本文是一篇岩土工程论文，本文采用理论计算、现场监控量测以及数值模拟相结合的方法，探究了双层初期支护技术中第二层初期支护施作时机的关键技术问题，并依托安岚高速谢家坡隧道开展了现场试验，验证了实际应用效果。
1绪论
1.1研究背景及意义
经济的发展离不开基础设施的建设，我国在“十四五”规划和2035年远景目标纲要中，明确提出要加快构建现代基础设施体系，促进交通网络、能源、信息、水利等基础设施的高质量发展，隧道作为交通网络的关键组成部分，在促进地区经济发展和完善交通网络中扮演着至关重要的角色，能够有效促进交通基础设施的完善，提升区域互联互通水平，为经济社会发展提供坚实的基础支撑。截止2023年底，我国公路隧道总里程超过28000公里，各类隧道共计超过150000个，隧道建设规模和技术水平踏上了一个新的台阶[1-2]。而随着隧道工程数量和建设规模的不断扩大，隧道穿越的地质情况愈发复杂，已成为广大隧道建设者必须面对的重大课题。其中，软弱围岩强度低、易风化、还具有较强的流变特性，即隧道的变形与时间有关[3]，极易导致隧道发生大变形，造成钢拱架扭曲变形、初支侵限、掌子面滑塌等工程问题，不仅加剧了工程隐患、增加了建设成本、延长了工期，还严重影响了隧道的使用安全和寿命，一定程度上阻碍了我国交通事业的发展，基于此，针对软岩隧道大变形相关问题有必要继续深入探索完善。
针对软岩大变形隧道的一系列工程问题，国内外众多学者在隧道变形机理、施工技术与大变形控制措施等方面进行了许多研究。由此，双层初期支护技术应运而生，它通过在隧道开挖后，分次构建两层稳定的初期支护，分别承担不同的支护作用，可以更加精细地调整支护结构的力学性能，满足软岩地质条件下隧道施工的特殊需求。相对于传统初期支护，双层初期支护在支护的变形和受力特性上都具有更高灵活性，可以加强初期支护的刚度和承载力，能够很好地控制围岩大变形，有效地防止初期支护破坏和支护结构侵限。双层初期支护的关键技术在于第一层初期支护强度问题、第二层初期支护施作时机问题，但是其研究成果主要集中在工程实践领域，理论研究较为匮乏，也未能将双层初期支护理论完整运用于隧道设计、施工、运营的全过程中。
1.2国内外研究现状
1.2.1软岩隧道时空效应研究现状
隧道开挖过程中受施工的影响会产生一定的变形，但围岩应力重分布产生的应力释放不是在瞬时间就完成，而是随着时间推移不断发展并最终趋向于稳定，致使围岩的变形发展、支护体系的强度变化在时间和空间上均需要经历一个过程, 这就是隧道施工的时空效应[4-6]。因此，想要选择合理的初期支护方案，必须研究隧道开挖后围岩应力和变形的发展过程，众多学者对软岩隧道时空效应进行了研究。
2001年，徐林生[7]依托洋碰软岩隧道，探究了开挖面空间效应约束作用对围岩变形的影响，通过数值模拟研究了不同开挖方式下围岩的径向位移与位移释放系数之间的关系。表明在开挖作业面到达前，围岩就已经产生了变形，在开挖面处位移释放系数约为25％。
2004年，吴波[8]基于弹-黏塑性有限元法，依托某城市浅埋软岩隧道，探究了考虑时空效应下围岩变形规律，并与现场监测结果进行对比分析，验证了计算模型的合理性。
2007年，赵旭峰[9]通过三维非线性黏弹性有限元数值模拟，分析了时空效应下的围岩变形规律，结合现场监控量测数据进行对比验证。结果表明，在作业面影响范围内，开挖面空间效应占主导因素，深埋软岩隧道应尽早施作衬护，以改善承载环范围内围岩受力。
2008年，王伟峰[10]依托家乡沟软岩隧道，运用FLAC3D有限差分软件，同时考虑开挖面空间效应和岩体时间效应，分析了围岩变形、地表沉降和支护受力随时间的变化规律，对家乡沟隧道设计与施工方案提供了合理的建议。
2009年，郑强[11]运用ANYSYS软件，对大跨浅埋隧道CRD法施工中的时空效应进行了研究，模拟了CRD法施工的全过程，结合现场监测数据对围岩变形规律进行了分析。 2010年，张向东[12]采用双曲线方程，结合现场监测资料，从时间和空间两个角度对围岩变形曲线进行了回归分析，对围岩变形的终值进行了预测，研究结果对类似工程设计提供了理论参考。
2软岩大变形隧道双层初期支护设计理念
2.1软岩大变形的定义、分级
大变形隧道变形量大、变形速率快、持续时间长。然而因地域、行业、设计断面等差异，目前国内外还没有形成统一的大变形判别标准。现有的隧道大变形分级标准和方法主要根据以下两个方面的指标进行衡量：
（1）基于软岩大变形结果的评价指标
不良地质洞段围岩在考虑常规支护措施后，隧洞变形、应力、应变处于一般量值水平，支护结构不会发生破坏。从大变形造成的结果来看，围岩变形量远远超过预留变形量，应力应变也显著高于一般量值水平，可能导致隧道断面侵限、钢拱架扭曲、掌子面滑塌等。部分学者就以变形量、相对变形量、变形速率对大变形进行描述，通过隧道变形量值、洞壁相对位移、最大预留变量比值、隧道应变等指标，对大变形隧道进行定义、分级。如表2.1所示。
