隧道局部支護與系統支護判別標準及方法研究

肖明清，徐 晨

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心，武漢 430063)

引言

支護結構為隧道開挖后施作，用于維持隧道穩定和耐久性的結構物，我國交通隧道一般采用復合式襯砌，容許圍巖產生一定變形，而又充分發揮圍巖自承能力，一般由初期支護、防水層和二次襯砌組合而成[1]。

GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》、GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》等規范給出了地下工程自穩能力的定性判斷標準，對各級圍巖按照開挖跨度進行了自穩時間及可能出現的塌方程度預測，但未能明確隧道開挖后是否需要支護、需要什么類型支護的問題[2-3]。我國鐵路隧道與公路隧道各級圍巖支護結構參考圖中，僅對Ⅱ級圍巖采用隨機錨桿，噴層、鋼架、二次襯砌等系統支護方式，同時對隧道拱部、邊墻、仰拱區域進行了一定程度的不等強設計。Q法支護參數參考圖根據橫軸Q值(巖石質量)與縱軸S(等效尺寸)將支護參數表劃分為9個不同類型的支護區，其中，第1類無需支護或局部錨桿、第2類局部錨桿、第3～5類采用系統錨桿+噴纖維混凝土、第6～7類噴混凝土鋼筋肋+錨桿、第8類必要時采用模筑混凝土襯砌[4-5]。可見，一方面，國內外噴錨支護復合式襯砌以類比設計為主，缺乏對支護結構量化的設計方法；另一個方面，國內外對支護結構的研究以系統支護為主，在圍巖自穩性能良好時，采用等剛度系統支護顯然有悖經濟性。

文獻[6-7]論述了臨界穩定斷面概念，認為自穩裸洞與臨界穩定斷面之間的圍巖起到承載結構的作用，當該部分圍巖被開挖或者破壞，將對隧道的平衡狀態產生影響導致圍巖失穩，并根據圍巖穩定性安全系數將隧道穩定性分為自穩無需支護和需補充工程支護措施兩種，但對系統支護和局部支護判別缺少深入研究[6-7]。

基于隧道無支護開挖后的圍巖破壞區分布特征，研究了局部支護和系統支護的劃分標準與方法，可為隧道支護結構量化與優化設計提供幫助。

1 局部支護與系統支護判別標準及方法

當采用安全系數法對隧道結構進行設計時，以隧道接近或達到破壞階段為研究對象，而結構接近破壞時，可近似采用無支護狀態進行描述。因此，分析隧道無支護開挖后的圍巖破壞區并進行相應分級和適當支護，對于支護的可靠性方面是偏于安全的。

1.1 基于有限元計算流程與計算方法

通過有限元分析軟件實現圍巖穩定性的計算分析與判別，步驟如下。

(1)建立有限元平面應變模型，為簡化分析，忽略中間主應力σ2的影響，圍巖采用彈塑性本構關系，采用莫爾-庫倫破壞準則；將圍巖物理力學參數按照式(1)、式(2)進行強度折減，折減系數取1.15；隧道與模型邊界距離大于3～5倍的隧道跨度，通過位移和應力邊界組合模擬初始地應力場。

c′=c/Fs

(1)

tanφ′=tanφ/Fs

(2)

式中，c′為折減后黏聚力；φ′為折減后內摩擦角；Fs為強度折減系數。

(2)求解隧道無支護開挖時的破壞區，一般情況下圍巖的破壞形式主要有剪切破壞和受拉破壞[7]。

(3)建立基于圍巖破壞區分布特征的支護方式劃分標準，對圍巖自穩、局部支護、分區不等強系統支護、等強系統支護4種支護狀態進行判定與劃分。

1.2 圍巖破壞判據

1.2.1 基于極限剪應變的圍巖破壞判據

圖1 理想塑性本構應力-應變曲線

(3)

1.2.2 圍巖張拉破壞判據

巖體抗拉強度指標一般難以直接測定，當采用莫爾庫倫準則求解時往往會過高估計圍巖的抗拉強度，見式(4)。Hoek-Brown準則考慮了節理裂隙對巖體強度的影響，E.Hoek等[8]對廣義非線性Hoek-Brown準則與直線型M-C準則的擬合與換算關系進行了研究，如圖2所示，當陰影部分面積最小時，M-C直線與H-B曲線差異性最小。

圖2 廣義H-B準則與等效M-C準則擬合

(4)

根據Hoek-Brown準則，建立巖體壓拉強度比值關系，即

(5)

