V 级围岩小净距隧道二次衬砌支护荷载分担比优化研究①

罗贞焱， 史秀志， 代 转， 丁春胜

（中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙410083）

两个隧洞的净距（即中间岩柱厚度）小于某一规定值时，称其为小净距隧道［1］。 山岭隧道由于地形条件限制，不可避免地采用小净距隧道或连拱隧道［2］。相比连拱隧道，小净距隧道具有对地质和地形条件适应性较强、施工工艺较为简单、结构形式较单一、防水处置较方便、造价较低等优点［3］，使得小净距隧道应用越来越广泛。

隧道的有效支护可抑制地表沉降、隧道围岩变形、中夹岩柱失稳以及隧道冒顶片帮。 小净距隧道围岩支护一般包括初期支护和二次衬砌支护，较优的围岩、初支和二衬荷载力学分担机制有利于隧道安全稳定。 荷载分担比指围岩、初支和二衬承担围岩释放荷载分别占围岩总荷载的百分比。 当隧道围岩稳定性较差时，对隧道围岩支护的荷载分担比的优化研究，选取较优的二衬荷载分担比，具有良好的安全效益与经济价值。

目前国内外对于小净距隧道的研究主要集中在小净距隧道相互影响效应［4-6］、小净距隧道的稳定性分析［7-9］和小净距隧道稳定性的影响因素［9-13］等方面，针对小净距隧道围岩支护的荷载分担机制优化的研究很少。

本文以某V 级围岩小净距隧道为研究对象，参照相关标准规范［1，14］，采用荷载释放法分析隧道在多种荷载分担比组合下的力学行为特征，研究了先行洞和后行洞围岩支护的荷载分担机制优化问题。

1 隧道施工说明及力学参数

隧道进口段为隧道浅埋段，地表为粉质粘土，隧道围岩主要为强风化炭质灰岩，岩体较破碎，岩质较软，修正的围岩基本质量指标［BQ］＜250，弹性纵波速1 100～1 300 m／s，围岩等级为V 级，围岩无自稳能力。隧道围岩物理力学指标：重度24 kN／m3，弹性模量3.0 GPa，泊松比0.27，内摩擦角23°，粘聚力0.1 MPa，抗拉强度0.01 MPa。

隧道按新奥法原理设计和施工，采用柔性支护体系结构的复合衬砌，即锚杆、钢筋网和喷射混凝土为初期支护，二次衬砌采用钢筋混凝土衬砌，并在两次衬砌之间铺设土工布和防水板。

初期支护的系统锚杆为D25 普通中空注浆锚杆，锚杆长4.0 m，锚杆间距60 cm × 100 cm；中夹岩柱的系统锚杆D25 涨壳式预应力注浆锚杆，锚杆长7.0 m，锚杆间距60 cm ×100 cm；钢筋网为双层Φ8 mm 钢筋网，间距20 cm × 20 cm， 喷射混凝土C25 喷射砼，厚10 cm。

二次衬砌采用钢筋混凝土（C30 砼），拱顶、边墙（钢筋）厚度为50 cm；仰拱（钢筋）厚度为50 cm。

参照《公路隧道设计细则》［14］，V 级围岩采用复合式支护建造公路隧道时，应确定合适的释放荷载分担比，保证支护结构和围岩组成联合受力的整体，共同承受释放荷载的作用。 V 级围岩隧道的围岩、初支和二衬的释放荷载分担比建议值：围岩、初支共同荷载分担比为20%～40%，二衬荷载分担比80%～60%。

初期支护物理力学参数：锚杆重度78 kN／m3，弹性模量205 GPa，粘结强度8×105MPa，抗拉力3×105N，抗压力3×105N；初衬重度23 kN／m3，弹性模量15 GPa，抗拉力8×104N，抗压力3×105N，惯性矩0.002 25 m4。

二衬的物理力学指标：钢筋混凝土重度25 kN／m3，弹性模量29.5 GPa 泊松比0.2，内摩擦角58°，粘聚力2.58 MPa，单轴抗拉强度1.2 MPa。

2 小净距隧道二衬荷载分担比优化分析

2.1 数值分析流程与建模

细则给出V 级围岩隧道建议的围岩支护的荷载分担比值区间范围，需要研究区间范围内哪个值相对较优，即围岩支护荷载分担机制优化问题。 而小净距隧道由于存在隧洞先后开挖的问题，需对先行洞和后行洞分别探讨荷载分担比优化问题。

数值分析采用荷载释放法逐步释放荷载分析隧道施工的三个阶段的力学行为特征，第一阶段：隧道开挖围岩全部暴露，控制围岩承担的荷载；第二阶段：初期支护阶段，将锚杆和初衬加入，控制初期支护承担的荷载；第三阶段：二次衬砌支护阶段，控制二衬支护承担的荷载。 分别获取三个阶段地表沉降曲线和隧道封闭位移，数值分析流程见图1。

图1 数值分析流程

小净距隧道需要考虑先行洞和后行洞的工序影响，根据实际工程情况建立数值分析模型。 隧道围岩选用实体单元建立，锚杆、初期衬砌分别选用rockbolt和linEar 结构单元。 二次衬砌由于厚度较大选用实体单元。 数值分析模型见图2。

图2 数值分析模型

2.2 模拟工况设定

由于Ⅴ级围岩无自稳能力，隧道开挖围岩释放的荷载主要由二衬来承担，而围岩与初支承担的较小，设定9 种模拟工况，各工况的围岩、初支和二衬的荷载分担比见表1，荷载分担比组合参照细则建议值进行设置。