2.2双层初期支护设计理念
在处理软弱围岩隧道大变形问题上，根据众多实际工程经验来看，主要的控制措施可以分为开挖工法和支护技术两个方面。在开挖工法方面，采用了诸如台阶法、CRD法、CD法等方法，通过分步开挖、初期支护快速封闭成环来控制围岩变形。在支护技术方面，变形控制理念主要分为两种：刚性控制理念、柔性控制理念。
（1）刚性控制理念
刚性控制理念主要是通过提高支护结构的刚性，以控制围岩的变形速率和最终变形量，采用“强制硬顶”、“以刚克刚”的方法，以强大的抗变形能力提高隧道稳定性。常用措施包括大刚度支护结构、大范围围岩加固法、提早施作二次衬砌等。 大刚度支护结构：通过给支护结构提供足够的刚性来抵抗围岩变形，大刚度支护结构往往设计的更加厚重，常用的措施主要有：大型钢拱架[46]、掌子面长锚杆[47] 、超前大管棚[48]等。
大范围围岩加固法[49]：通过应用如注浆、锚杆、预应力锚索等手段，在隧道周边大范围区域内提升围岩的强度和刚度，加强围岩本身的力学性能，从而减少隧道的变形。
提早施作二次衬砌[50]：根据新奥法的设计理念，二次衬砌通常在初期支护完成一段时间后施作，作为结构的安全储备。在初期支护无法有效控制变形时，可以提前施作二次衬砌加固结构。
综上所述，刚性设计理念强调通过构建坚固的支护结构来控制围岩变形。然而，在众多工程实践中证明，刚性支护能在一定时间段内控制围岩变形。但在软弱围岩段落较长时，伴随着掌子面推进，围岩压力可能会增加到刚性支护结构无法承受的程度，造成很大的安全隐患。因此，单独使用刚性支护结构时存在一定的局限性，更适合发生大变形段落较短的隧道。
3 考虑时空效应的软岩大变形隧道双层初期支护施作时机分析 ...... 12
3.1 开挖面的空间约束 ............................. 12
3.1.1 开挖面空间约束效应作用机理 ....................... 12
3.1.2 空间约束效应的力学分析 .......................... 14
4 谢家坡隧道双层初期支护施作时机理论分析 ...................... 30
4.1 工程概况 ........................ 30
4.2 大变形段现场监测与分析 ........................... 31
4.3 谢家坡隧道围岩参数反分析 ............................. 34
5 谢家坡隧道双层初期支护施作时机数值模拟分析 .......................... 42
5.1 数值分析软件选取 ............................. 42
5.2 西原本构模型的二次开发 ............... 42
5.3 谢家坡隧道大变形段模型的建立 ............ 44
5谢家坡隧道双层初期支护施作时机数值模拟分析
5.1数值分析软件选取
FLAC3D广泛应用于岩土工程、矿业工程、地质灾害分析以及土木工程等领域。在隧道工程特有的需求，如处理复杂的岩土行为、大变形问题及不连续结构分析等方面展现出其独特的优势。相较于ABAQUS和ANSYS，FLAC3D在岩土工程特有需求的解决方案上更为突出。其内置了丰富的岩土材料本构模型，能够精准模拟岩土体的非线性行为。因此，在解决蠕变问题、地下工程耦合问题中成功脱颖而出，得到了众多学者的认可和应用。本文在数值模拟应用中，需要考虑开挖面的空间约束效应以及岩体流变的时间效应，基于FLAC3D在岩土材料模型方面的明显优势，故选用FLAC3D软件来完成分析。
6结论与展望
6.1结论
本文采用理论计算、现场监控量测以及数值模拟相结合的方法，探究了双层初期支护技术中第二层初期支护施作时机的关键技术问题，并依托安岚高速谢家坡隧道开展了现场试验，验证了实际应用效果， 得到以下结论：
（1）软岩大变形的定义和分级可归纳为基于大变形结果的评价指标和基于大变形成因的评价指标。在工程中需要综合考虑软弱围岩的具体工程地质条件、受力机理和变形过程等因素，采用定性与定量相结合的方法分析其成因及大变形级别；软岩大变形隧道变形控制技术主要有刚性结构设计理念、柔性结构设计理念，但均存在一定的局限性。而采用“刚柔结合”的双层初期支护技术，第一层初期支护适应和调整围岩应力释放，并允许一定程度的变形，第二层初期支护进行刚度补强，避免隧道产生有害变形，能更好的控制围岩变形，确保结构安全。
（2）基于前人对开挖面空间约束效应及岩体流变的时间效应的研究成果上，通过随时间变化的虚拟支护力来考虑开挖面约束的空间效应，采用西原模型考虑岩
