断层及节理密集带穿过段的围岩，开挖后围岩稳定性也很差，其抗压、抗剪强度和围岩自支护能力在开挖后均有显著下降。隧址以上三类洞区的围岩级别均属Ⅴ级，这类围岩表现的主要力学特征，是：强度低、压缩性高、自稳和自承能力差；而从岩样室内试验情况看，其岩体流变属性则十分明显，各该处V级围岩的平均应力水平均普遍超过岩体无侧限流变下限，其绝大部份均呈现粘弹/粘弹塑性流变变形时间效应的基本属性，应据此进行后续进一步研究。

为保持洞室围岩开挖后的稳定性，数值模拟过程中紧接隧道开挖(约在地应力释放80％时)即实时施作锚喷和型钢拱支架作为初期支护。该隧道原先的初期支护方案采用为：施锚、二次复喷网筋砼以及布设格构式拱架与型钢拱交错并用的“超强支护”初支方案；此时，则二次衬砌将基本上不承受初支以后围岩持续增长发展的形变压力作用，而可仅作为隧道运营期水荷载和潜在的地震动载等方面的安全储备。这一方案显属浪费而缺乏采用的合理性。为此，经征得业主和施工方同意，在此处后续的研究中，均已变更以上的原先设计，而改用“取消复喷、只用轻型的型钢拱”的修正方案另进行初支设计施工。

同时，结合并参考了现行“公路隧道设计规范”，以及现场岩样室内流变非常规试验，得出隧址区围岩及其支衬结构的物理力学特征数据及其诸相关主要技术参数，见图1所示。

第2步：考虑围岩的粘弹塑性流变效应，先经模型律定(本构辨识)和相应的各模型参数的测定后，采用幂律型蠕变模型，并根据Mohr-Coulomb准则建立三维流变数值计算模型。三维模型是通过将二维平面模型沿隧道纵向适当延伸而作出的，能够考虑衬砌沿隧道轴向的纵应变以及隧道开挖作业面存在和岩体走向与隧道纵轴不平行时所导致的三维空间约束效应。模型中设置开挖作业面，纵向长度取为60m，共设105821个结点、100280个四边形线应变变化单元。模型左、右边界X水平方向位移受约束，下边界Y竖直方向位移受约束，而前后边界则Z方向位移受约束。其中，X方向是指与水平方向平行且垂直于隧道延伸方向的坐标轴方向；Y方向为垂直于X轴方向且垂直于隧道延伸方向的坐标轴方向；Z方向为垂直于X、Y轴且与隧道延伸方向平行的方向。

本发明中幂律型蠕变模型是从岩石的流变特性出发，根据岩石流变试验曲线，直接拟合出岩石流变的经验本构关系式，是一种业界已熟知并普遍通用的岩石流变经验关系模型，属非线性粘弹性模型。此后，当变形发展进入塑性阶段后，再进行的粘弹塑性非线性数值计算分析，则是结合了非线性粘弹性幂律型蠕变方程和摩尔-库伦屈服准则而得到的。

第3步：暂先设定二衬施作时机，以要求其距作业面的最小距离为条件，作为二次衬砌的初步施作时机；而以粗拟的二衬厚度(沿袭传统上习惯采用的为准)及其常用的配筋率，作为二衬的初选刚度来作试探性初次计算。二次衬砌约在地应力释放90％以后施作，且约在距作业面(1～2)×D(D为洞室水平向的最大毛跨)之后，以免除爆破作业振动波对新筑砼的干扰。如施作二衬时间再早，二衬结构将有可能因距作业面太近，而受爆破震动影响致新筑砼发生裂损破坏。

为开展对三维粘弹塑性非线性流变数值模拟，此处进行了细致的分析计算；并使之结合“围岩-支衬系统”的“收敛-约束特征曲线”进行。计入“掘进作业面”和“岩层走向”所导致的空间约束效应进行围岩流变分析，是本发明的重点(参见图2)。通过分别设置不同方案的研究对比，作出了对不同的二衬支护时机以及不同的二衬刚度相组合的多种比较方案。针对不同方案，可得到二衬随时间的受力变化以及洞周围岩体的变形发展，以最大程度地充分发挥围岩的自承和自稳能力以及二衬所承受的在初支以后又再持续增长发展的形变压力的支护作用；同时，并使洞周围岩的变形位移和二衬结构的受力(二衬最大弯矩、轴压和拉剪应力)均在相关的国家与行业规范以及施工工程经验所允许的范围之内；进而选定使围岩和二衬支护均达到上述最优工作状态的研究设计方案。前述这些，在图3所示的“收敛约束曲线”上均能得到定量化反映和体现，从而据此实现了优选二衬合理刚度及其最佳施作时机的设定要求。