表1 Ⅴ级围岩隧道围岩支护荷载分担比

2.3 先行洞二衬荷载分担比优化分析

通过分析先行洞（右洞）在二衬荷载分担比分别为80%、70%和60%条件下不同工况的力学行为，得到地表沉降位移曲线见图3。

图3 先行洞不同二衬荷载分担比下的地表沉降

围岩荷载分担比为5%、10%、15%、20%、30%时，地表沉降最大位移分别达到了2 mm（曲线1-1）、4 mm（曲线2-1）、7 mm（曲线3-1）、10 mm（曲线6-1）、16 mm（曲线9-1），呈现出非线性增长趋势，可见初期支护可以有效抑制地表沉降的增长。

从图3 可以看出，围岩和初支共同承担荷载比对地表沉降起主要作用。 当围岩和初支共同承担荷载比不变的情况下，围岩荷载分担比越大，地表沉降位移越明显，这可以从先行洞开挖完毕后曲线1-2～3-2、4-2～6-2 及7-2～9-2 中得到反映，说明围岩相对初支承担较小荷载为宜。

二衬荷载分担比为80%时，地表最大沉降位移为36 mm；二衬荷载分担比为70%和60%时，地表最大沉降位移量分别为40 mm 和46 mm。 说明二衬荷载分担比越大，地表沉降越小，但彼此相差不大。

由于Ⅴ级围岩稳定性较差，具有一定流变效应，围岩不宜承担较大荷载，隧道开挖后宜尽快进行初期支护，初支后锚杆和衬砌与围岩紧密贴合，在一定程度上也受围岩流变影响。 从施工成本、难易程度和施工效率来说，二衬的荷载分担比越大，其施工成本越大，施工难度越大、施工效率越低。 经分析先行洞的二衬荷载分担比在60%～80%区间的最终沉降位移量相差不大，考虑到成本和效率等因素，确定先行洞二衬荷载分担比的优化值为从大往小趋向60%。

2.4 后行洞二衬荷载分担比优化分析

先行洞二衬支护完成后，后行洞（左洞）开挖至先行洞支护段时，假设先行洞围岩荷载完全释放，后行洞数值分析也采用表1 中的工况。 在后行洞二衬荷载分担比分别为80%、70%和60%时，获取不同荷载分担比的地表沉降位移曲线见图4。

后行洞在围岩和初支共同承担20%和30%总荷载条件下，此时围岩和初支共同荷载比和相互荷载比对地表沉降的影响不大；当围岩和初支共同承担40%总荷载时，围岩承担荷载比对地表沉降影响大。

后行洞二衬荷载分担比为70%和80%条件下地表沉降位移最大分别为52 mm 和58 mm，说明两种条件下二衬对地表沉降影响相差不大。 二衬荷载分担比为60%条件下，地表最大地表沉降位移为75 mm，最大沉降点位置也偏移至中线左侧，与二衬荷载分担比为70%及80%条件相比，二衬对地表沉降抑制效果较差。

由此可分析出二衬荷载分担比不宜小于70%，可将70%作为二衬荷载分担比优化临界值，确定后行洞二衬荷载分担比的优化值为从大往小趋向70%。

图4 后行洞不同二衬荷载分担比下的地表沉降

2.5 隧洞围岩封闭位移分析

不同工况V 级围岩小净距隧洞施工各阶段隧洞围岩垂直封闭位移见表2，可以看出无论先行洞还是后行洞，当二衬荷载分担比不变时，围岩承担的荷载分担比相对初支越大，则隧道各个阶段的垂直封闭位移越大，因此围岩相对初支承担较小荷载为宜。

表2 不同工况小净距隧道施工各阶段的垂直封闭位移

先行洞二衬荷载分担比为80%、70%和60%时，隧道各阶段垂直封闭位移呈增长趋势，围岩和初支荷载比的相互变化对二衬垂直封闭位移影响不大，所有工况的最终垂直封闭位移相差不大，工况9 比工况1 相比位移差仅为12.6 mm。 考虑到成本和效率等因素，确定先行洞二衬荷载分担比的优化值为从大往小趋向60%，与上文分析一致。

后行洞二衬荷载分担比为60%时，围岩和初支荷载分担比的相互变化对二衬垂直封闭位移影响较大，工况9 比工况7 位移要大14.4 mm，所以二衬荷载分担比宜大于60%。 当二衬荷载分担比为70%时，工况4～5 的二衬垂直封闭位移变化不大，可作为后行洞二衬荷载分担比的优化临界值，与上文分析基本一致。

3 结 论

1） 以某V 级围岩小净距隧道为研究对象，借助数值分析手段寻求小净距隧道在多种荷载分担比组合下的力学行为特征，研究了先行洞和后行洞围岩的二衬荷载分担比优化问题。

2） 先行洞在围岩和初支共同承担荷载比不变的情况下，围岩荷载分担比越大，地表沉降位移越明显，因此围岩相对初支承担较小荷载为宜。 二衬荷载分担比为80%、70%和60%条件下，二衬承担的荷载比越大，地表沉降越小，但彼此相差不大。 考虑到成本和效率等因素，确定二衬荷载分担比的优化值为从大往小趋向60%。 隧洞围岩封闭位移分析与其一致。

3） 后行洞在二衬荷载分担比为70%和80%条件下，地表沉降位移相差不大，而在二衬荷载分担比为60%条件下，围岩承担荷载比对地表沉降影响大，二衬支护对地表沉降抑制效果较差。 可将70%作为二衬荷载分担比优化临界值，确定后行洞二衬荷载分担比的优化值为从大往小趋向70%。 隧洞围岩封闭位移分析与其基本一致。