中老鐵路高地應力軟巖隧道合理支護時機研究

【摘 要】依托中老鐵路安定隧道開展研究。通過建立圍巖安全系數與掌子面推進距離間的關系，形成合理支護時機確定方法?；诘貞崪y結果，采用有限差分軟件對不同圍巖等級條件下高地應力軟巖隧道開挖過程進行模擬，分析圍巖位移演化規律及圍巖安全系數變化規律，確定合理支護時機。研究結果表明：（1）III級圍巖條件下，圍巖整體位移完成系數與應力釋放率近似呈線性關系，而IV和V級圍巖的整體位移完成系數變化速率則呈現明顯的先增大，后減小的趨勢;（2）各級圍巖條件下的整體安全系數演化曲線的變化規律基本一致，數值上存在差異;（3）各級圍巖條件下整體變形趨勢相同，圍巖條件越差，掌子面前方圍巖的預收斂變形越明顯;（4）III、IV級圍巖條件下，合理支護時機分別為掌子面通過目標斷面12.5 m，0.5 m，V級圍巖則需超前支護確保隧道圍巖穩定。研究成果可為高地應力軟巖隧道合理的支護方案設計提供參考。

【關鍵詞】高地應力； 安全系數； 位移完成系數； 支護時機； 有限差分

【中圖分類號】U455.7【文獻標志碼】A

0 引言

近年來，交通基礎設施建設的需求在不斷增加，使得隧道工程往往不可避免地要穿越大量復雜不良地層環境，在復雜環境下修建隧道已經成為制約工期和工程投資的控制性工程。選擇合理支護時機是此類隧道控制圍巖變形和保證結構安全性的關鍵，近年來也成為技術研究的重點。

目前，針對高地應力條件下軟巖隧道開挖過程中的圍巖變形特征及其支護結構施作時機問題進行了大量研究工作。楊鑫等［1］針對中老鐵路沿線隧道穿越縫合帶出現的大變形問題開展了研究，分析了初期支護變形破壞特征并提出了相應控制措施。劉千里等［2］采用現場測試分析掌握了高地應力軟巖圍巖松動圈范圍以及隧道大變形特征。進而提出了優化斷面形式、超前支護、注漿加固等變形控制措施。袁青等［3］依托某富水淺埋軟弱圍巖隧道，對隧道變形特征、致災因素以及力學破壞模式進行了研究，提出了包含掌子面排水、超前支護等措施在內的“內外結合”的主動控制理念。譚忠盛等［4］采用室內外試驗和數值仿真研究了軟巖隧道地應力環境、圍巖條件以及隧道變形演化規律，進而提出了優化斷面結構形式、更換開挖方法以及調整支護結構參數等針對性控制措施。周子寒等［5］基于DP準則，建立了確定支護結構體系支護時機的力學模型，分別對圍巖級別、埋深條件下的支護時機進行了計算分析。

綜上所述，許多學者對高地應力軟巖隧道的圍巖變形演化規律和大變形控制措施進行了研究。針對隧道合理支護時機也有一定研究成果，但大多從結構的安全性入手，并未考慮支護時機與圍巖變形趨勢的互饋關系?；诖?，本文依托中老鐵路安定隧道開展高地應軟弱圍巖條件隧道合理支護時機研究。基于摩爾-庫倫準則提出評價巖體安全狀態的方法，進而建立圍巖安全系數與支護時機的關系?；诮Y合實測地應力條件，對不同圍巖等級隧道合理支護時機進行計算和分析。

1 依托工程概況及模型建立

1.1 依托工程概況

安定隧道全長17.46 km，局部具有高地應力，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段落占隧道長度的80%，圍巖“強度應力比”低，隧道開挖后，掌子面溜塌、圍巖變形侵占襯砌凈空頻繁發生。為探明圍巖大變形段的地應力條件，進行了水壓致裂原地應力測量，得到最大和最小水平主應力σH和σh分別為25.12 MPa和18.27 MPa。最大水平主應力σH均大于計算垂直應力σv，兩者的比值在1.15～1.71之間，隨埋深增大有逐漸減小的趨勢。

