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隧道围岩与支护结构相互作用机理及其应用研究刘利

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：刘利李春龙

[导读] 摘要：近年来，我国的隧道工程建设越来越多，隧道的围岩与支护结构的相互作用关系是隧道工程建设的核心问题，直接影响到围岩压力的大小、支护类型、支护参数的选择，以及隧道支护时机及支护刚度的确定，开展相关研究对于隧道设计和隧道稳定性评价，具有十分重要的意义和应用价值。

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        摘要：近年来，我国的隧道工程建设越来越多，隧道的围岩与支护结构的相互作用关系是隧道工程建设的核心问题，直接影响到围岩压力的大小、支护类型、支护参数的选择，以及隧道支护时机及支护刚度的确定，开展相关研究对于隧道设计和隧道稳定性评价，具有十分重要的意义和应用价值。
        关键词：隧道围岩;支护结构;稳定性;可靠性
        引言
        在隧道设计及施工中，往往忽略了软弱围岩中初期支护与围岩协调变形的问题。围岩变形通常是由布设于支护结构上的监测点间接得到，但围岩变形与支护结构变形在本质上存在着不同。当前普遍获取的洞内监测变形，是围岩与支护结构二者之间相互作用后产生的结果，也就是围岩与支护结构协调变形的结果。这种协调变形关系与隧道开挖方法有关，具有明显的时空效应。得到不同开挖方法下围岩与支护协调变形关系，就能获得合理的预留变形量、避免大变形对工程的影响。根据已有的一些软弱地层浅埋隧道大变形资料展开变形假定分析，进行围岩与支护结构协调变形关系的探讨，尝试根据该变形关系扩展不同开挖方法下变形应对措施的新思路。
        1软弱岩组工程地质特性
        岩石的单轴抗压强度小于30MPa的岩层称为软岩，软弱岩层是指强度低、孔隙度差、胶结程度大、受结构面切割及风化影响显著。在隧道围岩压力的作用下产生显著变形的工程岩体。软岩隧道围岩强度低，结构松软，易吸水膨胀，因而围岩隧道变形大。
        2支护结构与围岩作用原理
        支护结构所受的压力和形变，来自于围岩在自身平衡过程中的变形或破坏导致的对支护结构的压力。围岩的性状及其变化情况对支护结构有重要影响。另一方面，支护结构以自身的刚度和强度抑制围岩变形的过程中，支护结构的受力也受影响。围岩与支护结构相互产生影响，将这种祸合作用和相互影响的情况称为围岩一支护结构共同作用。如果在隧道开挖后立即采用刚度足够大的支护结构，则要承受较大的围岩压力，如果采用的支护刚度较小或是施作时间较晚，虽承受的围岩压力较小，但是容易产生变形。在实际工程中应采用刚柔结合的支护结构，既节约成本，又能有效控制围岩变形。如果支护设置时间过晚或支护刚度过小，围岩变形较大，支护结构所提供的约束阻力并不能满足围岩稳定的需要，围岩很可能失稳。同样的支护时间，不同的支护刚度以及同样的支护刚度，不同的支护时间，达到的稳定性都是不同的。因此，在支护刚度和支护时机的选择上就显得很重要。
        3台阶法开挖变形
        前文对于支护结构与围岩的协调变形分析均是从整体的支护角度出发，以最终稳定变形量为参考。实际上，开挖与支护的顺序的不同，支护结构所表现出的变形过程及变形量也有很大差异，只有了解不同开挖方法下的围岩变形过程，才能要找到不同开挖方法下的大变形应对措施问题。采用浅埋暗挖法施工建设的隧道，开挖方法主要以台阶法和分部开挖为主，不同开挖方法下的支护变形过程及组成均不相同。常用的台阶法包括三台阶七部开挖法、上下台阶预留核心土法、三台阶临时仰拱法等。在不设临时仰拱的情况下，台阶法支护普遍变形较大，这一点在大变形隧道统计过程中已有体现，但台阶法具有施工速度快，造价低的优点，仍然是软弱地层隧道施工的首选。不设临时仰拱时，上台阶开挖跨度大，拱脚位置容易在围岩压力作用下产生下沉，开挖后很快发生沉降，而侧壁高度随中下台阶施工高度逐渐增大，收敛变形随其逐步增大，在仰拱封闭后变形很快进入稳定阶段。因此，台阶法施工中的变形主要是上台阶对应部分的支护沉降变形与中下台阶支护对应的挠曲收敛变形。

