基于强度折减法的高铁隧道全断面机械化作业围岩稳定性分析及支护优化研究

　　摘要：进行双线高速铁路隧道全断面机械化开挖时对围岩稳定性评价的要求较高，虽然大面积开挖对隧道受力特性及稳定性具有一定影响，但由于隧道采用全断面机械化施工，初期支护的施作能够及时封闭成环，围岩仍具有一定自稳能力。而既有大断面隧道在进行支护设计时未充分考虑围岩自稳能力，因此需要就高铁隧道全断面机械化下围岩稳定性及支护优化就行研究。首先，以黄(冈)黄(梅)高速铁路刘元隧道为依托工程，通过岩石常规三轴试验获得准确可信的数值计算参数;其次，采用强度折减法，数值求解依托工程工况下的安全系数，以安全系数作为评价指标，评价依托工程工况下的围岩稳定性;然后，以拱顶沉降位移及边墙收敛位移作为评价围岩稳定性的定量指标，对依托工程进行支护参数优化研究，得到适用于依托工程的合理初期支护参数;最后，通过现场监测数据对采用优化后支护参数段隧道围岩稳定性进行验证。结果表明：双向高速铁路隧道全断面机械化开挖时具有良好的自稳能力，且在强度折减法分析中，拱顶沉降及边墙收敛对折减系数变化敏感;可将拱顶沉降及边墙收敛作为评价指标，得到适用于依托工程的优化支护参数;现场监测数据验证了采用优化后参数段隧道的围岩稳定性和优化参数的合理性。

　　关键词：铁路隧道;强度折减法;围岩稳定性;支护优化;现场监测;全断面机械作业

　　引言

　　高铁隧道全断面机械化作业具有开挖断面大、工程风险高、技术难度大、建设工期紧等特点。一方面，隧道大面积开挖会对围岩的变形和失稳造成一定影响，情况严重时将会增大隧道施工风险、危及人身安全;另一方面由于隧道采用全断面机械化施工，初期支护的施作又能够及时封闭成环，有利于围岩稳定性。且隧道全断面机械化施工明显地改变了传统以人工开挖、半机械化作业经验所形成的设计施工规范及相应的围岩分级标准，导致原有规范及标准的适用性降低，相关研究和工程案例可提供的施工经验也较少。

　　目前，已有众多学者对大断面隧道的支护形式开展了大量研究。Kang等[1]以大断面铁路隧道为背景，采用DEA算法对初支厚度、锚杆长度及间距进行优化分析，得出在隧道埋深增加过程中，应相应增厚初支的厚度，以保证隧道围岩的稳定性。Zhao等[2]提出了一种基于LSSVM/ABC的锚杆加固隧道的可靠性优化方法，对锚杆长度、数目及间距进行优化分析，研究表明该方法精度高、可靠性强、优化效率高。Kim等[3]针对大断面隧道支护措施进行研究，通过改进钢架连接及结构形式，改善了传统格栅拱架的承载能力。

　　Rodríguez等[4]基于支护特性曲线及支护结构的变形协调性，推导得出大断面隧道初支钢架受力形式及初支喷混的应力形式，研究结果对支护结构的优化提供一定的理论依据。Choi等[5]针对软岩大断面隧道工程，利用现场监测及数值计算方法，研究了能确保围岩稳定性的最佳支护施作时机。张全全[6]以浅埋大断面隧道工程为背景，采用数值分析、理论计算等方法，研究大断面隧道围岩变形特征及支护参数优化，研究结论对控制大断面隧道围岩稳定提供依据。

　　刘大刚等[7]基于极限平衡法得出不同支护措施下掌子面稳定系数公式，并结合现场实测数据分析，建立大断面机械化施工隧道支护模型，并将研究成果成功应用到郑万高铁隧道工程。牛泽林等[8]以大断面板岩隧道为背景，研究不同工法对围岩稳定性的影响，表明两台阶法施工较CD法对围岩稳定性的影响小，并针对性的提出支护措施，保证了隧道施工中的安全。叶万军[9]等针对大断面黄土隧道开展支护结构优化研究，通过数值计算及监测数据分析支护的受力特征，研究指出支护结构较为薄弱部位，提出相应加固措施。

　　李术才等[10]针对超大断面软岩隧道围岩稳定问题开展研究，通过模型试验真实再现大断面隧道开挖过程，在分析开挖过程中围岩变形及受力规律后，提出软岩隧道大断面开挖造成的围岩扰动范围为三倍洞径，尽早施作支护可改善围岩的稳定。综上，虽然目前就大断面隧道的受力形态和支护形式进行了一定的研究，但既有研究未充分考虑围岩的自稳能力和大断面隧道机械化作业时支护施作及时成环对围岩稳定性的有利之处。综上，本文以黄(冈)黄(梅)高速铁路刘元隧道作为依托工程，运用强度折减法计算安全系数，定量分析围岩稳定性，对初期支护进行优化设计，并结合现场监测数据，对初期支护优化设计效果进行验证。

