基于松动圈理论的隧道初期支护时机分析王睿党发宁王靖媛邓祥辉袁岽洋摘要：隧道开挖后，围岩应力将逐步释放，此时围岩变形增大、压力减小，若能有效确定隧道初期支护最佳施作时机，则既可充分发挥围岩自承能力减小支护结构强度，又可控制围岩变形，确保施工安全。以围岩拉应变达到岩体极限拉应变、围岩开始产生松动圈作为初期支护的最佳施作时机，建立了基于松动圈理论的隧道初期支护施作时机确定理论。运用MidasGTS有限元计算软件，分析各级围岩在应力释放全过程中围岩应力、应变、位移及松动圈的变化规律，确定Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩在应力释放分别达到60%、40%和20%时是施作初期支护的最佳时机。关键词：围岩松动圈;初期支护;应力释放;拉应变中图法分类号：U451文献标志码：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.0240引言隧道开挖后，围岩应力的释放存在明显的时间效应。而在围岩应力释放过程中，岩体损伤加剧、变形增大、围岩压力减小，支护结构所需提供的支护力也随之减小;若对围岩应力释放不加约束，将导致围岩变形过大、初支侵限甚至坍塌[1-3]。因此，确定隧道初期支护最佳施作时机，既可使围岩应力有效释放，减小支护结构强度，又可控制围岩变形，确保施工安全[4-5]。1958年Lauffer提出了隧道围岩自稳时间的经验公式。从理论上讲，在围岩暂时稳定时间内施作初期支护均是可行的，但由于计算参数难以准确确定，使自稳时间可靠度较低，且自稳时间范围较大，无法确定初期支护最佳时机，常造成围岩过度松弛[6-7]。变形控制理论认为围岩应力释放最直观的表现就是位移的产生。根据围岩最大位移值、位移变化速率和位移速率变化趋势确定初期支护甚至二次衬砌的施作时机已在业界达成了广泛的一致[8-10]，但现有的监控量测手段均是监测初期支护约束下支护结构和围岩的受力及变形情况，无法监测到隧道开挖后瞬时位移，对确定初期支护时机仅有参考作用[11]。李鹏飞等[12]通过分析含衬砌的深埋隧道在围岩应力释放过程中围岩应力的大小及变化规律，发现及时施作具有一定刚度的初期支护可以控制围岩应力的释放，减小围岩塑性变形，使围岩处于较好的三向受力状态，且当围岩最小主应力与最大主应力之间差值较小时，发生破坏的概率也会降低，故可通过建立应力释放系数与围岩应力的对应关系确定初期支护施作时机。文竞舟[13]模拟了圆形隧道Ⅳ级围岩应力释放系数为0.3，0.5，0.7时施作初期支护后，锚喷的力学性能和围岩塑性区状态，得到初期支护施作越晚，锚杆所受轴力越小、围岩塑性区半径越大的结论，说明此时围岩的变形已基本结束，锚喷支护作用已不明显，围岩容易引起松动和破坏，且Ⅳ级围岩应力释放系数为0.5时施作初期支护最佳。以上方法在理论上分析了初期支护施作时机和围岩自稳时间、围岩位移、围岩应力和支护结构受力之间的关系，但未给出评判标准和定量指标，因此对工程的指导意义有限[14-16]。本文根据隧道围岩松动圈的产生及发展规律，提出新的初期支护施作时机理论，并运用数值模拟的方法，分析各级围岩隧道在应力释放过程中围岩位移、应力、拉应变和松动圈范围的变化规律，以期得到不同围岩级别隧道初期支护施作的最佳时机。1研究思路松动圈是隧道开挖时围岩发生应力重分布，导致局部围岩拉应力超过岩体抗拉强度而产生受拉破坏而形成的。围岩松动圈的产生标志着岩体开始破坏，因此可把这一时刻作为施作初期支护的最佳时机，进而提出新的隧道初期支護施作时机确定理论。通过分析隧道开挖后，在无支护条件下围岩应力释放过程中，即应力释放系数由0→0.1→0.2→0.4→0.6→0.8→1.0变化的过程中，围岩位移、应力及拉应变的变化规律，以围岩的拉应变达到岩体极限拉应变开始（即将）产生破坏，并形成（即将形成）松动圈为判别标准，作为初期支护的最佳施作时机，建立基于松动圈理论的隧道初期支护施作时机理论。具体方法如下：（1）建立隧道开挖后，初期支护尚未施作时，围岩应力释放系数分别为0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0的三维有限元数值计算模型。（2）分析不同应力释放系数下拱顶、拱肩、边墙、拱脚等关键节点围岩位移、应力、拉应变的变化规律以及松动圈的产生和发展规律，并...