软岩流变特性对仰拱与填充一体浇筑隧道衬砌结构受力的影响

熊晓晖

（中铁十一局集团有限公司，湖北 武汉 430061）

0 引言

仰拱施工,一直是隧道钻爆法施工工序中的一道关键工序[1-2]，其进度影响施工工期、隧道质量和施工安全控制。仰拱结构混凝土与填充混凝土，可分开浇筑或一体浇筑，国内目前以分开浇筑方式为主，极少数铁路项目开展了一体浇筑法的研究与应用[3]。

目前，隧道仰拱与填充混凝土分开浇筑施工方案，普遍采用全液压履带式自行栈桥配合整体式仰拱及填充模板装置施工作业[4-5]，需要解决施工车辆安全通行和仰拱同步作业问题，克服仰拱及填充混凝土施工时需反复装拆及倒运、仰拱与仰拱填充需分别支模浇筑、工人劳动强度大、混凝土施工质量难以保障等缺点。仰拱与仰拱填充采用一体浇筑时，仅需要安装端头模板、中心水沟模板与边墙曲模，不需要安装仰拱腹模，能提高施工效率，加快仰拱与仰拱填充的施工进度。

与分开浇筑相比，仰拱与填充一体浇筑时，仰拱的受力状态发生了改变，仰拱和填充混凝土的整体性更好。但是，当遇到仰拱上浮的受力工况时，填充混凝土将处于受拉状态，表面更容易形成裂缝[6]，导致积水渗入仰拱基底，日积月累造成仰拱基底积水和软化、路面翻浆冒泥等病害。本文基于软岩隧道的流变特性（III级围岩），采用地层-结构法对仰拱与填充一体浇筑后的隧道衬砌结构受力状况进行数值模拟，以揭示这种不利状况的影响范围。

本文基于岩石的黏、弹、塑3 种变形特性展开研究[7]，根据隧道开挖现场监测变形数据，拟合软岩流变变形的本构模型，得到软岩流变模型参数，对仰拱与填充一体浇筑时衬砌结构的受力状态，进行施工过程仿真，并考察仰拱和填充混凝土在软岩流变过程中的受力变化。

1 数值模型

仰拱与填充一体浇筑施工过程数值模拟，主要考察仰拱和填充在浇筑后的受力和变形问题，尤其是由于隧道软岩流变过程中，喷锚支护混凝土和衬砌混凝土应力重分布后，填充混凝土的变形问题。隧道从开挖、喷锚支护、衬砌支护到岩体流变过程，是典型的三维力学问题，但开挖支护完成后的流变问题可以简化成平面应变问题，本项目主要考察岩体流变过程中，仰拱与填充一体浇筑时，仰拱和填充的力学变化过程，因此，采用平面应变模型进行模拟。

1.1 数值模型计算域的选取

本文采用典型的III 级围岩双线高速铁路隧道进行数值计算，隧道衬砌结构断面如图1 所示，主要考察深埋隧道的受力问题，由于岩体流变影响区域较大，数值计算域以隧道为中心，选取400m×400m 范围的岩体进行计算。

图1 隧道衬砌结构断面（单位：cm）

1.2 开挖过程和边界条件

开挖过程设置为：隧道开挖→岩体流变→喷锚支护→岩体流变→衬砌及仰拱支护→岩体流变，数值分析的目的是研究衬砌及仰拱支护后的岩体流变过程。计算域的顶边为自由边界，底边限制垂直方向的位移，左右两边限制水平方向的位移。

1.3 混凝土和岩体的本构模型

喷锚混凝土采用C20 混凝土，衬砌混凝土和填充混凝土采用C35 混凝土，数值模型中采用摩尔-库伦模型。

采用Drucker Prager 屈服准则描述软岩的本构关系，采用时间相关的硬化定律描述岩体的流变，假定流变过程中材料的应力基本保持不变，应变率表示为：

根据试验及变形监测数据进行拟合，软岩的材料参数如表1 所示。

表1 隧道岩体材料参数

2 结果与分析

本文数值分析的主要目的是研究衬砌及仰拱支护后岩体流变对一体浇筑的仰拱填充的受力影响，开挖及支护分析流程为：隧道开挖→岩体流变→喷锚支护→岩体流变→衬砌及仰拱支护→岩体流变，主要对比分析仰拱填充一体浇筑与分开浇筑时的受力特性。