　　1工程概况

　　本文以黄(冈)黄(梅)高速铁路刘元隧道作为依托工程。刘元隧道隧址区位于武穴市大金镇境内，为单洞双线隧道，采用全断面机械化作业施工。隧道全长605m。隧道进出口里程分别为：DK90+660、DK91+265;所处地区为丘陵地貌，隧道最大埋深89m，隧道区主要岩性为石英片岩，全~弱风化，单轴饱和抗压强度平均值为39.79MPa，地表水无腐蚀性、弱发育。刘元隧道典型里程段(DK90+60~DK90+80)为IV级围岩，埋深30m，隧道跨度14.7m。原设计依据围岩分级及工程类比法[11]。

　　2围岩力学特性实验

　　本文利用岩石常规三轴试验测定依托工程围岩力学参数，以获得准确、可信的依托工程围岩力学参数，用于后续数值计算研究。

　　2.1试样参数

　　本次岩石常规三轴试验所用标准试件均取自黄黄铁路HHZQ3标刘元隧道DK90+060080里程现场掌子面，取样方法为现场钻芯，随后用现场实验室切石机进行加工。试样为天然状态下石英片岩，直径50mm，高100mm。

　　2.2试验结果分析

　　2.2.1岩石抗剪强度指标计算

　　2.2.2岩石应力应变关系

　　依据岩石常规三轴试验获得石英片岩达到峰值应力之后的应力—应变全过程曲线可知[1214]：此次试样曲线并没有表现出明显的压密阶段，随着围压的增大，岩石试样峰值强度逐渐增大，超过峰值强度后，此时岩石试样内部裂隙继续发展，最后可以观察到峰值强度后的残余应变和残余强度曲线。

　　2.2.3围岩物理力学参数的确定

　　利用HoekBrown强度准则，可将上述由常规三轴试验得到的岩石物理力学参数转化为现场岩体的物理力学参数。

　　3基于强度折减法的隧道稳定性分析

　　郑颖人、胡文清、张黎明等人[1821]利用强度折减法，将安全系数的概念引入岩质隧道的稳定性分析。安全系数具有一定的力学意义，可以作为隧道稳定性评价的定量指标。因此本文利用强度折减法，求出毛洞隧道围岩的安全系数，以此定量评价围岩的稳定性。

　　3.1强度折减法原理及失稳判据

　　强度折减法是通过不断的折减围岩的内摩擦角及黏聚力，在此过程中分析特征点变化规律，直到所分析的指标表明围岩达到失稳极限状态。

　　使用强度折减法计算隧道工程的安全系数时，关键在于选用合理失稳判据确定隧道围岩处于临界极限平衡状态，现有的判据有以下几种：(1)塑性区贯通。一般来说，塑性区贯通是隧道失稳的必要不充分条件。若单单只以塑性区是否贯通作为判据会导致求得围岩的安全系数F偏小。(2)计算不收敛。以此为判据需人为设定计算精度及步数等，具有一定的主观性，计算结果也未必准确。同时计算模型网格、计算软件对计算的收敛性也具有一定影响。(3)特征点位移突变。在强度折减计算过程中，围岩及结构特征点位移会随着折减系数Fs而变化，当在某一Fs下位移发生突变，即可认为该Fs为安全系数F。

　　随着折减进行，当围岩强度降低到某一临界值时，隧道会产生破坏。现场施工过程中，施工人员常利用隧道特征点(拱顶、洞周、仰拱)监测数据以此判断是否稳定。因此，以此作为隧道围岩失稳的判据是可行的。综上，以特征点位移突变作为隧道围岩失稳的主要判据最为直观且最易判断[22]，因此本文选择特征点(拱顶、拱腰、拱肩、仰拱等部位)位移是否发生突变为隧道围岩失稳的主要判据。

　　4初期支护优化研究

　　根据第3节中无支护状态下隧道各测点位移随折减系数的变化特点，由于拱顶竖向位移以及边墙水平位移对折减系数的变化较为敏感，本文以隧道拱顶沉降位移以及边墙收敛位移作为评价不同初期支护工况下围岩稳定性的指标，作为初期支护优化研究的依据，从初期支护中涉及的初期支护厚度、钢架纵向间距及锚杆长度三方面进行数值模拟优化研究。数值计算时采用计算的模型尺寸，采用实体单元模拟初支，采用Beam单元模拟钢拱架，采用Cable单元模拟锚杆，并施加80kPa的预应力;开挖过程选用全断面开挖。

