摘要：進(jìn)行雙線高速鐵路隧道全斷面機(jī)械化開挖時對圍巖穩(wěn)定性評價的要求較高，雖然大面積開挖對隧道受力特性及穩(wěn)定性具有一定影響，但由于隧道采用全斷面機(jī)械化施工，初期支護(hù)的施作能夠及時封閉成環(huán)，圍巖仍具有一定自穩(wěn)能力。而既有大斷面隧道在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計時未充分考慮圍巖自穩(wěn)能力，因此需要就高鐵隧道全斷面機(jī)械化下圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)優(yōu)化就行研究。首先，以黃(岡)黃(梅)高速鐵路劉元隧道為依托工程，通過巖石常規(guī)三軸試驗獲得準(zhǔn)確可信的數(shù)值計算參數(shù);其次，采用強(qiáng)度折減法，數(shù)值求解依托工程工況下的安全系數(shù)，以安全系數(shù)作為評價指標(biāo)，評價依托工程工況下的圍巖穩(wěn)定性;然后，以拱頂沉降位移及邊墻收斂位移作為評價圍巖穩(wěn)定性的定量指標(biāo)，對依托工程進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究，得到適用于依托工程的合理初期支護(hù)參數(shù);最后，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對采用優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)段隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行驗證。結(jié)果表明：雙向高速鐵路隧道全斷面機(jī)械化開挖時具有良好的自穩(wěn)能力，且在強(qiáng)度折減法分析中，拱頂沉降及邊墻收斂對折減系數(shù)變化敏感;可將拱頂沉降及邊墻收斂作為評價指標(biāo)，得到適用于依托工程的優(yōu)化支護(hù)參數(shù);現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了采用優(yōu)化后參數(shù)段隧道的圍巖穩(wěn)定性和優(yōu)化參數(shù)的合理性。

　　關(guān)鍵詞：鐵路隧道;強(qiáng)度折減法;圍巖穩(wěn)定性;支護(hù)優(yōu)化;現(xiàn)場監(jiān)測;全斷面機(jī)械作業(yè)

　　引言

　　高鐵隧道全斷面機(jī)械化作業(yè)具有開挖斷面大、工程風(fēng)險高、技術(shù)難度大、建設(shè)工期緊等特點(diǎn)。一方面，隧道大面積開挖會對圍巖的變形和失穩(wěn)造成一定影響，情況嚴(yán)重時將會增大隧道施工風(fēng)險、危及人身安全;另一方面由于隧道采用全斷面機(jī)械化施工，初期支護(hù)的施作又能夠及時封閉成環(huán)，有利于圍巖穩(wěn)定性。且隧道全斷面機(jī)械化施工明顯地改變了傳統(tǒng)以人工開挖、半機(jī)械化作業(yè)經(jīng)驗所形成的設(shè)計施工規(guī)范及相應(yīng)的圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致原有規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的適用性降低，相關(guān)研究和工程案例可提供的施工經(jīng)驗也較少。

　　目前，已有眾多學(xué)者對大斷面隧道的支護(hù)形式開展了大量研究。Kang等[1]以大斷面鐵路隧道為背景，采用DEA算法對初支厚度、錨桿長度及間距進(jìn)行優(yōu)化分析，得出在隧道埋深增加過程中，應(yīng)相應(yīng)增厚初支的厚度，以保證隧道圍巖的穩(wěn)定性。Zhao等[2]提出了一種基于LSSVM/ABC的錨桿加固隧道的可靠性優(yōu)化方法，對錨桿長度、數(shù)目及間距進(jìn)行優(yōu)化分析，研究表明該方法精度高、可靠性強(qiáng)、優(yōu)化效率高。Kim等[3]針對大斷面隧道支護(hù)措施進(jìn)行研究，通過改進(jìn)鋼架連接及結(jié)構(gòu)形式，改善了傳統(tǒng)格柵拱架的承載能力。

　　Rodríguez等[4]基于支護(hù)特性曲線及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)性，推導(dǎo)得出大斷面隧道初支鋼架受力形式及初支噴混的應(yīng)力形式，研究結(jié)果對支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。Choi等[5]針對軟巖大斷面隧道工程，利用現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值計算方法，研究了能確保圍巖穩(wěn)定性的最佳支護(hù)施作時機(jī)。張全全[6]以淺埋大斷面隧道工程為背景，采用數(shù)值分析、理論計算等方法，研究大斷面隧道圍巖變形特征及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，研究結(jié)論對控制大斷面隧道圍巖穩(wěn)定提供依據(jù)。

