地鐵區間隧道的地質條件評估及初期支護設計

王士剛

（中鐵二十三局集團第八工程有限公司，四川成都 610091）

地鐵區間隧道的地質條件評估及初期支護設計

王士剛

（中鐵二十三局集團第八工程有限公司，四川成都 610091）

基于所建項目的圍巖特征條件，運用有限元手段對開挖各階段的力學、位移特征做了詳盡分析，指出了針對該項目的合理支護方式，旨在為類似項目的開挖、支護提供借鑒。

地鐵區間，圍巖力學特性，支護方式，有限元

1 基本概要

本文主要論述某地鐵項目的3.5 km區間隧道的工程地質勘察以及初期支護的選擇，此區間隧道的埋深為12 m～30 m，筆者有幸參與了其中的一部分工作。

在該工程的初步設計階段，根據圍巖的詳細地勘資料，給出圍巖的分級類別是選擇相應支護條件的必要工作。Hoek等人在1995年就提出了幾種圍巖分級體系以便于建立巖體的巖性特征表，隧道的所需支護系統由RMR值、Q值、GSI值以及新奧法的基本理論決定。然而，僅由圍巖的分級體系并不足以計算出圍巖的應力重分布、支護反力、圍巖變形，因此，除了經驗工程類比法外，還應引入數值模擬計算的方法。

2 地質概況

本地鐵區間的主要地層為:第四紀沖積層、安卡拉粘土層、中新世火山沉積層。

1）第四紀沖積層主要由粉質粘土層、亞粘土層、粘質砂礫透鏡體以及這些組分的混合層構成。

2）安卡拉粘土層是上新世的沉積層，顏色為褐紅色，主要由夾礫石的粉砂質粘土層構成，該土層含有膨脹性晶格粘粒礦物的蒙脫石。

3）中新世火山沉積層主要包含安山巖、英安巖、凝灰巖、火成巖:a.安山巖為粉紅色，主要包含斜長石、黑云母、角閃石;b.英安石為灰白色，主要包含鉀長石、晶石、黑云母;c.奶白色的凝灰巖主要包含的礦物與英安巖一樣，并且孔隙率大，巖塊表面有較柔和的剖痕;d.火成巖主要由安山巖、英安巖碎塊組成，直徑從幾毫米至一米不等，基巖主要由凝灰巖構成，因風化程度不同而有不同的顏色，如白色、灰色、紅色。

3 工程地質條件

地勘結果顯示將近50%的隧道里程將穿越灰色、酒紅色、紅棕色的中風化、微風化的安山巖。安山巖的極限抗壓強度（UCS）從6 MPa變化到80 MPa，普遍大于25 MPa（見表1）。節理面較粗糙，節理面之間有粘土、方解石等的充填物。圍巖的RQD值為11%～85%。

隧道區間約15%的總里程段將穿越灰白色、奶白色—淺褐色—粉紅色的中風化、微風化的英安巖。從表1可以看出，英安巖的強度從22 MPa變化到100 MPa，并普遍大于80 MPa。節理空隙為1 mm～2 mm，并有方解石充填物，RQD從53%變化到59%。

隧道總里程的19%區段將穿越綠灰色的火成巖，其強度為9 MPa～75 MPa。火成巖層以及凝灰巖透鏡體包含直徑100 mm的火山巖碎塊。碎塊之間有粘土充填，RQD為55%～97%。

室內實驗（ISRM1981）得到了四種火山巖的基本物理力學參數:單位體積重量、孔隙率、單軸抗壓強度、抗拉強度等等。此外，巖體的變形實驗可以得出巖體的變形模量以及泊松比，詳見表1。

表1 鉆孔布置、埋深以及圍巖單元的物理力學參數

4 數值模擬

為了驗證初步設計給出的支護系統和開挖方法，使用有限元軟件PHASE2進行數值模擬。由于采用平面應變問題的分析模式，所以，在初始地應力狀態下，圍巖的兩個主應力在開挖面內，而第三主應力在開挖面外。真實的三維應力張量可以分解成三個相互正交的應力，這樣就與二維的計算模型相一致了。本次數值模擬在二維狀態下考慮了圍巖的非線性變形，并且根據霍克—布朗破壞準則來考慮開挖面的應力狀態和塑性區分布狀況。隧道圍巖力學參數詳見表2。通過不同的數值模型來模擬各施工工況。