式中，σc為巖體抗壓強度；σt為巖體抗拉強度；mi為巖塊的Hoek-Brown常數；GSI為地質強度指標；s、a為取決于巖體特征常數；D為擾動權重系數。

由式(5)可知，當圍巖完成性較好時，即GSI=100，巖體與組成巖體巖塊的物理力學特性一致，壓拉強度比等于巖塊的Hoek-Brown常數mi；當巖體被存在的節理裂隙分割時，巖體壓拉強度比相對于完整巖塊將有一定折減，折減系數為η，與GSI、D相關。以上參數可根據文獻[9-10]結合隧道場地綜合條件選取。

1.3 基于破壞區分布特征的支護判別標準

采用有限元計算，隧道無支護開挖后采用極限剪應變判定圍巖的穩定性，需考慮極限應變的圍壓約束效應。提取隧道開挖后洞周小主應力σ3近似等效為徑向力，大主應力σ1則近似等效為切向應力。需要說明的是，平面應變模型忽略了中間主應力σ2的影響，計算結果略為保守。按照式(3)計算小主應力σ3作用下的巖體允許極限應變值，如該值小于圍巖最大剪應變的計算結果，則判定該部分圍巖已進入破壞狀態，圓形隧洞圍巖松動區內滑裂面為一對對數螺線[11]，如圖3所示。圖3中，λ為側壓力系數；R0為隧道開挖半徑；h0為破壞區高度。

圖3 隧道滑移破壞區(λ=1)

當隧道開挖后洞周形成拉破壞區，破壞區圍巖全部質量將由支護結構承擔。

因此，隧道開挖后，洞周圍巖根據受力形態形成了一系列潛在的塌方區，破壞區的形成是隧道支護力的來源，也是需要支護的對象。

TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》[11]、JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范第一冊土建工程》[12]中指出，塌方高度大于6 m，塌方體積大于100 m3的塌方稱為大塌方；塌方體積在30～100 m3，塌方高度介于3～6 m稱為中塌方；塌方體積小于30 m3，塌方高度小于3 m稱為小塌方。判定圍巖失穩破壞的臨界深度與斷面大小及圍巖條件等有關，本次做了簡化分析，假設邊墻破壞區域的最大深度超過1 m，拱頂破壞區域的最大深度超過0.5 m，則判定圍巖失穩，隧底破壞區域原則上不會對隧道的穩定性帶來影響，不作為失穩條件。

研究確定將隧道開挖后邊墻區域深度大于1 m、拱部深度大于0.5 m破壞區作為隧道潛在塌方區域，并將此作為支護對象。可根據隧道無支護開挖后潛在塌方區域的分布特征對工程支護方式進行分類，如圖4所示。

圖4 隧道支護方案劃分示意

(1)當隧道無潛在塌方區域時，隧道自穩(設計斷面小于臨界穩定斷面)，無需支護。

(2)拱墻潛在塌方區域的弧長與總弧長之比小于30%，可采用局部支護方案。

(3)拱墻潛在塌方區域的弧長與總弧長之比在30%～60%，可采用分區不等強支護。

(4)當拱墻潛在塌方區域的弧長與總弧長之比在60%以上時，需采用等強系統支護。

2 計算案例

開挖輪廓面形狀對圍巖穩定性的影響較為顯著，研究選取時速350 km高速鐵路雙線隧道的斷面形狀進行研究，開挖跨度14.70 m，高度12.38 m，高跨比0.84，如圖5所示。

圖5 350 km/h雙線鐵路隧道斷面(單位：cm)

隧道開挖穩定性與地質條件、埋深、斷面形狀和斷面大小等因素強相關。為簡化分析，案例分析中以Ⅲ級圍巖為例，著重對隧道埋深與斷面大小2個因素進行研究。

Ⅲ級圍巖物理力學參數參考TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》的建議范圍值，取下1/3分位值[1]，如表1所示。

表1 Ⅲ級圍巖物理力學參數取值

2.1 不同開挖跨度影響

以400 m埋深為例，逐漸擴挖隧道斷面，保持開挖斷面與圖5斷面形狀幾何相似、中心埋深相同。采用上文所述計算方法，對無支護開挖后的破壞區范圍與相應的支護方式進行分析。

圖6為不同開挖跨度(無支護狀態)下破壞區分布特征。破壞區深度與開挖跨度關系如圖7所示。深埋隧道(Ⅲ級圍巖)開挖后破壞區以壓剪破壞為主，開挖跨度越大，破壞區深度與范圍均增大。

