隧道二次衬砌的合理支护时机研究

摘要：新奥法由于能有效地利用围岩本身支承能力，使围岩和支护结构共同作用，能有效地克服冒顶和局部塌方等事故，并且由于支护结构包括初次支护和二次衬砌，大大提高了隧道防水效果和安全储备，因此在隧道修建中得到了广泛应用。而隧道二次衬砌的施工则是隧道施工中的重中之重，确定合理的二衬施作时间对充分发挥围岩的自承能力、隧道洞室开挖的经济和安全性具有重要意义。 关键词：隧道二衬：支护时机：监控量测：隧道开挖：三维模拟

1 前言

隧道二次衬砌的支护时机研究一直是隧道施工中的一个重点及难点。随着软岩工程力学的发展和完善，隧道施工中支护时机的确定，得到更多学者和工程界人士的关注。二次衬砌施作时机始终是隧道界讨论的热点问题，目前提出了大量的方法，来判断二衬的合理支护时机，其中有通过弹塑性理论来对隧道二衬支护时机进行分析，有通过隧道围岩蠕变特性来对其进行分析，还有通过隧道的各种开挖方法来对二衬支护时机进行分析，以及通过非线性弹塑性以及对软弱围岩进行三维有限元分析来进行二衬合理支护时机的分析等等。 2 支护时机的确定

（1）二衬支护时机确定的原则与标准 ①影响隧道周边最终位移量的因素

1）岩体的物理力学性质；2）原始地应力大小；3）开挖方式；4）掘进速度；5）支护时机；6）支护方式。

②隧道周边容许位移量的确定原则

1）城市地下隧道的下沉量尽量小，一般不能超过5～10毫米； 2）浅埋山岭隧道容许位移量可以大些，一般小于30毫米；

3）深埋隧道洞周的位移不致引起有害松动为原则，一般30毫米左右； ③二次衬砌支护时间选择原则：

1）各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定； 2）已产生的各项位移已达预计总位移量的80%～90%；

3）周边位移速率小于0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.15mm/d。 （2）二衬支护时机的确定方法

黏弹塑性介质中隧道衬砌的位移计算式：

（3）最佳支护时间的物理意义

确定最佳支护时间进行二次支护，主要是为了满足隧道支护系统的条件，可以充分发挥围岩自承能力，并尽可能地释放能量，降低支护结构受到的压力。隨道开挖以后，原始地应力状态被破坏，围岩应力重分布，切向应力增大而径向应力减小，促使围岩向临空区变形，围岩本身不断恶化，使隧洞洞壁附近岩层发生屈服，进入塑性工作状态，这一区域称为塑性区。塑性区的出现，是围岩纵向发展，如果应力集中的强度超过围岩屈服强度时，出现新的塑性区，如此反复，塑性区不断发展。根据围岩变形释放掉的工程力与围岩自承力的关系，可以把围岩分为：无需支护，围岩可以自稳；无需支护即可自稳，而且仅可自稳；需超前支护的隧道；因此，最佳支护时间的力学含义就是最大限度地发挥围岩塑性区自承载能力，同

时又不出现围岩松动破坏的现象所对应的时间。 3 隧道监控量测与有限元分析 （1）监控两侧成果

以岩工程为依托，对其施工过程进行监控量测，对量测数据分析并整理为相应图表，主要的相关图表有：周边收敛位移与时间关系图、拱顶下沉量与时间关系图。本文选取施工期间具有代表性的Ⅳ围岩断面的监控量测的数据进行分析并绘制图表。

（2）有限元分析

下图为岩屋坪模拟隧道Ⅳ级围岩的拱顶沉降及周边收敛累计变形曲线：

图4 模拟隧道Ⅳ级围岩的周边收敛累计变形曲线（mm）

从上图可以看出：隧道的周边收敛以及拱顶沉降曲线符合收敛曲线，与Ⅳ级围岩的变形曲线一致，也即前两次隧道刚开挖时围岩变形较大，接下来围岩变形将相对稳定，直至隧道围岩变形数据收敛，乃至最终围岩不再发生变化。隧道围岩变形收敛时，即可施作隧道的二衬。

隧道模拟开挖的计算结果也即开挖模拟的隧道变形，周边收敛以及拱顶沉降数值与现场实测数据基本相同，变形曲线与实测数据的累计变形曲线一致。因此，本隧道的二衬支护时机可根据隧道模拟以及现场实测数据来进行确定。结合有关规范以及现场实测数据和有限元模拟分析的数据可得出：岩屋坪隧道Ⅳ级围岩在33天变形已经收敛，此时符合我国《铁路隧道施工技术规范，TB10204--2002》中的规定，复合式衬砌结构构筑二衬的最佳时机为：周边位移速率小于0.2mm/d或拱顶下沉速率小于0.15mm/d；已产生的各项位移达到各项预计位移总量的90%以上，此时也就是本隧道Ⅳ级围岩施作二衬的最佳时机。 （3）结论

由最终的模拟数据与实测的周边收敛以及拱顶沉降数据进行对比分析，并根据有关规范的规定，最终确定了本次模拟隧道的二衬的最佳支护时机，对本隧道及对相似工程有一定参考作用。本次对岩屋坪隧道二次衬砌的合理支护时机的分析取得结果如下：选取的具有代表性的Ⅳ级围岩断面，在开挖后 32 天左右变形达到稳定，变形数据以及变形曲线已经收敛，此时可以施作隧道的二衬。 参考文献：

[1]林勇.隧道支护与围岩自承问题的讨论[J].公路隧道,2000,(3):7 –12