　　考虑到双线高铁隧道全断面机械化施工中开挖与支护施作存在间隔时间，支护施作难免存在滞后的情况，本文在数值模拟中将初期支护的施作落后开挖一个循环(一次开挖进尺4m);文献[25]中研究了喷射混凝土弹性模量随时间发展规律，结果表明：在喷射混凝土施作后2小时内，喷射混凝土弹性模量仅为2.043GPa，在24小时内喷射混凝土弹性模量迅速增长，并在28天内发展达到终值23GPa。因此，本文通过模拟喷射混凝土弹性模量的发展，考虑初支强度发展。在数值模拟中喷射混凝土刚刚施作时，认为其弹性模量仅发挥10%，至下一循环恢复100%。

　　5基于现场监测数据的围岩稳定性分析

　　如前文所述，拱顶沉降位移及边墙收敛位移对折减系数变化敏感，因此本文以拱顶沉降位移及边墙收敛位移作为评价围岩稳定性的定量指标。为了现场验证优化方案的安全性和可行性，本节通过对采用由第4节中确定的优化支护参数的依托工程DK90+060~DK90+080里程段进行拱顶沉降、水平收敛现场监测，进而评价采取支护优化方案后的隧道围岩稳定性。

　　DK90+060里程段现场监测拱顶沉降稳定后最终值为4.92mm，数值模拟值为2.65mm，相差2.27mm;水平收敛稳定后最终值为0.73mm，数值模拟值为0.33mm，相差0.40mm。整体上来看，实测数据相比数值计算结果具有一定偏差，造成这一结果的原因可能有以下几点：

　　(1)数值计算时并未考虑地下水、节理裂隙等对最终计算结果的影响;(2)实际工程中采用光面爆破开挖，模拟时暂没有考虑该因素的影响;(3)模拟时支护得以及时的进行施作，在实际施工中，由于种种原因，支护的施作或多或少有一定的滞后性。尽管现场监测数据较数值计算结果具有一定偏差，但现场监测结果均处于正常安全结果以内，因此现场监测结果仍能够证明支护优化参数的安全性和合理性。

　　6结论与讨论

　　(1)本工程中的石英片岩在试验过程中未表现出明显的压密阶段，随着围压的增大，岩石试样峰值强度逐渐增大。结合HoekBrown强度准则以及MohrCoulomb强度准则对三轴试验结果进行修正，得到现场岩体的物理力学参数。

　　(2)以位移突变为判据，采用强度折减法，就高铁隧道全断面机械化作业条件下无支护状态隧道围岩稳定性进行分析，计算得出无支护状态隧道围岩的安全系数为2.02，具有良好的自稳能力。在强度折减法分析中，拱顶沉降及边墙收敛对折减系数变化敏感，应在监测过程中加强对拱顶沉降及边墙收敛的监测，以保证隧道围岩稳定性。

　　(3)将拱顶沉降及边墙收敛作为评价围岩稳定性的定量指标，对全断面机械作业双线高铁隧道进行初期支护优化研究，得到适用于刘元隧道的合理初期支护参数：初支喷射C30混凝土20cm，选用I18钢拱架纵向间距2.0m，锚杆长4.5m，环向间距1.0m，纵向间距2.0m。可为同类工程的设计施工提供参考和依据。

　　(4)通过现场监测数据的分析，隧道拱顶沉降最终值为4.92mm，自监测之日起，27d后拱顶沉降速率小于0.15mm/d，隧道拱顶沉降达到稳定;水平收敛最终值为0.73mm，自监测之日起，27d后收敛速率趋于稳定并小于0.2mm/d，水平收敛达到稳定。表明围岩变形得到有效控制，验证优化后支护参数的安全性和合理性，工程效益显著。

　　(5)本文在基于围岩稳定性进行初期支护优化研究时仅从初期支护中涉及的初期支护厚度、钢架纵向间距及锚杆长度三方面进行了初期支护优化研究，针对初期支护参数优化方面的研究不够深入。后续可进行进一步的研究，如考虑隧道埋深及开挖进尺对围岩稳定性的影响，对初期支护参数优化进行更深入的研究。

　　参考文献(References)：

　　[1]KangKN,AnJS,KimBC,etal.OptimizationoftunnelsupportpatternsusingDEA[J].JournalofKoreanTunnellingandUndergroundSpaceAssociation,2018,20(1):211.

　　[2]ZhaoH,RuZ,ZhuC.Reliabilitybasedsupportoptimizationofrocboltreinforcementaroundtunnelsinrockmasses[J]..PeriodicaPolytechnicaCivilEngineering,2018,62(1):250.

　　[3]KimHJ,BaeGJ,KimDG.Evaluationoftheperformanceforthereformedlatticegirders[J].JournalofKoreanTunnellingandUndergroundSpaceAssociation,2013,15(3):201.

　　[4]RodríguezR,DíazAguadoMB.Deductionanduseofananalyticalexpressionforthecharacteristiccurveofasupportbasedonyieldingsteelribs[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2013,33:159.

　　作者：刘雨萌1，张俊儒1，*，何冠男2，燕波1，王智勇1