　　劉大剛等[7]基于極限平衡法得出不同支護(hù)措施下掌子面穩(wěn)定系數(shù)公式，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析，建立大斷面機(jī)械化施工隧道支護(hù)模型，并將研究成果成功應(yīng)用到鄭萬高鐵隧道工程。牛澤林等[8]以大斷面板巖隧道為背景，研究不同工法對圍巖穩(wěn)定性的影響，表明兩臺階法施工較CD法對圍巖穩(wěn)定性的影響小，并針對性的提出支護(hù)措施，保證了隧道施工中的安全。葉萬軍[9]等針對大斷面黃土隧道開展支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，通過數(shù)值計算及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析支護(hù)的受力特征，研究指出支護(hù)結(jié)構(gòu)較為薄弱部位，提出相應(yīng)加固措施。

　　李術(shù)才等[10]針對超大斷面軟巖隧道圍巖穩(wěn)定問題開展研究，通過模型試驗真實(shí)再現(xiàn)大斷面隧道開挖過程，在分析開挖過程中圍巖變形及受力規(guī)律后，提出軟巖隧道大斷面開挖造成的圍巖擾動范圍為三倍洞徑，盡早施作支護(hù)可改善圍巖的穩(wěn)定。綜上，雖然目前就大斷面隧道的受力形態(tài)和支護(hù)形式進(jìn)行了一定的研究，但既有研究未充分考慮圍巖的自穩(wěn)能力和大斷面隧道機(jī)械化作業(yè)時支護(hù)施作及時成環(huán)對圍巖穩(wěn)定性的有利之處。綜上，本文以黃(岡)黃(梅)高速鐵路劉元隧道作為依托工程，運(yùn)用強(qiáng)度折減法計算安全系數(shù)，定量分析圍巖穩(wěn)定性，對初期支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對初期支護(hù)優(yōu)化設(shè)計效果進(jìn)行驗證。

　　1工程概況

　　本文以黃(岡)黃(梅)高速鐵路劉元隧道作為依托工程。劉元隧道隧址區(qū)位于武穴市大金鎮(zhèn)境內(nèi)，為單洞雙線隧道，采用全斷面機(jī)械化作業(yè)施工。隧道全長605m。隧道進(jìn)出口里程分別為：DK90+660、DK91+265;所處地區(qū)為丘陵地貌，隧道最大埋深89m，隧道區(qū)主要巖性為石英片巖，全~弱風(fēng)化，單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值為39.79MPa，地表水無腐蝕性、弱發(fā)育。劉元隧道典型里程段(DK90+60~DK90+80)為IV級圍巖，埋深30m，隧道跨度14.7m。原設(shè)計依據(jù)圍巖分級及工程類比法[11]。

　　2圍巖力學(xué)特性實(shí)驗

　　本文利用巖石常規(guī)三軸試驗測定依托工程圍巖力學(xué)參數(shù)，以獲得準(zhǔn)確、可信的依托工程圍巖力學(xué)參數(shù)，用于后續(xù)數(shù)值計算研究。

　　2.1試樣參數(shù)

　　本次巖石常規(guī)三軸試驗所用標(biāo)準(zhǔn)試件均取自黃黃鐵路HHZQ3標(biāo)劉元隧道DK90+060080里程現(xiàn)場掌子面，取樣方法為現(xiàn)場鉆芯，隨后用現(xiàn)場實(shí)驗室切石機(jī)進(jìn)行加工。試樣為天然狀態(tài)下石英片巖，直徑50mm，高100mm。

　　2.2試驗結(jié)果分析

　　2.2.1巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算

　　2.2.2巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

　　依據(jù)巖石常規(guī)三軸試驗獲得石英片巖達(dá)到峰值應(yīng)力之后的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)�過程曲線可知[1214]：此次試樣曲線并沒有表現(xiàn)出明顯的壓密階段，隨著圍壓的增大，巖石試樣峰值強(qiáng)度逐漸增大，超過峰值強(qiáng)度后，此時巖石試樣內(nèi)部裂隙繼續(xù)發(fā)展，最后可以觀察到峰值強(qiáng)度后的殘余應(yīng)變和殘余強(qiáng)度曲線。

　　2.2.3圍巖物理力學(xué)參數(shù)的確定

　　利用HoekBrown強(qiáng)度準(zhǔn)則，可將上述由常規(guī)三軸試驗得到的巖石物理力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場巖體的物理力學(xué)參數(shù)。

