蠕变围岩隧道的二衬支护时间研究

2010-04-17黄友林

山西建筑 2010年17期

黄友林

1 概述

随着我国大力开发基础建设的实施，我国公路建设中的隧道将穿过更多更长的软弱围岩地段。在软弱岩层中开挖隧洞，因围岩具有流变变形特性[1-3]，其变形将随时间的推移而发生较大的变化。若支护时间过早，衬砌受力和变形都较大，最后可使衬砌出现开裂、失稳、剥落等破坏现象;若支护时间过晚，围岩的强度将随时间的推移而降低以致出现塌方等事故。因此，本文将讨论蠕变围岩隧道工程中的二次衬砌合理支护的时间问题。

2 计算模型的建立

2.1 计算工况

本文支护厚度按JTG D70-2004公路隧道设计规范中的Ⅴ级围岩规定取中值，即初衬厚度为20 cm，二衬厚度为45 cm。初次支护均为洞室开挖后立即施作，改变二次衬砌施作时间，分别为开挖后 0 d，10 d，20 d，30 d，60 d，100 d，200 d和无穷大时间(即不设二衬)，洞室全断面一次开挖。蠕变时间均计算至开挖后300 d。

2.2 计算范围、边界条件和单元类型的选取

1)计算断面及范围的选取。本文所选断面按JTG D70-2004公路隧道设计规范两车道隧道标准内轮廓断面，即拱部为单心半圆，半径为5.5 m;侧墙为大半径圆弧，半径为8.5 m;侧墙仰拱半径为18.0 m;仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。本文在研究中，二维数值分析的计算域为隧道中心轴线向两侧各42 m深部取隧道底板下36 m，埋深取100 m。2)边界条件。本文采用位移边界，在左右两边水平位移固定，底面竖向位移固定。3)单元类型及大小。本模型对围岩及衬砌的模拟均采用ANSYS程序提供的Plane42四节点四边形单元。考虑计算精度和计算误差要求，本文采用隧洞周边一倍洞径范围内的单元尺寸控制在0.5 m～1.0 m，一倍洞径以外的单元尺寸控制在2.0 m，尽量采用映射四边形网格划分。本文采用的有限元计算模型见图1。

2.3 本构模型及计算参数的选取

鉴于本文研究的是蠕变围岩，因此对围岩和加固圈的模拟采用广义开尔文模型，它是一个能比较真实且可行的模拟实际隧道各种力学现象的模型。

广义开尔文体的流变本构关系为:

其中，εe，εc分别为应变的弹性部分和蠕变部分;η为粘性系数，MPa◦d;t为蠕变时间，d;E1，E2均为弹性模量，MPa。

对初期支护和二衬按均质理想弹性体考虑，采用虎克本构模型。围岩及混凝土参数，按照JTG D70-2004公路隧道设计规范中Ⅴ级围岩的规定取中值，粘弹性参数参考《地下工程设计理论与实践》;锚杆注浆区按注浆范围适当提高加固圈参数。

在计算过程中，采用应力释放来对施工步骤进行模拟，应用应力释放率近似考虑“空间效应”。地应力的释放率需要结合隧道的工程实际、监控量测结果的分析以及工程师的施工经验综合确定。为了能分析单个支护参数对隧道施工力学行为的影响，使之具有可比性，采用了简化的荷载分担比率，见表1。

表1 释放荷载分担比率 %

3 数值模拟结果与分析

3.1 关键点位置的选择

关键点位置见图2。

3.2 围岩位移、初衬应力、二衬应力随二衬支护时间变化分析

1)围岩位移与二衬支护时间的关系见图3，图4。从图3，图4可以看出，二衬支护时间对围岩位移影响的大小次序是边墙、拱腰、拱顶。不施作二衬的边墙的最终水平位移比立即施作二衬的边墙的水平位移大2.58 mm，大77%;开挖后60 d内施作二衬能对洞周围岩起到非常有效的约束，能显著减小围岩向洞内收敛位移;当二衬在隧道开挖60 d以后施作时，其对洞周围岩的约束效果不大显著，尤其是在开挖后100 d才施作时，对减小围岩向洞内收敛位移的效果甚微，拱顶下沉位移、拱腰和边墙的水平位移分别比不施作二衬时的位移仅小 0.18 mm，0.19 mm，0.29 mm，分别减小0.9%，3.7%，5.1%。

2)初衬应力与二衬支护时间的关系见图5。从图5可以看出，二衬在开挖后60 d内施作时对减小初衬应力的效果较为明显;在开挖60 d后施作时，对减小初衬应力的效果不大显著，开挖后60 d施作二衬时，拱顶、拱腰、边墙处的初衬应力分别比不施作时减小 2.18 M Pa，1.61 MPa，0.87 MPa，分别减小 10.7%，7.7%，4.8%。不施作二衬的拱顶初衬应力比立即施作的拱顶初衬应力大 8.54 MPa，大71.6%。