新奥法施工过程中选取合理的支护时机极其重要。对于围岩较好的情况下二次衬砌仅作为安全储备, 但围岩条件较差, 特别是V级和VI级围岩时, 二次衬砌作为主要的支撑结构, 其支护时机对围岩的稳定性起关键作用。因此, 国内外学者针对二次衬砌的合理支护时机进行大量研究。

收敛约束法最早由M.Panet^[1]提出, 该法通过寻找合适的围岩特征曲线和支护特征曲线的交点来确定合理的支护时机。L.R.Alejano等^[2]基于围岩的应变软化模型, 分析隧道开挖过程中纵向变形曲线的变形规律, 并据此推算二次衬砌的支护时机。刘砥时等^[3]根据弹塑性理论推导出不同围岩级别对应着不同的隧道支护范围, 并给出二次衬砌支护施作时对应的围岩变形量。谢锋等^[4]基于数值仿真平台, 结合围岩流变特性讨论二次衬砌支护时机。杨红军等^[5]考虑围岩变形时间与开挖面推进距离的关系并建立收敛模型, 并组合最小二乘法推荐不同围岩级别的合理二次衬砌支护时机。黄友林^[6]基于黏弹塑性本构关系充分考虑隧道开挖过程中的时空效应, 分析二次衬砌支护时机对围岩与隧道结构的受力变形影响。可见, 众多学者基于不同条件提出很多二次衬砌支护时间的确定方法, 也得到很多研究成果, 但针对不同隧道开挖工法的二次衬砌支护时机研究并不多见。

本文将基于前人的研究成果, 采用仿真三维数值分析手段, 对软弱围岩隧道在不同开挖工法 (三台阶预留核心土法和CRD法) 下的合理二次衬砌支护时机进行研究, 并得到相应的支护时机推荐值, 为类似工程的设计、施工提供有益参考。

基于实际的公路隧道开挖工况, 采用有限差分软件FLAC3D建立纵向80m长的隧道区段进行开挖模拟。模拟区段围岩为V级, 分别采用三台阶预留核心土法和CRD法进行开挖。由于隧道结构左、右对称, 三维建模过程中各结构强度能立即形成, 不存在衬砌悬空情况, 台阶法施工时仅对半结构进行建模分析。CRD法施工时由于工法不对称采用全结构进行建模分析。模型的网格剖分情况及具体尺寸如图1所示。

由于地表附近围岩的初始应力主要由重力引起, 并随深度逐渐增大, 该数值分析中忽略构造应力场的影响, 只考虑岩体的自重应力场。模型的上表面为自由边界, 底部为固定边界, 四周为法向位移约束边界。台阶法模型共有25 879个节点、22 674 个单元;CRD法模型中隔墙用shell单元模拟, 模型共有41 272个节点、38 082个单元。

模拟V级围岩隧道的一般施工进度, 在模拟过程中取每个开挖步长为1.2m。三台阶预留核心土法施工时, 核心土长为3.6m, 台阶长均为6m, 二次衬砌距上台阶开挖面为19.2m。CRD法一般将断面分为4个部分, 每侧分上、下2个导洞开挖, 上、下导坑错开距离为4.8m, 另一侧的导坑错开距离也是4.8m, 左、右导坑间距为15.6m, 二次衬砌距离先行导坑为22.8m。由于软弱围岩变形较大, 因此在开挖一步后即施作初衬。模拟施工过程如图2所示。

为能更加真实地模拟围岩的变形行为, 假定其满足FLAC3D中内嵌的莫尔-库仑应变软化模型。支护结构、超前支护、系统锚杆均采用实体单元模拟, 并将其视为线弹性材料。采用等效方法^[7]将超前小导管、钢拱架、锚杆等的弹性模量折算成混凝土。具体折算方法如式 (1) 所示。其余各材料的物理参量值如表1所示。

$E=E{}_0+\frac{A{}_{\text{g}}E{}_g}{A{}_{\text{c}}}(1)$

式中:E为混凝土复合弹性模量;E₀为原混凝土弹性模量;A_g为初期支护钢拱架截面面积;E_g为初期支护钢拱架弹性模量;A_c为混凝土截面面积。

软弱围岩隧道中的二次衬砌直接参与支护受力, 因此, 确定合理的二次衬砌支护时机对隧道工程的稳定性极为重要。隧道工程的复杂性决定支护时机的多变性, 具体支护时机应根据现场监控量测情况适时进行调整, 不同的支护时机下, 围岩及隧道结构的受力变形情况不同。在此, 基于未施作二次衬砌时围岩的变形情况取不同的二次衬砌支护时机进行分析。

JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》^[8]中指出:二次衬砌的施作应在围岩和锚杆支护变形基本稳定后进行。各测试项目的位移速率明显收敛, 围岩基本稳定;已产生的各项位移已达预计总位移量的80%～100%;周边位移速率<0.2mm/d, 或拱顶下沉速率<0.15mm/d。在此, 以拱顶沉降作为控制指标, 参照规范要求, 假定分别在拱顶沉降量占总沉降的85%, 90%, 95%, 100%时进行二次衬砌支护, 并分析不同支护时机下的围岩及支护结构受力变形规律。首先分别对2种工法在未施作二次衬砌支护的情况下进行模拟开挖, 然后取出2种施工工法在y=40m处断面观测点的拱顶沉降变化曲线来确定具体的支护时机, 其确定方法如图3所示。