2.1 拱顶位移

图2 给出了开挖后拱顶竖向位移随时间变化的规律，为了方便表达，横坐标时间是归一化后的时间坐标，各施工阶段的具体时间如表2 所示。从图2 中可见：

表2 隧道开挖及支护各施工阶段时间

图2 开挖后拱顶竖向位移随时间变化曲线

（1）隧道开挖后，直到变形稳定，拱顶竖向位移约13cm，其中，大约10cm 发生在隧道开挖阶段。

（2）喷锚支护后，流变阶段拱顶位移进一步释放。

（3）衬砌施工后，拱顶位移变化放缓，前期流变阶段拱顶位移略有增加，后期流变阶段拱顶位移趋于稳定。

2.2 二次衬砌仰拱（与填充）的应力

为了揭示仰拱和填充一体浇筑工艺混凝土的受力特性，本文对比分析了同等条件下，仰拱和填充分开浇筑的结果。模型a 为仰拱和填充一体浇筑，模型b 为仰拱和填充分开浇筑；分开浇筑时，认为仰拱混凝土和填充混凝土之间存在滑移变形，二者变形不协调，因此数值仿真中，模型b 忽略了填充混凝土，仅考察仰拱的受力。仰拱和填充一起浇筑时，分析在不同施工阶段的拉应力和压应力分布情况发现：

（1）模型a 和模型b 在仰拱和填充施工完成后的拉应力和压应力都处于较低的水平，二者的应力分布略有差异。

（2）仰拱和填充施工完成，围岩流变60d 后，模型a和模型b 的拉应力分布出现较大不同，仰拱和填充一体浇筑时，较大拉应力出现在二次衬砌拱脚外侧以及填充混凝土的顶部，填充混凝土顶部的局部区域出现了大于0.1MPa 的拉应力，因此，仰拱和填充一体浇筑时，应采取适当措施防止填充混凝土因拉应力过大出现开裂现象；另一方面，与模型b 相比，仰拱和填充一体浇筑时，填充混凝土分担了仰拱的部分拉应力，降低了仰拱区域的拉应力水平。一体浇筑时，仰拱局部区域出现拉应力（出现在边墙排水沟填充混凝土边界处），主要是由截面突变带来的应力集中引起。仰拱和填充分开浇筑时，仰拱顶部大部分区域没有出现拉应力，仅在拱脚外部局部区域出现了拉应力。

（3）仰拱和填充施工完成围岩流变60d 后，模型a和模型b 中，仰拱和二次衬砌的压应力分布大致相同，最大压应力分别为3.43MPa 和3.52MPa，都出现在拱腰和拱脚局部区域。

（4）仰拱和填充施工完成围岩流变100d 后，模型a和模型b 的仰拱和二次衬砌拉应力、压应力最大值和分布状态趋于稳定，与围岩流变60d 后的结果相比差异不大，说明围岩流变对二次衬砌和仰拱的影响，主要出现在施工完成后的有限时间内，二次衬砌和仰拱支护使隧道结构趋于稳定。

2.3 围岩的应力

分析仰拱和填充一体浇筑施工过程中，围岩局部区域的拉应力和压应力分布情况发现：

（1）开挖完成后，围岩顶部和底部的第一主应力水平较高，最大拉应力达到0.326MPa，岩体靠近拱脚部位的局部压应力达到14.7MPa。

（2）喷锚支护完成后，围岩顶部和底部的第一主应力快速下降，最大拉应力下降为0.086MPa，岩体靠近拱脚部位局部最大压应力下降为12.4MPa。

（3）二次衬砌和仰拱施工完成后，围岩顶部和底部的第一主应力进一步下降，最大拉应力小于0，围岩处于受压状态，受压区域从拱脚部位围岩向拱腰部位转移，岩体最大压应力也从靠近拱脚部位转移到靠近拱腰部位，围岩最大压应力约9.87MPa。

（4）流变60d 后，围岩的第一主应力进一步降低，拱腰部位的围岩受压区域范围扩大，最大压应力略有下降，大约9.05MPa。

（5）流变80d 后，围岩的应力分布几乎不再发生变化，岩体压应力分布趋于稳定。

3 结束语

本文采用地层-结构法,对隧道仰拱和填充一体浇筑混凝土过程进行了数值模拟，基于软岩的流变特性，研究仰拱与填充一体浇筑时，隧道衬砌结构的受力状况，重点考察围岩流变对仰拱和填充受力的不利影响，并形成以下结论：

（1）模拟隧道开挖—支护的施工过程时，隧道开挖后直到变形稳定，拱顶竖向位移约13cm，其中大约10cm 发生在隧道开挖阶段，后期支护和流变阶段的位移较小。

（2）二次衬砌和仰拱支护成环以后，围岩流变变形得到控制，围岩流变60d 以后，围岩和支护的受力及变形都不发生大的变化，围岩流变100d 以后，围岩和支护结构趋于稳定。

（3）围岩流变对仰拱和填充一体化浇筑有不利影响，最突出的影响是填充混凝土顶部，在施工完成60d后,因围岩流变出现拉应力，局部拉应力大于0.1MPa，因此，仰拱和填充一体化浇筑时，应采取适当措施防止填充混凝土因拉应力过大出现开裂现象；虽然填充混凝土出现了局部拉应力，但是与仰拱和填充分开浇筑方案相比，填充混凝土分担了仰拱的部分拉应力，降低了仰拱区域的第一主应力水平。