本实施例中，经对以上不同考虑的多种二衬施工方案的比选，二衬合理刚度及其最佳施作时机可进一步实现如下：

(1)关于流变软岩隧道二次衬砌结构的施作时机问题：考虑二次衬砌施作时机时、其距爆破掘进作业面的距离D，可分别按取：1.0D、1.5D和2.0D，作比较计算；

(2)关于优选二次衬砌的最佳刚度问题：考虑各种不同的二衬结构厚度，分别取为：40cm、50cm和55cm；其截面配筋率分别取为：1.0％和1.5％，作比较计算；

分别按照①：相同的二衬施作时机、而采用不同的二衬刚度；以及②：不同的二衬施作时机，而采用相同的二衬刚度两类，进行二衬支护结构的内力及相应的围岩变形位移作数值模拟计算分析比较。其分析结果为：

1)二衬在不同施作时机和不同变形刚度的条件下，考虑围岩的粘弹塑性流变效应后，对各个不同方案，其结果仅是二衬截面的轴力与弯矩的最大量值不同；其截面最大拉应力均出现于墙脚部位，其余部位均为小偏心受压；随二衬厚度从40cm变化到55cm，二衬结构的最大拉应力出现了增大趋势，而顶拱部位的竖向变位和截面最大压应力则趋于减小；但因二衬刚度不同所引起的围岩变形位移值的差别却不大。

在三维流变数值计算模型中，对不同的二衬支护时机以及不同的二衬刚度相组合的多种方案进行三维粘弹塑性非线性流变数值模拟，可以得到考虑围岩粘弹塑流变效应后的围岩收敛曲线和二衬支护约束曲线(收敛-约束特征曲线)。在起初一段范围内，围岩收敛曲线呈线性变化，反映出围岩此阶段呈弹性变形；而随着围岩地应力进一步释放，曲线变化趋缓，围岩逐步进入弹塑性变形阶段；因侧压力系数小于1，围岩塑性区首先在侧墙部位出现，并沿近45°方向延伸至地面；到初支施作时，围岩塑性区将扩展至顶拱部位。从二衬支护约束曲线则可以得出：三种不同二衬刚度的衬砌结构在同一时间施作时，不同二衬刚度在约束特征曲线中将反映出不同的直线斜率(随二衬刚度增加、其约束线的斜率k也相应增大)。

本实施例通过多种方案的对比分析，可优化确定二衬结构约束线与围岩地应力释放收敛线二者交会界点“A”的合理位置(见附图3中的“A”点)，A点以选择接近岩体残余强度(图3，⑤)也即围岩收敛线进入松动状态(图3，⑥)前的最低点⑤，而又保留有一段安全距离的稍高点位“A”为最理想，此时“A”点尚未到达岩体残余强度但又极为接近该最低点。基于“A”点并结合洞周上方围岩塑性区的展布形态，可以为施工过程中隧道二次衬砌结构的施作提供确切的理论依据：图3中二衬支护约束线中的k值，即为二衬最佳刚度；并进而可以确定二衬施作的最佳时机。

2)随着设定二衬施作时间的延后，施加于二衬结构上的粘弹塑性形变压力值有所减小，但其后续形变压力值的变化亦渐趋减小；而比照所对应采用的相同的二次衬砌刚度言，二衬施作时机延后后，其截面轴力和弯矩值亦均有所减小，截面弯矩和轴力最大值的部位则基本不变；二衬结构截面最大拉应力和压应力以及顶拱部位的变形位移比二衬施作时机为距掌子面为最小距离1.0D时的均有所减小。

3)当以二衬截面最大压应力值作为考察指标时，上两者影响因素中的主次顺序(由主→次)为：二衬施作时机→二衬截面衬砌刚度。此处，二衬施作时机的优选起到主要作用；二衬刚度则次之。