　　3基于強(qiáng)度折減法的隧道穩(wěn)定性分析

　　鄭穎人、胡文清、張黎明等人[1821]利用強(qiáng)度折減法，將安全系數(shù)的概念引入巖質(zhì)隧道的穩(wěn)定性分析。安全系數(shù)具有一定的力學(xué)意義，可以作為隧道穩(wěn)定性評價的定量指標(biāo)。因此本文利用強(qiáng)度折減法，求出毛洞隧道圍巖的安全系數(shù)，以此定量評價圍巖的穩(wěn)定性。

　　3.1強(qiáng)度折減法原理及失穩(wěn)判據(jù)

　　強(qiáng)度折減法是通過不斷的折減圍巖的內(nèi)摩擦角及黏聚力，在此過程中分析特征點(diǎn)變化規(guī)律，直到所分析的指標(biāo)表明圍巖達(dá)到失穩(wěn)極限狀態(tài)。

　　使用強(qiáng)度折減法計算隧道工程的安全系數(shù)時，關(guān)鍵在于選用合理失穩(wěn)判據(jù)確定隧道圍巖處于臨界極限平衡狀態(tài)，現(xiàn)有的判據(jù)有以下幾種：(1)塑性區(qū)貫通。一般來說，塑性區(qū)貫通是隧道失穩(wěn)的必要不充分條件。若單單只以塑性區(qū)是否貫通作為判據(jù)會導(dǎo)致求得圍巖的安全系數(shù)F偏小。(2)計算不收斂。以此為判據(jù)需人為設(shè)定計算精度及步數(shù)等，具有一定的主觀性，計算結(jié)果也未必準(zhǔn)確。同時計算模型網(wǎng)格、計算軟件對計算的收斂性也具有一定影響。(3)特征點(diǎn)位移突變。在強(qiáng)度折減計算過程中，圍巖及結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)位移會隨著折減系數(shù)Fs而變化，當(dāng)在某一Fs下位移發(fā)生突變，即可認(rèn)為該Fs為安全系數(shù)F。

　　隨著折減進(jìn)行，當(dāng)圍巖強(qiáng)度降低到某一臨界值時，隧道會產(chǎn)生破壞。現(xiàn)場施工過程中，施工人員常利用隧道特征點(diǎn)(拱頂、洞周、仰拱)監(jiān)測數(shù)據(jù)以此判斷是否穩(wěn)定。因此，以此作為隧道圍巖失穩(wěn)的判據(jù)是可行的。綜上，以特征點(diǎn)位移突變作為隧道圍巖失穩(wěn)的主要判據(jù)最為直觀且最易判斷[22]，因此本文選擇特征點(diǎn)(拱頂、拱腰、拱肩、仰拱等部位)位移是否發(fā)生突變?yōu)樗淼绹鷰r失穩(wěn)的主要判據(jù)。

　　4初期支護(hù)優(yōu)化研究

　　根據(jù)第3節(jié)中無支護(hù)狀態(tài)下隧道各測點(diǎn)位移隨折減系數(shù)的變化特點(diǎn)，由于拱頂豎向位移以及邊墻水平位移對折減系數(shù)的變化較為敏感，本文以隧道拱頂沉降位移以及邊墻收斂位移作為評價不同初期支護(hù)工況下圍巖穩(wěn)定性的指標(biāo)，作為初期支護(hù)優(yōu)化研究的依據(jù)，從初期支護(hù)中涉及的初期支護(hù)厚度、鋼架縱向間距及錨桿長度三方面進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化研究。數(shù)值計算時采用計算的模型尺寸，采用實(shí)體單元模擬初支，采用Beam單元模擬鋼拱架，采用Cable單元模擬錨桿，并施加80kPa的預(yù)應(yīng)力;開挖過程選用全斷面開挖。

　　考慮到雙線高鐵隧道全斷面機(jī)械化施工中開挖與支護(hù)施作存在間隔時間，支護(hù)施作難免存在滯后的情況，本文在數(shù)值模擬中將初期支護(hù)的施作落后開挖一個循環(huán)(一次開挖進(jìn)尺4m);文獻(xiàn)[25]中研究了噴射混凝土彈性模量隨時間發(fā)展規(guī)律，結(jié)果表明：在噴射混凝土施作后2小時內(nèi)，噴射混凝土彈性模量僅為2.043GPa，在24小時內(nèi)噴射混凝土彈性模量迅速增長，并在28天內(nèi)發(fā)展達(dá)到終值23GPa。因此，本文通過模擬噴射混凝土彈性模量的發(fā)展，考慮初支強(qiáng)度發(fā)展。在數(shù)值模擬中噴射混凝土剛剛施作時，認(rèn)為其彈性模量僅發(fā)揮10%，至下一循環(huán)恢復(fù)100%。

