考虑蠕变效应的软岩隧道复合衬砌力学特性与荷载传递机制研究

本文聚焦软岩隧道工程中蠕变效应引发的围岩大变形与支护结构稳定性问题，通过现场监测与FLAC3D数值模拟（采用Cvisc本构模型），系统揭示了不同施工参数对衬砌应力分布的影响规律，创新性提出基于初支刚度比与屈服阈值的荷载传递三阶段理论，为软岩隧道动态支护设计提供重要理论依据。

　　

研究背景与技术挑战

中国西部广泛分布的软岩地层在隧道建设中常引发围岩大变形问题，其中泥质粉砂岩的蠕变特性是关键诱因。传统支护设计往往孤立考虑初支强度或刚度，缺乏对次衬安装时机与初支刚度交互作用的系统研究。现有本构模型（如Burgers）难以模拟软岩加速蠕变阶段，而Cvisc模型通过耦合Burgers粘弹性与Mohr-Coulomb塑性元件，可更准确表征围岩三阶段蠕变行为。

工程案例与监测方案

以广西鹿寨县先锋隧道为研究对象，该V级围岩隧道最大埋深117米，采用短台阶法开挖。监测断面LK90+073的数据显示：拱顶沉降速率在第17天趋于稳定（0.1 mm/d），围岩压力呈现"边墙＞拱腰＞拱顶"的非对称分布，初期支护阶段压力增速达52.8 kPa/d，占总最终压力的60%-70%。次衬接触压力演化呈现"快速上升-短暂回落-二次增长"特征，最终稳定值达236.9 kPa。

数值模拟关键发现

1. 1.

   本构模型验证：Cvisc模型模拟结果与实测数据误差仅11.48 kPa（第36天），显著优于Mohr-Coulomb模型的381.2 kPa偏差。

2. 2.

   施工参数影响：次衬安装时间每提前4天，其最终受力增加约31.6 kPa；当初支弹性模量从27 GPa增至37 GPa时，次衬荷载分担比仅降低7.8%，证明单纯提高初支刚度并非经济选择。

3. 3.

   荷载传递机制：监测数据捕捉到初支屈服后177 kPa的荷载突跳现象，揭示出三阶段传递规律：弹性协同承载阶段（压力按刚度比分配）→初支屈服转移阶段（增量压力由次衬承担）→次衬失效风险阶段。

工程优化建议

1. 1.

   时空调控：在围岩稳定条件下，将次衬安装延至24天后可降低43%荷载，配合动态监测确定最佳施作窗口。

2. 2.

   结构改良：采用可缩式钢架降低初支刚度，或通过注浆改良围岩参数（如将单轴抗压强度从18 MPa提升至25 MPa）。

3. 3.

   智能监测：借鉴无人机深度学习技术实现衬砌裂缝自动识别，建立区域蠕变数据库支持支护参数智能反演。

研究局限与展望

当前模型未考虑洞口三维效应和地下水影响，未来需开发融合渗流-温度-断层耦合的智能分析系统。值得注意的是，该研究首次量化了初支屈服阈值（177 kPa），为《公路隧道设计规范》中"让压支护"理念提供了数据支撑。正如监测数据所示，当次衬在初支屈服前施作时，其最终压力波动幅度不超过15%，这种稳定性对保障隧道百年寿命至关重要。