云南省香丽高速浅埋隧道进口段二次衬砌支护时机分析
胡盛华 吴勇 姜文涛 刘浩杰
摘要：目前中国山岭隧道主要采用新奥法施工，如何确定新奥法二次衬砌施工的合理支护时机一直是隧道施工中重点关注的问题，尤其遇到隧道埋深较浅、围岩较差的情况。以云南香丽高速浅埋破碎围岩隧道进口段施工为例，采用基于现场监控量测数据的反分析法和收敛限制半解析计算法，得到了满足变形速率准则和极限位移准则的二次衬砌支护时机。研究结果表明：进口段二次衬砌合理支护时间参数为21～26 d，空间参数为52～73 m。
关键词：支护时机;二次衬砌;浅埋隧道进口段;监控量测;回归分析;香丽高速;云南省
中图法分类号：U455.48文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.005
文章编号：1006 - 0081（2021）07 - 0024 - 03
0 引 言
为了构建中国面向东南亚、南亚地区和印度洋周边经济圈全方位对外开放格局，推进西南地区优势资源互补、优化交通路网结构，我国西南部地区高速公路、城际快速路的建设得到了新的发展机遇。但西南部地区山地多、平原少，修建大量隧道不可避免。此外，西南部地区复杂的地形地质特征给公路隧道的建设带来了诸多的挑战。
在采用新奥法修建隧道过程中，二次衬砌的支护时机十分重要，若施作时机过早，围岩应力不能得到充分释放，支护结构容易遭到破坏;施作时机过晚可能会出现初期支护不能有效抑制围岩变形的情况，最终导致围岩失稳坍塌。因此，深入研究围岩和支护变形规律，确定二次衬砌的合理支护时机十分必要。目前，国内学者已在这方面做了大量的研究和探讨。对于浅埋隧道，作用在支护结构之上的围岩压力受隧道埋置深度、地形条件及地表环境影响较大，会对隧道支护系统产生一定的影响。巫晨笛[1]、郭小龙等[2-5]基于现场监控量测反分析法和收敛限制半解析法对花岗岩隧道、千枚岩隧道、软岩隧道、盾构隧道二次衬砌的支护时机进行了研究。李宝平等[6]基于现场监控量测数据的反分析法，获得满足变形速率准则和极限位移准则的二次衬砌支护时机，并结合最小支护原理，确定了最佳支护时机。孟陆波等[7]以某千枚岩高速公路为工程实例，采用数值模拟建立了二次衬砌不同施做时机分析模型，研究结果表明：二次衬砌施做过早可导致隧道边墙和拱腰部位出现拉应力，产生张拉开裂，并指出施做二次衬砌时机应为初期支护变形量为隧道最终变形量的65%～70%之后。邱子峰等[8]基于最优加权组合预测法对华蓥山隧道监控量测数据进行了预测分析，研究结果表明：将最优加权组合预测方法引入到隧道监测数据分析中，能够更加有效反映隧道变形量发展趋势，为确定二次衬砌支护时间提供依据。
综上所述，多采用对数、指数、双曲线函数对监控量测数据进行回归分析，再利用反分析法确定二次衬砌合理支护时间参数。当回归曲线都不能较好反映监测数据变化时，可引入最优加权模型以更加有效地反映监测数据变化趋势。由于常规回归函数的限制，隧道监控量测数据反分析法只能确定二次衬砌合理支护的时间参数，可采用基于收敛限制的半解析计算法确定二次衬砌的合理支护空间参数。
本文以云南香丽高速浅埋隧道进口段实际工程为依托，采用基于现场监控量测数据的反分析法和基于收敛限制的半解析计算法，综合确定了浅埋隧道进口段二次衬砌施做合理时机。
1 工程背景
1.1 工程概况
云南香丽高速公路隧道位于香格里拉—丽江高速虎跳峡县境内，隧道位于云贵高原中部，属于构造侵蚀、溶蚀中山地貌，地形陡峭，地质作用以侵蚀、风化为主。进口段埋深较浅，最浅埋深仅有4 m，围岩以V级强风化板岩为主，节理裂隙发育，岩芯多呈碎石状，围岩破碎（图1）。
1.2 设计参数
隧道为双向四车道，左右线隧道均为单洞两车道，左线隧道长756 m，右线隧道长823 m，属中隧道。隧道建筑界限净高5.0 m，净宽为10.25 m;隧道开挖断面积为90 m2，为大断面隧道。
隧道结构采用复合衬砌，Ⅴ级围岩浅埋超前支护参数为：隧道洞口采用Φ108 mm管棚，间距40 cm×40 cm，长30 m，搭接长度5 m;隧道洞内采用Φ50 mm的小导管，间距40 cm×40 cm，长30 m，搭接长度5 m。围岩浅埋加强初期支护为：C25喷射混凝土，厚28 cm;纵向间距50 cm的I22b钢拱架;Φ8 mm双层钢筋网，间距20 cm×20 cm。
2 监控量测方案