　　5基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的圍巖穩(wěn)定性分析

　　如前文所述，拱頂沉降位移及邊墻收斂位移對折減系數(shù)變化敏感，因此本文以拱頂沉降位移及邊墻收斂位移作為評價圍巖穩(wěn)定性的定量指標(biāo)。為了現(xiàn)場驗證優(yōu)化方案的安全性和可行性，本節(jié)通過對采用由第4節(jié)中確定的優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的依托工程DK90+060~DK90+080里程段進(jìn)行拱頂沉降、水平收斂現(xiàn)場監(jiān)測，進(jìn)而評價采取支護(hù)優(yōu)化方案后的隧道圍巖穩(wěn)定性。

　　DK90+060里程段現(xiàn)場監(jiān)測拱頂沉降穩(wěn)定后最終值為4.92mm，數(shù)值模擬值為2.65mm，相差2.27mm;水平收斂穩(wěn)定后最終值為0.73mm，數(shù)值模擬值為0.33mm，相差0.40mm。整體上來看，實(shí)測數(shù)據(jù)相比數(shù)值計算結(jié)果具有一定偏差，造成這一結(jié)果的原因可能有以下幾點(diǎn)：

　　(1)數(shù)值計算時并未考慮地下水、節(jié)理裂隙等對最終計算結(jié)果的影響;(2)實(shí)際工程中采用光面爆破開挖，模擬時暫沒有考慮該因素的影響;(3)模擬時支護(hù)得以及時的進(jìn)行施作，在實(shí)際施工中，由于種種原因，支護(hù)的施作或多或少有一定的滯后性。盡管現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)較數(shù)值計算結(jié)果具有一定偏差，但現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果均處于正常安全結(jié)果以內(nèi)，因此現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果仍能夠證明支護(hù)優(yōu)化參數(shù)的安全性和合理性。

　　6結(jié)論與討論

　　(1)本工程中的石英片巖在試驗過程中未表現(xiàn)出明顯的壓密階段，隨著圍壓的增大，巖石試樣峰值強(qiáng)度逐漸增大。結(jié)合HoekBrown強(qiáng)度準(zhǔn)則以及MohrCoulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則對三軸試驗結(jié)果進(jìn)行修正，得到現(xiàn)場巖體的物理力學(xué)參數(shù)。

　　(2)以位移突變?yōu)榕袚?jù)，采用強(qiáng)度折減法，就高鐵隧道全斷面機(jī)械化作業(yè)條件下無支護(hù)狀態(tài)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計算得出無支護(hù)狀態(tài)隧道圍巖的安全系數(shù)為2.02，具有良好的自穩(wěn)能力。在強(qiáng)度折減法分析中，拱頂沉降及邊墻收斂對折減系數(shù)變化敏感，應(yīng)在監(jiān)測過程中加強(qiáng)對拱頂沉降及邊墻收斂的監(jiān)測，以保證隧道圍巖穩(wěn)定性。

　　(3)將拱頂沉降及邊墻收斂作為評價圍巖穩(wěn)定性的定量指標(biāo)，對全斷面機(jī)械作業(yè)雙線高鐵隧道進(jìn)行初期支護(hù)優(yōu)化研究，得到適用于劉元隧道的合理初期支護(hù)參數(shù)：初支噴射C30混凝土20cm，選用I18鋼拱架縱向間距2.0m，錨桿長4.5m，環(huán)向間距1.0m，縱向間距2.0m。可為同類工程的設(shè)計施工提供參考和依據(jù)。

　　(4)通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，隧道拱頂沉降最終值為4.92mm，自監(jiān)測之日起，27d后拱頂沉降速率小于0.15mm/d，隧道拱頂沉降達(dá)到穩(wěn)定;水平收斂最終值為0.73mm，自監(jiān)測之日起，27d后收斂速率趨于穩(wěn)定并小于0.2mm/d，水平收斂達(dá)到穩(wěn)定。表明圍巖變形得到有效控制，驗證優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)的安全性和合理性，工程效益顯著。

　　(5)本文在基于圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行初期支護(hù)優(yōu)化研究時僅從初期支護(hù)中涉及的初期支護(hù)厚度、鋼架縱向間距及錨桿長度三方面進(jìn)行了初期支護(hù)優(yōu)化研究，針對初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方面的研究不夠深入。后續(xù)可進(jìn)行進(jìn)一步的研究，如考慮隧道埋深及開挖進(jìn)尺對圍巖穩(wěn)定性的影響，對初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行更深入的研究。

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　　作者：劉雨萌1，張俊儒1，*，何冠男2，燕波1，王智勇1