圖6 隧道破壞區分布與跨度關系

圖7 隧道破壞區最大深度與跨度關系

隧道洞周潛在塌方區域分布范圍占隧道拱墻輪廓長度比值與隧道開挖跨度的關系如圖8所示，可知：

圖8 洞周潛在塌方區域比例與跨度關系

(1)隧道開挖潛在塌方區域比值與隧道開挖跨度近似呈指數函數，先快速增大后緩慢減小，直至洞周形成貫通的破壞區；

(2)隧道開挖跨度小于11.8 m時，無支護開挖狀態洞周無潛在塌方區域，隧道自穩，無須支護，但應對圍巖進行及時封閉，以防止圍巖劣化降低其自承載能力；

(3)當開挖跨度為11.8～13.0 m時，潛在塌方區域比值小于30%，且主要位于隧道側壁，僅需局部支護；

(4)當隧道開挖跨度為13.0～15.7 m時，潛在塌方區域比值介于30%～60%，主要位于側壁與兩側拱腰，為滿足經濟性要求，可采用分區不等強系統支護，重點對破壞區進行加固和支護。

(5)當隧道開挖跨度大于15.7 m，隧道潛在塌方區域范圍較大，需采用等強系統支護。

2.2 不同隧道埋深影響

當不考慮構造應力場時，隧道埋深增大，自重應力越大，隧道開挖后洞周圍巖穩定性越差。以圖5為例，圖9為Ⅲ級圍巖不同埋深條件下的破壞區分布特征，圖10為隧道洞周最大破壞區深度與埋深的關系曲線。

圖9 隧道破壞區分布與埋深關系

圖10 隧道破壞區最大深度與埋深關系

隧道洞周潛在塌方區域分布范圍占隧道拱墻輪廓長度比值與隧道埋深的關系如圖11所示，可知：

圖11 洞周潛在塌方區域比例與埋深關系

(1)隧道開挖潛在的塌方區域比值與隧道開挖跨度近似呈正比關系；

(2)隧道埋深小于130 m時，無支護開挖狀態洞周無潛在塌方區域，隧道自穩，無須支護，但應對圍巖進行及時封閉，以防止圍巖劣化降低其自承載能力；

(3)當隧道埋深為130～295 m時，潛在塌方區域比值小于30%，且主要位于隧道側壁，僅需局部錨桿支護；

(4)當隧道埋深為295～450 m時，潛在塌方區域比值介于30%～60%，主要位于側壁與兩側拱腰，為滿足經濟性要求，可采用分區不等強系統支護，重點對破壞區進行加固和支護。

(5)當隧道埋深大于450 m，隧道潛在塌方區域范圍較大，占比大于60%，需采用等強系統支護。

3 結論

基于隧道無支護開挖后的圍巖破壞區分布特征，研究了局部支護和系統支護的劃分標準與方法，得到以下結論。

(1)當采用安全系數法對隧道結構進行設計時，以隧道接近或達到破壞階段為研究對象，結構接近破壞時，可近似采用無支護狀態進行描述。分析隧道無支護開挖后的圍巖破壞區并進行相應分級和適當支護，對于支護結構設計的可靠性方面是偏于安全的。

(2)建議將隧道開挖后邊墻區域深度大于1 m、拱部深度大于0.5 m的破壞區作為隧道潛在塌方區域，并將此作為支護對象。

(3)隧道支護方式劃分標準如下：

①當隧道無潛在塌方區域時，隧道自穩(設計斷面小于臨界穩定斷面)，無需支護；

②拱墻潛在塌方區域占比小于30%，可采用局部支護方式；

③拱墻潛在塌方區域占比在30%～60%時，可采用分區不等強系統支護；

④當拱墻潛在塌方區域占比在60%以上時，需采用等強系統支護。

(4)研究了隧道斷面大小與埋深2種因素對支護類別的影響，結果如下：

①以Ⅲ級圍巖、400 m埋深為基準，研究開挖跨度影響(開挖斷面與350 km/h雙線鐵路隧道幾何相似、中心埋深相同)，圍巖自穩、局部支護、不等強系統支護、等強系統支護類別劃分的臨界開挖跨度分別為11.8，13.0，15.7 m；

②以Ⅲ級圍巖、350 km/h雙線鐵路隧道開挖斷面為基準，研究隧道埋深影響，圍巖自穩、局部支護、不等強系統支護、等強系統支護類別劃分的臨界隧道埋深分別為130，295，450 m。