测点布置原则为，拱顶下沉监测以拱顶为中心，间隔2 m共布置3个测点;周边位移监测以拱顶为中心，共布置3个测点，且周边位移水平测线距拱顶距离为3 m。以此规律布设监控量测点位，可较全面地掌握施工过程中围岩稳定程度和变形规律（图2）。
本文着重对隧道周边收敛和拱顶下沉结果进行分析，同时参照其他监测项目结果。拱顶下沉采用精密水准仪器测量，周边收敛采用钢尺收敛仪测量。量测频率按照相关规范要求进行。
3 基于现场监控量测数据的反分析法
反分析法一般先对现场监测数据进行回归分析，结合变形速率准则和极限位移准则综合确定二次衬砌支护时机[9]。变形速率准则：根据JTG F60-2009《公路隧道施工技术规范》规定，拱顶下沉速率<0.07～0.15 mm/d，隧道适合施做二次襯砌;极限位移准则：根据GB 50086-2009《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定，已产生的各项位移达到预计极限位移量的80%～90%时，隧道适合施做二次衬砌。
根据隧道监控量测拱顶下沉实测数据，采用SPSS软件对数据进行回归分析，用对数函数、指数函数和双曲线函数对拱顶沉降曲线进行拟合分析，获得回归方程，最终选用拟合度较高的曲线。对丽香高速隧道进口段典型监测断面ZK60+735，ZK60+715拱顶位移数据进行回归分析，结果见表1。
一般建议选取两种准则下的时间交集作为二次衬砌支护时机，即ZK60+735断面宜在开挖完成后21～22 d进行二次衬砌，ZK60+715断面宜在开挖完成后25～26 d进行二次衬砌。
通过对典型断面进行回归分析，结合隧道实际情况认为，进口段开挖宜在掌子面开挖完成后21～26 d进行二次衬砌。
4 基于收敛限制的半解析法
采用函数回归分析法对监控量测数据处理时，获得的回归函数仅是变形量与监测天数的关系，而掌子面相对监测断面的推进距離也是影响变形量的一个重要因素。为此，引入基于收敛限制的半解析计算法确定二次衬砌合理支护的空间参数。
引入收敛限制的半解析计算法本质上是引入收敛函数对监测数据进行分析。收敛函数阐明了变形量与掌子面推近距离之间的关系，一般按照如下经验公式进行计算[6]。
[δx=δ∞x[1-e（-x/X）]] （1）
式中：[δx]为当掌子面与监测断面距离x时的断面变形量，mm;[δ∞x]为监测断面变形量极限值，对于同级围岩可取各测点极限位移值的平均值，mm;x为隧道开挖掌子面与监测断面的距离，m;X为掌子面推进影响距离，可按照下式进行计算：
[X=aR=ar0[（1-sinφ）（p0-c?cotφ）pi+c?cotφ]1-sinφsinφ]（2）
式中：[a]为常数，可取0.84;R为塑性区半径;[pi]为围岩压力;[p0]为原岩应力;[c]为围岩黏聚力;[φ]为围岩内摩擦角;[r0]为隧道半径。代入参数并结合表1结果计算，得收敛函数表达式：
[δx=26.48×[1-e（-x/32.25）]] （3）
根据规范要求并结合实际情况认为，基于收敛限制法确定二次衬砌时机条件为[δx∈（0.8δ∞x， ][0.9δ∞x）]，由此可计算得基于收敛限制法二次衬砌支护时机如表2所示。
5结 论
本文以云南香丽高速浅埋隧道进口段施工为背景，通过对现场监控量测数据的处理，确定了二次衬砌支护的合理时机，得到结论如下。
（1）基于现场监测数据的反分析法，获得了满足极限位移准则和变形速率准则的二次衬砌合理支护时间为断面开挖后21～26 d。
（2）基于收敛限制半解析法获得了满足极限位移准则的二次衬砌支护合理空间参数为开挖掌子面向前开挖52～73 m。
（3）在二次衬砌混凝土浇筑180 d后对混凝土表面进行观察，未发现渗水、开裂等缺陷。由此认为本文研究结果可有效指导二次衬砌的施作时间的确定，适合在浅埋段公路隧道进行推广使用。
参考文献：
[1] 巫晨笛，李天斌，孟陆波，等. 雅康高速公路二郎山隧道花岗岩区二次衬砌支护时机分析[J]. 四川建筑科学研究，2017，43（2）：75-80.
[2] 郭小龙，谭忠盛，李磊，等. 高地应力千枚岩隧道二次衬砌施作时机研究[J]. 中国公路学报，2020，33（12）：249-261.
[3] 赵春磊. 软岩大变形隧道二次衬砌施作时机分析[J]. 西部交通科技，2020（12）：118-120.
