274 工程科学学报，第44卷，第2期 算，得到支护时机近似为3.3m.采用FLAC3D进行 2.2 开挖与支护的数值计算，模型及边界条件等与上 2.0 1.8 文一致.参照前人研究9别，锚杆的作用通过提高 1.6 Sic Cumulative convergesce 加固区的围岩参数来体现，钢筋网的加固效果作 14 S:Cumulative settlement 为安全储备考虑.衬砌其他部分采用实体单元模 12 拟，力学模型为各向同性弹性体模型，由于钢拱架 Rapid increasing slowly increasing Stable stage 0.8 与喷射混凝土是紧裹在一起的，共同变形、共同受 0.6 力，所以钢拱架的作用采用等效方式法予以考虑， 0.2 即将钢拱架的弹性模量折算给混凝土，折算方法 如文献32]中所述.最终确定衬砌弹性模量为 0 5101520253035404550 Time/d 27.4GPa,泊松比为0.22，密度为2300kgm3.模拟 图10围岩变形时程曲线 计算时，隧道开挖方式是上下台阶法.上下台阶错 Fig.10 Time-history curves of surrounding rock deformation 距为6.6m,上台阶开挖进尺取3.3m,初期支护紧 32.50 32.50 跟开挖面；上台阶支护完成后，开挖下台阶一个进 31.25 Cumulative settlement,field monitoring 31.25 尺，即3.3m,并施作初期支护：按次序循环开挖与 30.00 .Cumulative settlement,numerical modeling 30.00三 支护.现场施工方案与数值模拟相一致 三28.75 28.752 现场施工期间，遵循《公路隧道施工技术规 27.50 2750毫 范》(JTG/T3660一2020)B),对研究区段开展监控 26.25 26.25言 三25.00 25.00 量测工作.本文选取ZK19+265~ZK19+290里程 23.75 段进行分析研究，在该里程中按次序每5m布置 2375 322.50 22.50 一个断面，共计6个监测断面（编号为1~6）.图10 21.25 -Cumulative convergence,field monitoring Cumulative convergence,numerical modeling 21.25 为1号监测断面的围岩变形时程曲线，可以看出， 20.00 20.00 1 345 6 在隧道开挖并施作初期支护后，隧道变形可分成 Monitoring section number 快速增长、缓慢增长、趋于稳定3个阶段.监测点 图11围岩位移监测值与计算值对比 最初的沉降与收敛变形速率分别为2.03mmd Fig.11 Displacement monitoring value and calculated value comparison 和1.91mmd,后期未出现反常突变，最终累积变 6结论 形量均控制在30mm以内，满足规范31中的相关 规定.其他断面的围岩变形时程曲线与1号监测 本文针对隧道施工时初衬支护时机确定的主 断面类似，限于篇幅，此处不再列出.图11为6个 观性和不确定性问题，考虑岩体应变软化特性，通 监测断面围岩位移最大值的现场监测结果和数值 过有限差分计算程序对深埋隧道初衬施作时机进 计算结果对比情况.由图11可知，各监测断面围 行系统研究，提出支护时机设计原则和方法，并在 岩的实测变形结果与数值模拟结果基本一致.其 延崇高速公路玉渡山隧道中进行应用，得到如下 中，模拟拱顶沉降最大值为27.69mm,实测拱顶沉 几点主要结论： 降最大值为28.78mm,增加了3.94%：而模拟周边 (I)破坏接近度FAI能有效描述围岩的损伤 收敛最大值为24.57mm,实测周边收敛最大值为 破坏程度，从而为基于FAI的支护时机选择提供 25.58mm,增加了4.11%.可见，实测值相较模拟 理论基础和量化标准.根据FAI演化规律，明确了 值整体偏大，这是由于数值模拟在计算过程中存 隧道围岩不同损伤区域，在此基础上阐释了隧道 在较多理论模型假设，结果趋于理想值；而实际工 初衬的临界支护时机判别准则. 程中难免有施工扰动，使实际监测结果较大.以上 (2)论述了初衬支护时机的本质，根据FAI量 分析结果表明该数值模型能够反映隧道围岩与支 化标准和围岩应变软化规律，建立了隧道初衬合 护的变形规律，也说明3.3m的支护时机可以满足 理支护时机优化设计方法，该方法能反映出围岩 隧道施工环境中围岩加固的需要.相较传统方法 的非线性特征和应变软化特性，适用性更好.通过 依靠现场监测信息与工程经验，本文所得支护时 有限差分平台实现了构建方法的综合应用，计算 机设计方案能够兼具安全性和经济性，更能提高 结果表明支护时机主要依赖于围岩工程条件 施工进度 (3)揭示了H-B准则参数对于支护时机的影算，得到支护时机近似为 3.3 m. 采用 FLAC3D 进行 开挖与支护的数值计算，模型及边界条件等与上 文一致. 参照前人研究[29−31] ，锚杆的作用通过提高 加固区的围岩参数来体现，钢筋网的加固效果作 为安全储备考虑. 衬砌其他部分采用实体单元模 拟，力学模型为各向同性弹性体模型，由于钢拱架 与喷射混凝土是紧裹在一起的，共同变形、共同受 力，所以钢拱架的作用采用等效方式法予以考虑， 即将钢拱架的弹性模量折算给混凝土，折算方法 如文献 [32] 中所述. 