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采取三台阶七部开挖法中的软弱隧道侵限换拱案例，大变形均是在下台阶施工前发生的。在无临时仰拱采用台阶法开挖时，支护结构的变形包含整体沉降与侧向挠曲两部分组成，根据其变形规律，在隧道上台阶开挖时，可以考虑将该段钢架提高一个累计沉降量高度。在不改变长度的前提下，增加两台阶开挖法的中台阶与三台阶开挖法的下台阶对应钢架的弧度，三台阶开挖法时中下台阶对应的支护结构弧度不变。从预留变形量的角度出发，该方法实际上是采用了拱顶、拱墙不同预留变形量值的方案，只是在整个施工过程中，由于沉降的实时变化，整体开挖轮廓线并不连续，采取拱顶提升、下部钢架弧度减小的做法更容易实施和控制。
        4膨胀土隧道衬砌结构内力研究
        （1）围岩吸水膨胀后，初期支护结构内力比膨胀前出现了一定的增加。其中，洞周各处轴力增幅相当，且增量要大于自重作用下支护结构轴力；弯矩在拱腰处增加比较小，而在墙脚处增加比较大，其增量大于自重情况下的数值。通过以上分析可知，在浅埋情况下，围岩吸水产生的膨压效应对初期支护结构受力的影响要大于隧道开挖后松动压力对支护结构受力的影响。（2）围岩吸水膨胀前，初期支护结构安全系数最小值分布在拱腰附近，数值为3.77，大于《TB10003-2016铁路隧道设计规范》要求的最小安全系数2.0，说明初期支护结构在隧道施工过程中是安全的。围岩吸水膨胀后，初期支护的安全系系数出现了明显减小，最小值出现在墙脚，数值为1.65，小于《TB10003-2016铁路隧道设计规范》要求的最小安全系数2.0，说明膨胀土吸水膨胀后，产生的膨胀力较大，对支护结构造成较大的不利影响，在施工过程中，要做好安全控制措施。
        5工程应用
        石凹顶隧道位于广东省英德市西牛镇赤米村，是龙怀高速公路建设项目中一个重难点工程及控制性工程，隧道左线起止桩号ZK257+93S}ZK259+370，全长1435米，右线起止桩号K257+93S}K259+343，全长1408米，属于长隧道。其中设计l级围岩占线路总长的52%，V级围岩占48%，施工风险较高，综合评定风险等级为IV级，属于极高风险等级隧道。石凹顶隧道施工方法包括单侧壁导坑法(CD法)和预留核心土法2种。分离式隧道V级围岩浅埋偏压软(土)岩段采用CD法开挖，V级围岩深埋软(土)岩段采用预留核心土法开挖，IV级围岩采用预留核心土法开挖。小净距隧道V级围岩浅埋软(土)岩段先行洞采用预留核心土法开挖，后行洞采用CD法开挖。V级围岩深埋软(土)岩段、IV级围岩软(土)岩段先行洞、后行洞均采用预留核心土法开挖。隧道衬砌结构采用复合式衬砌。隧道采用新奥法施工，监控量测是隧道施工中必不可少的一道工序，通过及时、有效的监测信息反馈指导施工和动态设计，保证隧道的施工安全及营运安全。动态设计是根据隧道开挖后的地质条件、支护情况、现场监控量测等施工信息，对前期的地质勘察结论、设计方案、支护类型及支护参数等进行检验和修正。在保证隧道安全和质量优良的前提下，做到施工合理、支护合理、整体结构安全、节省投资。
        结语
        综上所述，基于软弱地层浅埋隧道初期支护实际受力情况及围岩大变形监测资料，对支护结构与围岩之间的变形协调关系进行了假定分析，并结合不同的开挖方法进行具体的变形过程分析，隧道稳定性一直是隧道工程领域研究的热点和重点问题，还存在许多问题需要解决。
        参考文献
        [1]吴迪，陈子全，甘林卫，代光辉.高地应力深埋层状围岩隧道非对称变形受力机制研究[J].隧道建设(中英文)，2018,38(11):1813-1821.
        [2]李微.地应力作用于隧道断面的数值模拟分析〔J].建筑安全，2016,31(06):38-40.
        [3]田智慧.高地应力软岩隧道施工技术的研究「D].石家庄铁道大学，2014.