由图3可通过给定的拱顶沉降占总沉降的比率推算出该比率对应的开挖步数, 再通过开挖步数与开挖步距的乘积求得相应距离。求得推荐工法下不同的支护时机工况分类情况如表2所示, 根据表2给出的支护时机对8种工况分别进行计算。值得说明的是, 模拟CRD法施工时图3b中所标明的开挖面是指拱顶沉降观测点所在的右上导坑开挖面, 右上导坑开挖面距最前开挖面15.6m, 下面所指的二次衬砌距开挖面距离均指二次衬砌距最前开挖面距离。

选取纵向y=40m处的断面作为目标断面, 分别对隧道围岩的拱顶沉降、侧墙收敛、底鼓隆起等变形指标进行对比分析。三台阶预留核心土法的各工况开挖稳定后围岩各项变形指标随开挖步变化的曲线如图4所示, CRD法下各工况开挖稳定后的各项围岩变化指标随开挖步的变化曲线如图5所示。

由图4可看出开挖至观测断面后, 二次衬砌支护时机对围岩变形的影响较显著。就拱顶沉降而言, 随着支护时机的延迟, 拱顶沉降稳步增大, 二次衬砌距开挖面13.2m时最终沉降值为10.4cm, 当二次衬砌与开挖面的距离增大到34.8m时最终沉降值为13.3cm, 相比增加27.9%。不同支护时机对收敛位移的影响并不大, 随着二次衬砌与开挖面距离的增加, 相应的最大收敛位移分别为2.3, 2.4, 2.5, 2.7cm, 最大值也仅比最小值大17.4%。当初衬成环后, 收敛位移基本上没有继续发展, 并在衬砌结构的作用下略有减小趋势, 最后趋于稳定。底鼓隆起受支护时机的影响较明显, 初衬成环后, 底鼓隆起还在继续增大, 直到施加二次衬砌后逐渐趋于稳定, 随着二次衬砌与开挖面距离的增大, 隆起现象也越来越明显, 二次衬砌距开挖面13.2m时最终隆起值为4.4cm, 相比于二次衬砌距开挖面34.8m时的最终隆起值5.3cm减小17%。总体来看, 围岩的各项变形指标均会随着二次衬砌与开挖面距离的增大而增大, 只是增大幅度各有差异, 当围岩基本稳定后再施作二次衬砌, 则围岩变形的增幅均较大, 因此在软岩隧道施工过程中, 不能在围岩变形稳定后再施作二次衬砌。

由图5可知, 采用CRD法模拟施工时, 各工况下的拱顶沉降在初衬成环后增长幅度因二次衬砌支护时机的不同而略有差异, 随着二次衬砌距开挖面距离的增大拱顶沉降依次为6.0, 6.2, 6.3, 6.4cm, 最大拱顶沉降仅比最小拱顶沉降大6.7%, 但总体趋势仍是拱顶沉降随着二次衬砌支护时机的延迟而增大。收敛移位随二次衬砌支护时机的变化并不明显, 各工况下观测点在初衬成环前的变形规律基本一致, 初衬成环后, 在初衬和二次衬砌的共同作用下收敛移位略有回弹, 最后趋于稳定时的收敛移位值几乎相同, 均在2.9cm左右。底鼓隆起值在不同的二次衬砌支护时机下有明显差异, 初衬成环前各工况下的隆起曲线几乎重合, 初衬成环后, 底鼓隆起随着二次衬砌距开挖面距离的增大而增大;开挖稳定后的最大隆起值3.7cm出现在二次衬砌距开挖面51.6m工况下, 相比于二次衬砌距开挖面25.2cm工况下的最终隆起值3.0cm增大23.3%。总体而言, 由于CRD法施工过程中步步成环的特点, 使得围岩的各项变形指标量值都较小, 围岩变形受二次衬砌支护时机的影响比三台阶预留核心土法施工时小。

初期支护所受压应力与围岩变形关系密切, 现将不同工法下各工况的初期支护最大压应力列于表3。由表3中数据对比分析可知, 对于三台阶预留核心土法而言, 延迟二次衬砌支护的跟进, 初衬所受压应力会变大。二次衬砌距开挖面13.2m时, 初衬受到的最大压应力为4.62MPa, 当二次衬砌距开挖面的距离增加到16.8m时, 初衬受到的最大压应力增大13.6%;当二次衬砌与开挖面的距离继续增加时, 初衬受力增幅并不大, 当二次衬砌与开挖面相距34.8m时, 初衬最大压应力为5.55MPa, 相比于二次衬砌距开挖面22.8m时 (5.4MPa) 仅增大2.7%。采用CRD法模拟施工时, 二次衬砌支护跟进越及时, 初衬所受的压应力越小。由于该工法对围岩的变形控制效果较好, 导致各工况下初衬的受力普遍较大, 二次衬砌与开挖面相距25.2m时, 初衬受到的最大压应力为5.86MPa, 当二次衬砌与开挖面的距离增加到31.2m时, 初衬受到的最大压应力为6.85MPa, 增加16.9%;当二次衬砌与开挖面的距离继续增大时, 相应的初衬最大压应力分别增加到7.48MPa和8.01MPa, 前者比后者小6.6%。可见, 无论是哪种工法开挖, 初衬所受的最大压应力会随着二次衬砌与开挖面距离的增大而增大, 但其增大幅度会越来越缓慢, 因此初衬所受的压应力不会因为二次衬砌支护的延迟而无限增大。