最终确定衬砌弹性模量为 27.4 GPa，泊松比为 0.22，密度为 2300 kg·m−3 . 模拟 计算时，隧道开挖方式是上下台阶法. 上下台阶错 距为 6.6 m，上台阶开挖进尺取 3.3 m，初期支护紧 跟开挖面；上台阶支护完成后，开挖下台阶一个进 尺，即 3.3 m，并施作初期支护；按次序循环开挖与 支护. 现场施工方案与数值模拟相一致. 现场施工期间，遵循《公路隧道施工技术规 范》(JTG/T3660—2020)[33] ，对研究区段开展监控 量测工作. 本文选取 ZK19+265～ZK19+290 里程 段进行分析研究，在该里程中按次序每 5 m 布置 一个断面，共计 6 个监测断面（编号为 1～6）. 图 10 为 1 号监测断面的围岩变形时程曲线，可以看出， 在隧道开挖并施作初期支护后，隧道变形可分成 快速增长、缓慢增长、趋于稳定 3 个阶段. 监测点 最初的沉降与收敛变形速率分别为 2.03 mm·d−1 和 1.91 mm·d−1，后期未出现反常突变，最终累积变 形量均控制在 30 mm 以内，满足规范[33] 中的相关 规定. 其他断面的围岩变形时程曲线与 1 号监测 断面类似，限于篇幅，此处不再列出. 图 11 为 6 个 监测断面围岩位移最大值的现场监测结果和数值 计算结果对比情况. 由图 11 可知，各监测断面围 岩的实测变形结果与数值模拟结果基本一致. 其 中，模拟拱顶沉降最大值为 27.69 mm，实测拱顶沉 降最大值为 28.78 mm，增加了 3.94 %；而模拟周边 收敛最大值为 24.57 mm，实测周边收敛最大值为 25.58 mm，增加了 4.11 %. 可见，实测值相较模拟 值整体偏大，这是由于数值模拟在计算过程中存 在较多理论模型假设，结果趋于理想值；而实际工 程中难免有施工扰动，使实际监测结果较大. 以上 分析结果表明该数值模型能够反映隧道围岩与支 护的变形规律，也说明 3.3 m 的支护时机可以满足 隧道施工环境中围岩加固的需要. 相较传统方法 依靠现场监测信息与工程经验，本文所得支护时 机设计方案能够兼具安全性和经济性，更能提高 施工进度. ` ` 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Horizontal convergence displacement Crown settlement displacement Rapid increasing phase Slowly increasing stage Stable stage SC: Cumulative settlement SH: Cumulative convergence Time/d Deformation rate/(mm·d−1 ) SC=28 mm SH= 27 mm 图 10    围岩变形时程曲线 Fig.10    Time-history curves of surrounding rock deformation ` ` 1 2 3 4 5 6 20.00 21.25 22.50 23.75 25.00 26.25 Cumulative settlement/mm 27.50 28.75 30.00 31.25 32.50 Monitoring section number Cumulative settlement, field monitoring Cumulative settlement, numerical modeling 20.00 21.25 22.50 23.75 25.00 26.25 27.50 28.75 30.00 31.25 32.50 Cumulative convergence, field monitoring Cumulative convergence, numerical modeling Cumulative convergence/mm 图 11    围岩位移监测值与计算值对比 Fig.11    Displacement monitoring value and calculated value comparison 6    结论 本文针对隧道施工时初衬支护时机确定的主 观性和不确定性问题，考虑岩体应变软化特性，通 过有限差分计算程序对深埋隧道初衬施作时机进 行系统研究，提出支护时机设计原则和方法，并在 延崇高速公路玉渡山隧道中进行应用，得到如下 几点主要结论： （1）破坏接近度 FAI 能有效描述围岩的损伤 破坏程度，从而为基于 FAI 的支护时机选择提供 理论基础和量化标准. 根据 FAI 演化规律，明确了 隧道围岩不同损伤区域，在此基础上阐释了隧道 初衬的临界支护时机判别准则. （2）论述了初衬支护时机的本质，根据 FAI 量 化标准和围岩应变软化规律，建立了隧道初衬合 理支护时机优化设计方法，该方法能反映出围岩 的非线性特征和应变软化特性，适用性更好. 通过 有限差分平台实现了构建方法的综合应用，计算 结果表明支护时机主要依赖于围岩工程条件. （3）揭示了 H−B 准则参数对于支护时机的影 · 274 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期