鄭萬高鐵大型機械化施工隧道位移控制基準研究

王明年， 趙思光， 張 霄

(1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031)

0 引言

隧道位移控制基準的建立是新奧法施工的一項重要內容[1]，它既是確保施工安全、優化結構、節約成本的重要手段，又是指導隧道動態施工的重要環節。隧道位移控制基準一般應根據測點距開挖面的距離，由初期支護極限相對位移來確定。根據位移控制基準可以確定工程管理等級,進而采取應對措施[2]，見表1。

表1 位移控制基準及應對措施

注：Uz為位移控制基準。

目前，關于隧道位移控制基準，現行Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監控量測技術規程》[2]、TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[3]、JTG D70—2004《公路隧道設計規范》[4]均有相關規定，國內學者也進行了一定研究。朱永全[5]于2001年提出隧道穩定性可通過周邊位移來體現和判別，其關鍵點和難點是圍巖及支護結構周邊位移極限值的確定；之后,于2005年與張素敏等[6]按鐵路隧道襯砌標準設計采用的斷面形式和材料參數，綜合確定出一套鐵路隧道位移判別的極限位移值標準。劉大剛等[7]通過對支護開裂、位移速率信息2個指標進行綜合分析，提出4個位移監測管理水平及對應的位移控制基準值。王明年等[8]依據全站儀非接觸量測獲得初期支護三維絕對位移分布規律，通過統計分析，最終確定CRD法三維絕對位移控制基準。扈士民[9]通過調研蘭渝鐵路多座大斷面黃土隧道，根據數值計算及現場實測制定了大斷面黃土隧道深、淺埋位移控制基準。李曉紅等[10]結合隧道工程實例，建立了以DGM(2，1)模型和 Verhulst模型為基礎的圍巖穩定性位移預測預報方法，并提出了圍巖穩定性及可靠性位移判別準則。邢厚俊[11]認為，對于斷面更大、形狀更扁平的客運專線鐵路隧道，如照搬普速鐵路雙線隧道的極限位移值標準，存在極大的安全風險。馬士偉等[12]采用激光測距傳感器測量位移，給出了防塌方預警基準值的確立原則和預警分級標準。謝軍等[13]指出拱頂下沉應作為大跨度隧道穩定性判據的核心指標，并計算了雙洞8車道隧道襯砌結構的極限狀態，得到拱頂沉降的預警值。郭軍[14]采用有限元方法，結合數理統計分析，按概率密度曲線98.75%的保證率確定最大值，以此作為隧道安全位移基準控制值。上述研究多是針對隧道極限位移，對基于距掌子面距離的各階段位移控制基準研究很少，對于大斷面(開挖斷面面積>150 m2)高速鐵路隧道特別是采用大型機械化大斷面法施工(全斷面法、微臺階法)的高速鐵路隧道的位移控制基準的研究更少。

本文依托鄭萬高鐵湖北段大斷面隧道洞群，通過對Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道初期支護位移監控量測數據進行包絡回歸分析，擬合出Ⅳ、Ⅴ級圍巖深、淺埋不同大斷面法(全斷面法、微臺階法)開挖下，沿隧道縱斷面的初期支護位移函數模型及各工況下分段位移占極限位移的比值，最后結合Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監控量測技術規程》中初期支護極限位移值，給出鄭萬高鐵大型機械化施工隧道各工況下初期支護位移控制基準建議值，研究成果對高速鐵路隧道大型機械化施工具有重要的參考意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鄭萬高鐵是國家“十二五”規劃鄭渝鐵路的重要組成部分，線路起于河南鄭州，終于重慶萬州，途徑河南、湖北、重慶3個省市，全長818 km，設計速度為350 km/h。其中，湖北段工程起于襄陽、止于巴東，全長287 km，工程沿線共分布32.5座隧道，隧道總延長約167.7 km，隧線比約為58.4%，全線隧道均為雙線大斷面隧道，開挖斷面面積約150 m2，隧道Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖占比約為67%，深埋隧道占比約為97.5%。

1.2 隧道機械化施工概況

鄭萬高鐵湖北段的大多數隧道實現了機械化配套施工，按機械配置包括普通型機械化施工和加強型機械化施工。普通型機械化施工設備主要包括風動鑿巖鉆機、多功能鉆爆作業臺架、混凝土濕噴機、自行式仰拱棧橋、仰拱縱向滑模、混凝土輸送車和整體移動式溝槽模板等。加強型機械化施工在普通型機械化施工的基礎上增加了以下大型機械： 2臺三臂鑿巖臺車、1臺錨桿鉆注一體機、1臺自行式液壓拱架安裝臺車、1臺防水板作業臺車、1臺襯砌模板臺車和1臺移動式混凝土養護臺架。鄭萬高鐵湖北段采用加強型機械化施工的隧道有15座，普通型機械化施工的隧道有6座。