当改为以二衬截面最大拉应力值作为考察指标时，则上两者影响因素中的主次顺序(由主→次)将改为：二衬截面衬砌刚度→二衬施作时机。此处，改为由二衬变形刚度的优选起到主要作用，其施作时机为次之。

本实施例最终形成的上述意见，可为实际隧道工程设计提供重要参考和理论指导作用。

最后，还应着重指出，在当前国内隧道的大量施工实践中，传统习惯上的做法往往是：对隧道出入口浅埋暗挖洞段，以及洞内断层破碎带和节理密集带等不良围岩区段(这些洞段的围岩级别当在Ⅴ、Ⅵ类之间所属的软弱、破碎、松散围岩，有时还因富水而经常有涌水、突泥等不利情况)，对这些洞段总是设法“尽可能早地”紧接初支完成后即实时地施作内衬，并采用“强力支护”，就较大洞跨情况(～12m或更大些)其二衬厚度常达60cm或以上；而对其它围岩级别在Ⅳ类及以上良好岩性情况下的大部分洞段，为施工便捷，则总是在初支完成、围岩变形已呈收敛稳定后再沿隧道纵向全程展开施作并一次呵成(采用模板台车、在吊装钢筋笼架后采用砼泵连续灌筑)。这样，在施工组织安排和施工机具调配上当更为方便、快捷。故此，则二衬结构基本上已不再承受山体压力，而只是作为工程日后耐久性需要的一种安全储备。本项研究鉴于当前国内全长数公里甚至十数、二十余公里的长大隧道已十分常见，对流变性显著的软岩言，因上述施工方法偏不安全而造成运营期的不少安全隐患、或则又因安全度过于保守而造成材料浪费、工期延误等问题均已十分突出，上述现象明显是不合理的而亟待改进。

本发明从软岩隧道流变力学的一个侧面作考虑，从理念上使二衬结构设计更趋经济合理。本项发明提供的方法，具有重要的工程实用价值，其经济效益将十分可观，所节约的土石方开挖量、砼和钢材耗用量以及在施工工期等主要方面，绩效都十分显著。

Claims (4)

1.一种软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设计方法，其特征在于：实施步序如下：

S1：基于隧址附近的工程地质和水文地质资料，对隧道内分区段判定围岩等级类别，并分别确定不同区段隧道所不同的二次衬砌支护方案，然后得出隧址区围岩及其支衬结构的物理力学特征数据及其相应的技术参数；

S2：考虑围岩的粘弹塑性流变效应，经模型本构辨识和模型参数测定后，采用幂律型蠕变模型，并根据 Mohr-Coulomb准则建立软岩三维流变数值计算模型，该模型由二维平面模型沿隧道纵向进行延伸得到，模型中设置有开挖作业面；

S3：预先设定二次衬砌的施作时机和二衬初始刚度；在三维流变数值计算模型中，对不同的二衬支护时机以及不同的二衬刚度相组合的多种方案进行三维粘弹塑性非线性流变数值模拟，得到考虑围岩粘弹塑性流变效应后的围岩变形随地应力释放的收敛曲线和二衬支护变形随抗力增大的约束曲线；

S4：基于围岩收敛曲线和二衬支护约束曲线，优化确定两条曲线的交会界点位置，进而经优化设计得出该软弱流变围岩隧道二衬结构的合理刚度及其最佳施作时机；

所述的交会界点位置选择为：接近围岩收敛线进入松动状态前的最低点，但又保留有一段安全距离的稍高点位；

以隧道二衬施作应距作业面的最小距离作为二次衬砌预先设定的施作时机，并以隧道二次衬砌常规采用的截面厚度和配筋率作为预先设定的二衬初始刚度，然后按步序逐次进行其设计优化。

2.如权利要求1所述的软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设计方法，其特征在于，在模型数值模拟过程中，为保持洞室围岩开挖后的稳定性，紧随隧道开挖应实时施作锚喷和钢拱支架作为初期支护。

3.如权利要求1所述的软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设计方法，其特征在于，所述的三维流变数值计算模型中划定多个单元结点和四边形线应变变化单元，并对边界进行位移约束。

4.如权利要求1所述的软弱流变围岩隧道二次衬砌结构刚度及其施作时机的优选设计方法，其特征在于，隧址区围岩及其支衬结构的物理力学特征数据及其技术参数，可根据现行《公路隧道设计规范》以及现场岩样室内流变非常规试验获得。

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