围岩流变特性对隧道二衬支护时机的影响

周勇;柳建新;方建勤;柳群义

【摘 要】To figure out the second lining time of the tunnel under the consideration of rock mass rheological characteristic, firstly, the equations of the lining resistant pressure, displacement and surrounding rock mass displacement were deduced when taking into consideration the rock mass rheological characteristic; secondly, the Chalinding tunnel engineering of the Guangdong Yunwu Highway was chosen as the study background, the determination method for the second lining time of the tunnel under the consideration of rock mass rheological characteristic was proposed, and the results of the monitoring value and analytical solution value for the arch settlement were compared. The analysis results show that the equations of the lining resistant pressure, displacement and surrounding rock mass displacement all consist of the factor of time, that the time needed to reache certain value of the lining resistant pressure, displacement and surrounding rock mass displacement can be

determined,and that the disciplines of the arch settlement obtained from the proposed method are the same with that from the monitoring data, which validates the correctness of the proposed method.%为了研究岩体流变特性情况下隧道二衬的支护时机,首先推导了在考虑围岩流变特性时,衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式；然后以广梧高速公路茶林顶隧道岩体为工程背景,探讨了考虑岩体流变情况下,隧道二衬支护时机的确定方法,并对比了围岩拱顶下沉实测值和理论计算值.结果表明:(1)理论分析所建立的衬砌抗力、位移及围岩的位移表达

式中均包含了时间参数,可确定达到不同衬砌抗力、位移及围岩位移所需要的时间；(2)围岩拱顶下沉实测值和理论计算值表现出相同的发展规律,验证了所建立方法的正确性.

【期刊名称】《理工大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2012(013)002 【总页数】5页(P178-182)

【关键词】岩体流变特性;隧道;二衬支护时机 【作 者】周勇;柳建新;方建勤;柳群义

【作者单位】中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙410083;湖南文理学院资源环境与旅游学院,湖南常德415000;中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙410083;同济大学土木工程学院,上海200092;中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙410083 【正文语种】中 文 【中图分类】TU457

准确地确定隧道二衬的合理支护时机对隧道的安全具有重要意义［1，2］。目前，一些学者开展了这方面的研究［3，4］，但主要是考虑岩石在静态情况下的工程特性，未考虑岩石应力应变特征的时间效应，而岩石流变性是岩石的重要力学特性之一，工程的失稳或破坏往往是有时间过程的［5～7］。即使在低应力条件下蠕变也是一个严重的问题，若岩石中具有星散微小的软弱结构面时，岩体的蠕变特性就更为明显，因此，在设计时应考虑竣工后由于岩石流变而产生的高变形。隧道二

衬的支护时机，本身就牵涉到岩体变形的时效问题，设计更应该考虑围岩流变特性的影响。基于以上考虑，本文推导了在考虑围岩流变特性时，衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式。以实体工程为依托，探讨了考虑岩体流变情况下，隧道二衬支护时机的确定方法，并对比了围岩拱顶下沉实测值和理论计算值，拟为理论分析和工程实践提供参考。 1 工程概况与现场监测 1.1 工程概况

广梧高速公路双凤至平台段的茶林顶隧道位于郁南县东坝北面约5 km位置，左线隧道长2 691 m，右线隧道长2 600 m，隧道埋深最大约2 m。隧址处分布有F7断层，地貌上表现为沟谷，大致在右线K72＋980处遇该断层，影响带宽20～30 m。断层走向 NE40°～45°，倾向 NW，倾角为75°～80°。受断层影响，中泥盆统东岗岭组白云质灰岩破碎，形成构造角砾岩和密集节理带，地表沟谷中有泉水溢出。钻孔岩心显示断层角砾呈棱角、次棱角状，为方解石脉胶结，脉中晶洞及自形方解石发育，反映其晚期活动为张性和正断层特征。隧道洞身围岩为泥盆统溜江组砂岩和东岗岭组白云质灰岩，其褶皱相对发育，在F7断层破碎带处，岩石破碎，溶蚀强烈，有溶洞发育，其围岩级别为Ⅳ级。隧道建筑限界高5.0 m，内轮廓净宽10.86 m，均按新奥法原理采用复合式衬砌，初期支护为锚喷支护，二衬为模注混凝土曲墙式，洞口为削竹式洞门，隧道横断面如图1所示。 图1 隧道横断面Fig.1 Section plane of tunnel

隧道围岩（Ⅳ级）物理力学参数和支护结构参数如表1、2所示，其中，衬砌材料均为C20混凝土。

表1 围岩物理参数Tab.1 Physical parameters of surrounding rock mass弹性模量 粘聚力GPa泊松比重度（k N·m－3）MPa内摩擦角／（°）2.0 0.3 21.0 0.2 28.0

表2 隧道结构支护参数Tab.2 Support parameters of tunnel structure支护方式弹性模量GPa重度（k N·m－3）截面积m2惯性矩m4系统锚杆28.5 25 0.30000 0.00225 210.0 78 0.00038 －初衬 25.0 23 0.10000 －二衬 1.2 位移监测

Ⅳ级围岩采用上下台阶法施工，施工过程中每隔8 m布设一个隧道变形监测断面，监测项目包括拱顶下沉、周边收敛。断面测点布置如图2所示。

图2 隧道变形监测测点布置Fig.2 The location of the deformation monitoring points in the tunnel