1.3 開挖方法及支護參數

鄭萬高鐵湖北段隧道工程主要采用全斷面法和微臺階法2種大斷面工法施工。全斷面法即含仰拱一次全環開挖，完成后初期支護立即閉合成環。微臺階法即分上下臺階2次開挖、2次支護，其中，根據下臺階高度不同，分為2種情況： 1)下臺階高度為仰拱高度稱為微臺階Ⅰ法，見圖1(a)； 2)下臺階高度3～4 m稱為微臺階Ⅱ法，見圖1(b)。開挖進尺： Ⅳ級圍巖為3～4 m，Ⅴ級圍巖為2～3 m。支護參數見表2。

(a) 微臺階Ⅰ法(b) 微臺階Ⅱ法

圖1 微臺階法施工示意圖

2 初期支護位移監控量測方案及分析方法

本次研究依托鄭萬高鐵高家坪隧道、蘇家巖隧道、保康隧道、新華隧道、向家灣隧道和榮家灣隧道6座隧道，開展初期支護位移現場監控量測。各隧道測試斷面情況見表3，測點布置見圖2。斷面間距: Ⅳ級圍巖為10～30 m，Ⅴ級圍巖為5～10 m。

表3 隧道監測斷面情況匯總

圖2 隧道初期支護位移監控量測測點布置示意圖

Fig. 2 Layout of monitoring points for primary support displacement

根據現場測試數據，分別對以上6種工況的測試斷面進行包絡，參照Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監控量測技術規程》，分別采用指數函數、對數函數和雙曲線函數(見表4)對其進行擬合分析，選取最佳擬合函數對位移監測數據進行分段分析(部分曲線可分段擬合)，得到初期支護位移分布規律，進而得到距掌子面距離分別為1D、2D以及>2D(D為隧道開挖洞徑，D=15 m)的位移值及其占極限位移的比值。

表4 位移擬合函數模型

注：y為位移值，mm；A、B為回歸系數；l為測點距掌子面的相對距離。

3 Ⅳ級圍巖初期支護位移監控量測數據分析

3.1 Ⅳ級深埋全斷面法

Ⅳ級深埋全斷面法工況共取22個穩定斷面進行數據測試，分別對拱頂沉降、洞周水平收斂曲線進行包絡回歸分析，獲得各洞身區段初期支護位移值大小及其占極限位移的比值。采用確定系數R2描述回歸曲線的擬合程度，R2的值越接近1，說明回歸曲線的擬合程度越好；R2的值越小，說明回歸曲線的擬合程度越差。包絡、回歸結果見圖3、圖4和表5。

圖3 Ⅳ級深埋全斷面法隧道初期支護拱頂沉降監測結果

Fig. 3 Monitoring results of crown top settlement of primary support of deep-buried tunnel constructed by full-section method in Grade Ⅳ surrounding rock

圖4 Ⅳ級深埋全斷面法隧道初期支護洞周水平收斂監測結果

Fig. 4 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of deep-buried tunnel constructed by full-section method in Grade Ⅳ surrounding rock

表5 Ⅳ級深埋全斷面法隧道初期支護位移監測數據統計

Table 5 Monitoring date statistics of displacement of primary support of deep-buried tunnel constructed by full-section method in Grade Ⅳ surrounding rock

距掌子面距離拱頂沉降位移/mm占比/%洞周水平收斂位移/mm占比/%1D20.286517.10602D28.089024.6587>2D31.2010028.50100

注： 占比指初期支護變形位移占極限位移的比值，下同。

監測結果表明： 1)鄭萬高鐵Ⅳ級深埋全斷面法隧道初期支護拱頂沉降隨距掌子面距離的增大呈對數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為65%、90%及100%； 2)洞周水平收斂隨距掌子面距離的增大呈雙曲線、指數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為60%、87%及100%。拱頂沉降和洞周水平收斂呈現相似規律。

3.2 Ⅳ級深埋微臺階Ⅰ法

Ⅳ級深埋微臺階Ⅰ法工況共取17個穩定斷面進行數據測試，分別對拱頂沉降、洞周水平收斂曲線進行包絡回歸分析，獲得各洞身區段初期支護位移值大小及其占比特征。包絡、回歸結果見圖5、圖6和表6。