[4] 王士民，陈兵，王先明，等. 盾构隧道二次衬砌合理施作时机模型试验研究[J]. 岩土工程学报，2020，42（5）：882-891.
[5] 杨友彬，裴利华，林东，等. 软弱围岩隧道二次衬砌合理施作时机研究[J]. 施工技术，2018，47（24）：24-28，84.
[6] 李宝平，高诗明，王睿，等. 基于现场监控量测数据的反分析法确定二衬支护时机[J]. 铁道建筑，2014，（8）：49-51.
[7] 孟陆波，潘皇宋，李天斌. 鹧鸪山隧道二次衬砌开裂机理及支护时机探讨[J].现代隧道技术，2017，54（2）：129-136.
[8] 邱子峰，沈简，傅旭东，等. 基于最优加权组合预测的隧道监控量测数据分析[J]. 长江科学院院报，2016（5）：53-57.
[9] JTG F60-2009 公路隧道施工技术规范[S].
（编辑：李 慧）
Analysis on supporting timing of second lining of entrance section of shallow buried tunnel of Xiangli Highway in Yunan Province
HU Shenghua1，3， WU Yong2，3， JIANG Wentao2，3， LIU Haojie2，3
（1. Engineering Quality Supervision Bureau， Department of Transportation of Yunnan Province ， Kunming 650200， China; 2. Yunnan Institute of Building Research， Kunming 650223， China; 3. Yunnan Geotechnical Engineering Technology Research Center，Kunming 650223， China）
Abstract：
At present， New Austrian Tunnel Method was commonly used in the mountain tunnel construction in China. The determination of the reasonable support timing of the second lining during the construction of the tunnel has been focused ， especially in the shallow buried tunnel with poor surrounding rock condition. Taking the construction of the entrance section of shallow buried tunnel of Xiangli Highway in Yunan Province with broken rock condition as an example， the supporting timing of second lining of the section was determined by using the back-analysis of the in-site data and the convergent control method， which meets the deformation rate criterion and the limit displacement criterion. The research indicated that the reasonable support timing of the project would be 21～26 d and the spatial parameter was 52～73 m.
Key words：
support timing; secondary lining; shallow buried tunnel entrance; monitoring measurement; regression analysis; Xiangli Highway; Yunnan Province
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