图3 为茶林顶隧道RK73＋949断面的拱顶下沉、周边收敛时程图。该断面揭露围岩为IV级，从图3（a）看出，在拱顶下沉开始阶段受上下台阶开挖的影响，其中这一阶段所形成的下沉量占总下沉量的比例较大。大约在开挖后第34 d左右、掌子面和监测断面间距为60 m时，这一影响因素逐渐变弱。此时，下台阶开挖到监测断面所在位置，拱顶下沉曲线没有出现显著的突变现象，各开挖步骤的影响已很小。从图3还可以看出，在18～28 d下台阶的2次施工都对拱顶下沉有显著的影响。而由于仰拱部位开挖一直处于停滞状态，所以没能反映出仰拱部位开挖对于拱顶沉降的影响。图3（b）中BC测线的监测结果明显大于AC、AB 2条测线，说明边墙处的收敛比较突出，推测可能是因为边墙位置围岩较为破碎并且水平构造应力较大造成。从图中可以发现周边收敛的发展主要受上下台阶推进的影响。从BC测线可以看出，下台阶开挖会导致周边收敛产生一定的突变，所以下台阶开挖对周边收敛的（特别是边墙处的水平收敛）影响也比较大。在第20 d，上台阶推进到前方32 m处，此时下台阶和仰拱处于停滞状态，周边收敛趋于稳定。表3显示隧道变形稳定时间，一般对Ⅳ级围岩来说，开挖后拱顶下沉和周边收敛趋于稳定平均为36 d。

图3 茶林顶隧道RK73＋949监测时程曲线Fig.3 The monitoring data of RK73

＋949 location in the Chalinding tunnel 2 考虑岩体流变特性时隧道二衬支护时机的确定

对于圆形隧道，基于修正的芬纳（Fenner）公式［8～10］计算隧道的支护问题：

式中：p 0为初衬支护抗力；q为原岩应力；c为围岩粘聚力；φ为围岩内摩擦角；r0为隧道开挖半径；R 0为围岩塑性区半径。

表3 隧道变形稳定时间Tab.3 The stabilization time for the tunnel监测断面 埋深m稳定时间／d拱顶下沉周边收敛综合评定值掌子面与监测断面间距／m LK71＋744 34 40 40 66 LK71＋818 78 35 31 35 62 LK73＋5 121 37 31 37 82 LK73＋908 116 37 35 37 80 LK73＋916 112 35 34 35 68 LK73＋932 108 30 38 38 LK73＋940 104 32 38 38 66 LK74＋008 92 35 29 35 113 RK73＋949 108 34 20 34 60 RK73＋972 120 34 29 34

由边界条件、变形协调及弹塑性理论并假定围岩服从Mohr－Coulomb准则，可以推导出衬砌及围岩位移表达公式［11］：

式中：u p为围岩塑性区的位移；G为围岩的刚度；r为计算点半径，r0≤r≤R0。

式中：u cp为衬砌位移；G c为初衬的刚度；μc为初衬的泊松比；r1初衬内半径，r1≤r≤r0。

当考虑围岩流变特性时，则衬砌抗力P 0crep、位移u ccrep及围岩的位移upccr ep为：

［（1－2μ）r20＋r21］；μ为围岩泊松比；G 0 为围岩初始刚度；G∞为最终刚度；a为围岩流变参数；t为时间。 经过整理，式（1）可以表示为：

当r＝r1时，式（2）表示衬砌临空面的位移，即

式中，N、f c0可以根据r0、r1和μc等计算得到确定值；G 0、μc可由试验、设计规范或勘察报告确定。因此，式中只有G∞、a和R 0 3个待定参数，其中，G∞和a可做一定量的流变试验获得，R 0根据围岩内部位移监测求得；或者由现场实测的变形值，通过拟合等手段反算这3个参数。另外，式（3）只适用于圆形隧道，而由工程概况知，本文研究的对象为城门洞型隧道，所以必须通过合理的途径把城门洞型轮廓转化为圆形隧道［12］，只需进行隧道半径的几何变换，变换相应的半径参数。如图4所示，在直角三角形ADC中，断面高度（即DC的长）为h，隧道跨度的一半 （即 AD 的 长 ） 为 b，α ＝ arctan（b／h），r ＝ 图4 隧道断面几何等效变换Fig.4 Equivalent transferring for the geometry of tunnel section plane

表4为等效后开挖轮廓半径和初衬内半径。

表4 隧道等效开挖轮廓半径和衬砌内半径Tab.4 The radius of the tunnel excavation and the lining m围岩级别设计隧道轮廓半径等效隧道轮廓半径等效衬砌内半径IV 6.12 6.8 6.59

将表3中的RK73＋949、RK73＋972等断面处的拱顶下沉时程曲线用式（3）进行拟合，可以确定出G∞ ＝6 590 639；R 0＝8.7；a＝0.078 2。由此得到考虑围岩流变特性时，拱顶下沉式为：

uⅢ ＝119.1－117.6e－0.0782t。

图5为考虑围岩流变效应的拱顶下沉理论计算值和实测值比较图。可以看出，考虑流变影响时的预测拱顶下沉时程曲线和现场实测表现出相同的发展规律，从而说明了本文建立的方法的正确性。当t→∞，得IV级围岩中隧道拱顶下沉的最终值为119.1 mm。IV级围岩中满足拱顶下沉达到总下沉量80%的时间为21 d，即二衬的支护时机大于或等于21 d。

图5 拱顶下沉实测拟合值和理论计算值Fig.5 The comparison of the arch settlement calculation value and the analytical solution 3 结 语

以广梧高速公路双凤至平台段的茶林顶隧道为工程背景，推导岩石流变过程中，隧道围岩位移、衬砌抗力和位移情况。对比现场监测得到的围岩拱顶下沉量和推导的围岩位移公式计算结果，表明二者现出相同的发展规律，验证了本文所建立的方法的正确性。 参考文献：

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