圖5 Ⅳ級深埋微臺階Ⅰ法隧道初期支護拱頂沉降監測結果

Fig. 5 Monitoring results of crown top settlement of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅳ surrounding rock

圖6 Ⅳ級深埋微臺階Ⅰ法隧道初期支護洞周水平收斂監測結果

Fig. 6 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅳ surrounding rock

表6 Ⅳ級深埋微臺階Ⅰ法隧道初期支護位移監測數據統計

Table 6 Monitoring date statistics of displacement of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅳ surrounding rock

距掌子面距離拱頂沉降位移/mm占比/%洞周水平收斂位移/mm占比/%1D12.45413592D17.5771777>2D22.810022100

監測結果表明： 1)鄭萬高鐵Ⅳ級深埋微臺階Ⅰ法隧道初期支護拱頂沉降隨距掌子面距離的增大呈指數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為54%、77%及100%； 2)洞周水平收斂隨距掌子面距離的增大也呈指數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為59%、77%及100%。拱頂沉降和洞周水平收斂呈現相似規律。

3.3 Ⅳ級深埋微臺階Ⅱ法

Ⅳ級深埋微臺階Ⅱ法工況共取2個穩定斷面進行數據測試，分別對拱頂沉降、洞周水平收斂曲線進行包絡回歸分析，獲得各洞身區段初期支護位移值大小及其占比特征。包絡、回歸結果見圖7、圖8和表7。

圖7 Ⅳ級深埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護拱頂沉降監測結果

Fig. 7 Monitoring results of crown top settlement of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

圖8 Ⅳ級深埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護洞周水平收斂監測結果

Fig. 8 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

表7 Ⅳ級深埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護位移監測數據統計

Table 7 Monitoring date statistics of displacement of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

距掌子面距離拱頂沉降位移/mm占比/%洞周水平收斂位移/mm占比/%1D367722762D41872690>2D4710029100

監測結果表明： 1)鄭萬高鐵Ⅳ級深埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護拱頂沉降隨距掌子面距離的增大呈指數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為77%、87%及100%； 2)洞周水平收斂隨距掌子面距離的增大也呈指數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為76%、90%及100%。拱頂沉降和洞周水平收斂呈現相似規律。

3.4 Ⅳ級淺埋微臺階Ⅱ法

Ⅳ級淺埋微臺階Ⅱ法工況共取2個穩定斷面進行數據測試，分別對拱頂沉降、洞周水平收斂曲線進行包絡回歸分析，獲得各洞身區段初期支護位移值大小及其占比特征。包絡、回歸結果見圖9、圖10和表8。

圖9 Ⅳ級淺埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護拱頂沉降監測結果

Fig. 9 Monitoring results of crown top settlement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

圖10 Ⅳ級淺埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護洞周水平收斂監測結果

Fig. 10 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

表8 Ⅳ級淺埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護位移監測數據統計

Table 8 Monitoring date statistics of displacement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

距掌子面距離拱頂沉降位移/mm占比/%洞周水平收斂位移/mm占比/%1D295520512D41773077>2D5310039100

監測結果表明： 1)鄭萬高鐵Ⅳ級淺埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護拱頂沉降隨距掌子面距離的增大呈指數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為55%、77%及100%； 2)洞周水平收斂隨距掌子面距離的增大呈對數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為51%、77%及100%。拱頂沉降和洞周水平收斂呈現相似規律。

4 Ⅴ級圍巖初期支護位移監控量測數據分析

4.1 Ⅴ級淺埋微臺階Ⅰ法

Ⅴ級淺埋微臺階Ⅰ法工況共取10個穩定斷面進行數據測試，分別對拱頂沉降、洞周水平收斂曲線進行包絡回歸分析，獲得各洞身區段初期支護位移值大小及其占比特征。包絡、回歸結果見圖11、圖12和表9。

圖11 Ⅴ級淺埋微臺階Ⅰ法隧道初期支護拱頂沉降監測結果

Fig. 11 Monitoring results of crown top settlement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅴ surrounding rock

圖12 Ⅴ級淺埋微臺階Ⅰ法隧道初期支護洞周水平收斂監測結果

Fig. 12 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅴ surrounding rock

表9 Ⅴ級淺埋微臺階Ⅰ法隧道初期支護位移監測數據統計

Table 9 Monitoring date statistics of displacement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅴ surrounding rock

距掌子面距離拱頂沉降位移/mm占比/%洞周水平收斂位移/mm占比/%1D7356402D12601173>2D2010015100

監測結果表明： 1)鄭萬高鐵Ⅴ級淺埋微臺階Ⅰ法隧道初期支護拱頂沉降隨距掌子面距離的增大呈對數、雙曲線函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為35%、60%及100%； 2)洞周水平收斂隨距掌子面距離的增大呈指數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為40%、73%及100%。拱頂沉降和洞周水平收斂呈現相似規律。

4.2 Ⅴ級淺埋微臺階Ⅱ法

Ⅴ級淺埋微臺階Ⅱ法工況共取2個穩定斷面進行數據測試，分別對拱頂沉降、洞周水平收斂曲線進行包絡回歸分析，獲得各洞身區段初期支護位移值大小及其占比特征。包絡、回歸結果見圖13、圖14和表10。

圖13 Ⅴ級淺埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護拱頂沉降監測結果

Fig. 13 Monitoring results of crown top settlement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade V surrounding rock

圖14 Ⅴ級淺埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護洞周水平收斂監測結果

Fig. 14 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅴ surrounding rock

表10 Ⅴ級淺埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護位移監測數據統計

Table 10 Monitoring date statistics of displacement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅴ surrounding rock

距掌子面距離拱頂沉降位移/mm占比/%洞周水平收斂位移/mm占比/%1D10 208282D23471552>2D4910029100

監測結果表明： 1)鄭萬高鐵Ⅴ級淺埋微臺階Ⅱ法隧道初期支護拱頂沉降隨距掌子面距離的增大呈對數、指數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為20%、47%及100%； 2)洞周水平收斂隨距掌子面距離的增大呈雙曲線、對數函數規律變化，距掌子面距離為1D、2D以及>2D時，其占極限位移的比值分別為28%、52%及100%。拱頂沉降和洞周水平收斂呈現相似規律。

5 初期支護安全位移控制基準建議

我國現行Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監控量測技術規程》中已制定相應支護變形安全位移控制基準，主要包括極限位移值U0和各分段位移控制比例2方面內容。

鑒于鄭萬高鐵隧道雖然采用大斷面法施工，但是支護體系未有變化，故本文極限位移值U0仍沿用相關規范要求制定，僅針對分段位移控制比例進行研究和確定。

根據對各工況條件下初期支護位移進行包絡擬合分析得到的各區段支護變形位移值占比特征，統計得到在現有支護參數條件下鄭萬高鐵隧道大型機械化施工的支護安全位移控制基準，為便于使用對控制基準值進行簡化，見表11。

表11鄭萬高鐵大型機械化施工隧道初期支護位移控制基準建議值

Table 11 Recommended values of displacement control criterion for primary support of mechanized construction of tunnels on Zhengzhou-Wanzhou High-speed Railway

圍巖級別埋深施工方法距掌子面距離0～1D拱頂沉降洞周水平收斂1D～2D拱頂沉降洞周水平收斂>2D拱頂沉降洞周水平收斂極限位移值U0/mm拱頂沉降洞周水平收斂Ⅳ深埋深埋深埋淺埋全斷面法65%U060%U090%U085%U0100%U0100% U0微臺階Ⅰ法50%U055%U075%U075%U0100%U0100%U0微臺階Ⅱ法75%U075%U085%U090%U0100%U0100%U0微臺階Ⅱ法55%U050%U075%U075%U0100%U0100%U0114951149511495121100Ⅴ淺埋淺埋微臺階Ⅰ法35%U040%U060%U070%U0100%U0100%U0微臺階Ⅱ法20%U025%U045%U050%U0100%U0100%U0140115140115

6 結論與討論

本文依托鄭萬高鐵湖北段大斷面隧道洞群，開展了初期支護位移現場監控量測，對監控量測數據進行分類統計、包絡回歸分析，得到結論如下。

1)鄭萬高鐵隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用深、淺埋不同大斷面法(全斷面法、微臺階法)開挖時，按距掌子面距離的分階段位移控制基準相差較大，現行Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監控量測技術規程》中統一規定不合理，建議按照本文給出的初期支護位移控制基準指導鄭萬高鐵隧道大型機械化施工。

2)在隧道圍巖級別、埋深及開挖方法相同時，拱頂沉降和洞周水平收斂規律基本一致。

由于部分工況樣本數量較少，且未涵蓋所有圍巖級別，需根據現場施工情況進一步收集數據，以期形成整套高速鐵路隧道大型機械化大斷面法施工位移控制基準，來指導類似工程的設計和施工。