表2 數值模擬所需的圍巖材料參數

在所有的模型中，隧道的幾何模型以及水平向與豎直向應力比都是相同的。隧道的寬度、高度分別為15.2 m，13.2 m，如圖1所示。當然，水平應力σh是比較難估算的。1980年霍克、布朗分析了全世界范圍內的數據，并指出在淺埋情況下，水平應力是一個變量，并在某一高度趨向于靜水壓力狀態。按照1995年Hoek等人提出的概念，在本項目中，假設σh=σv。

在所有的數值模型中，隧道的埋深為11.5 m～38 m，并在開挖面附近加密有限元的網格劃分。模型的左、右水平向施加了水平約束，并在模型的底部施加了垂直約束。除了模型的上面邊界，其他邊界都設置為10倍的隧道直徑長度。

圖1 隧道斷面

數值模型包括了開挖、支護等一些施工步驟。在第一階段，為初始應力階段，根據自重應力場得出初始應力狀態，緊接著模擬為開挖、支護步驟，在所有的模型中，支護單元由按工程類比法設計的錨桿和噴射混凝土構成。

在開挖后，立即施加支護，而真實的情況為從開挖至施加支護的過程中必有一個應力釋放以及重分布的過程。為了模擬這個現象，在該軟件中設置了應力釋放率的選項。

圖2為隧道穿越凝灰巖時的開挖、支護荷載計算步驟。這個模型包括:初始應力階段、上臺階開挖階段、相應支護施加階段（錨噴）、下臺階開挖階段、相應支護施加階段（錨噴）。

圖2 隧道K 8+438～K 9+518區段施工步驟

圖3中給出了K8+438～K9+518區段的數值模擬結果，從圖中可以得到支護情況下和毛洞情況下的總的垂直向和水平向的位移情況。對比毛洞情況，施加了相應的支護后，位移減少了將近50%，效果顯著。

分析結果顯示，本工程的最大問題將會出現在隧道穿越凝灰巖區段，從圖3a）可以得出毛洞室的最大的總位移以及大的塑性分布區。而當施加支護后，如圖3b）所示，隧道周邊的位移是顯著減小了，塑性區也大為縮小。并且可以看出，在軟弱圍巖中，應力狀態發生了變化。在這些區域普遍的觀點是應該根據實際情況，進行注漿加固，包括掌子面前方的超前管棚支護。

圖3 隧道K 8+438～K 9+518區段的總位移結果

5 結語

有限元分析可以用來估算基于圍巖分級體系的基本公式的支護系統的作用效果。結果顯示當施加推薦的支護體系時，屈服單元和最大的位移值將大為減小。同時，建議圍巖分級體系應該和數值工具同時使用。

盡管用數值模擬對圍巖特征屬性的估算是非常重要的，然而，值得一提的是圍巖特征屬性的估算不是一門精確科學，而應該在監控量測結果的基礎上，對圍巖特性和數值模型進行優化。

［1］梅志榮.高速鐵路隧道全斷面預加固技術的應用研究［R］.青島：第十五次全國巖土錨固學術研討會，2007.

［2］陳濤.隧道玻璃纖維錨桿全斷面預加固技術的應用研究［D］.北京：中國鐵道科學研究院碩士學位論文，2008.

Geological condition elevation and prelim inary support design ofmetro tunnel

WANG Shi-gang

（China Railway 23rd Bureau Group 8th Engineering Co.，Ltd，Chengdu 610091，China）

Based on the surrounding rock characteristics of the construction project，the paper specifically analyzes themechanical and displacement characteristics at various stages by applying finite elementmethod，and points out the rational supportmethod for the project，with a view to provide some reference for similar project excavation and support.

metro section，mechanical characteristics of surrounding rock，support pattern，finite element

U451.2

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.056

1009-6825（2012）19-0193-03

2012-05-06

王士剛（1975-），男，工程師