二次衬砌所受的压应力大小和支护时机密切相关, 二次衬砌一般是模筑混凝土结构, 因此, 除关注其受压情况外, 还要重点考察结构的受拉情况。表4 中列出不同工况下二次衬砌所受的最大压应力和拉应力。由表4可知, 三台阶预留核心土法施工时, 二次衬砌支护时机对二次衬砌受力影响较为显著, 二次衬砌支护越及时, 其所受的压应力越大, 拉应力越小, 二次衬砌距开挖面13.2m时, 二次衬砌受到的最大压应力为1.81MPa, 当二次衬砌与开挖面的距离增加到34.8m时, 其所受的最大压应力仅为0.63MPa, 减小65.2%;而在压应力减小的同时, 拉应力有所增加, 这主要是由于随着二次衬砌与开挖面距离的增加, 初衬受到的压应力增大, 而在用实体单元模拟隧道衬砌时, 由于共用结点, 较大的初衬压应力造成二次衬砌内侧受拉。CRD法施工时, 随着二次衬砌与开挖面距离的增加, 二次衬砌所受的压应力减小、拉应力增大, 二次衬砌距开挖面25.2m时, 二次衬砌受到的最大压应力为1.82MPa, 当二次衬砌与开挖面的距离增加到51.6m时, 其所受的最大压应力为1.48MPa, 仅减小18.9%;而在压应力减小的同时, 拉应力有所增加, 但增加并不明显, 最大拉应力只有0.40MPa。总体上, 支护越及时, 二次衬砌所受的最大压应力越大、拉应力越小。选取合适的支护时机可实现二次衬砌拉应力与压应力的平衡, 防止二次衬砌衬砌本身受力破坏而影响隧道支护体系的稳定性。

通过对比分析2种工法下不同二次支护时机对隧道围岩及支护结构的受力变形影响可知, 合理的二次衬砌支护时机一方面有利于隧道围岩的变形控制, 另一方面又能优化支护结构受力, 且不同工法对应着不同的合理二次衬砌支护时机。无论选择哪种推荐工法其总体的变化规律为:随着二次衬砌支护时机的延迟, 围岩的变形增加较为明显, 特别是拱顶沉降的增加较快;当二次衬砌支护时机跟进过快时, 虽能有效控制围岩变形, 减小初衬受到的压应力, 但二次衬砌所受的压应力会增大, 且二次支护跟进过快会造成施工空间拥挤, 影响施工效率。通过综合分析, 在软岩浅埋隧道施工过程中, 可选择拱顶沉降占最终沉降的90%～95%进行二次支护比较合理。

在模拟施工过程中, 很易得到拱顶沉降的比例区间, 从而通过所占比例对应的开挖步求得合理二次衬砌支护时机;现场施工时, 主要依靠现场的监控量测获取沉降数据, 从而通过比例区间反推出合理的二次衬砌支护时机。由于上面已详细给出合理二次衬砌支护时机的确定流程, 在此通过改变隧道埋深进行多组计算, 得到不同施工工法下不同埋深 (8, 20, 32m) 隧道的合理二次衬砌支护时机, 如表5所示。

由表5中数据可知, 软弱围岩隧道的合理二次衬砌支护时机因工法而异, 同时也会受很多施工参数及现场施工因素的影响, 取各工况下的最小下限和最大上限可得出三台阶预留核心土法施工时, 二次衬砌与开挖面的合理距离可在15.6～25.2m范围选取, CRD法施工时的合理距离可在31.2～42.0m范围选取。模拟结果给出的选取范围可作为二次衬砌支护时机选取的有益参考, 具体的二次衬砌支护距离应通过分析现场监测数据适时调整。

1) 二次衬砌衬砌的支护时机对隧道围岩的变形有显著影响, 围岩的各项变形指标均会随着二次衬砌与开挖面距离的增大而增大。CRD法施工过程中步步成环的特点, 使得围岩变形受二次衬砌支护时机的影响比三台阶预留核心土法施工时小。

2) 无论是哪种工法开挖, 初衬所受的最大压应力会随着二次衬砌与开挖面距离的增大而增大, 但其增大幅度会越来越慢。

3) 二次衬砌支护越及时, 二次衬砌所受的最大压应力越大、拉应力越小。

4) 分析结果表明, 三台阶预留核心土法下二次衬砌与开挖面的合理距离可在15.6～25.2m选取, CRD法下的合理距离可在31.2～42.0m选取。参考模拟结果给出的选取范围并结合现场监测数据可得具体二次支护距离。