1.2 數值模型

為了減小荷載邊界效應的影響，計算模型邊界條件設置如下：水平方向自隧道中心線至模型兩邊取50 m，模型沿隧道縱向取50 m，模型拱頂以上高度為50 m。根據隧道尺寸及邊界條件建立各計算工況的模型圖1所示。

在本次的開挖模擬計算過程中，采用微臺階法模擬開挖，以1 m為一個開挖步，臺階長度為3 m，臺階同步向前推進。按照對應工法的工序開挖、支護交替，這樣不斷地循環來模擬整個隧道的開挖及支護過程。擬在垂直于隧道軸線、z=25 m處的開挖截面附近對洞周位移進行監測。

1.3 計算參數選取

模擬中的地層參數按鐵路隧道設計規范的推薦范圍進行選取，模擬參數如表1所示。

2 支護時機確定方法

2.1 巖體安全系數評價方法

為表征巖體的安全程度，工程研究人員提出了安全系數的概念見式（1）。

F=H（x）/f（σ）（1）

式中：H為材料參數，是標量的內變量χ的函數；F為安全系數，Fgt;1，表示在屈服面內部未屈服，F=1，表示在屈服面上處于臨界狀態，Flt;l，表示在屈服面外部發生剪切破壞。

根據摩爾-庫倫屈服準則，判斷巖體中任意一點的應力狀態與強度包絡線的距離，如圖2所示。

將強度包絡線向下平移，即對應儲備安全裕度，則基于摩爾-庫倫屈服準則的安全系數為式（2）。

F=|AC′||AB|=c′cos+（σ1+σ3）/2sin（σ1-σ3）/2（2）

2.2 圍巖縱向變形曲線

圍巖縱向變形曲線（LDP）是指掌子面附近巖體的收斂位移曲線，典型圍巖縱向變形曲線如圖3所示。

巖土工程與地下工程馬有良， 羅勝利， 伍容兵， 等： 中老鐵路高地應力軟巖隧道合理支護時機研究

可見，隨掌子面推進，目標斷面變形量逐漸增大，變形量增長速率呈先增大后減小的趨勢。為表征不同圍巖條件下的變形演化規律，對變形曲線進行歸一化處理，得到位移完成系數λ。為建立位移完成系數和圍巖安全系數的關系，對隧道開挖應力釋放過程進行數值模擬。得到不同應力釋放率對應的圍巖的位移以及安全系數。

計算目標斷面洞周各圍巖單元的安全系數，記為F1r，F2r，…，Fnr，為消除個別單元極端值的影響，取各單元的幾何平均作為某一圍巖應力釋放率（r）下的圍巖整體安全系數Fr見式（3）。

Fr=F1rF2r…Fnr（3）

分別計算各應力釋放率對應的整體安全系數，形成應力釋放率與安全系數的關系曲線，即r-Fr曲線。

同樣，計算目標斷面洞周各圍巖單元的位移完成系數，記為λ1r，λ2r…λnr，為消除個別單元極端值的影響，取各單元的幾何平均作為某一圍巖應力釋放率（r）下的圍巖整體安全系數λr見式（4）。

λi=λi1λi2…λin（4）

分別計算各應力釋放率對應的整體位移完成系數，形成應力釋放率與位移系數的關系曲線，即r-λr曲線。

2.3 合理支護時機確定方法

合理的支護時機確定方法應根據圍巖的應力狀態來確定，因此基于上節中的圍巖狀態評價方法，現采用r-曲線（應力釋放率vs圍巖整體安全系數）、r-λ-曲線（應力釋放率vs圍巖整體位移完成系數）、x-λ-曲線（相對掌子面距離-圍巖整體位移完成系數）共同確定。原理如圖4所示。

具體流程：

（1）獲取圍巖整體安全系數F-隨應力釋放率r的變化關系，即r-F-曲線，確定合理的安全系數臨界值，進而通過r-F-曲線確定臨界應力釋放率。

（2）獲取圍巖整體位移完成系數λ-隨應力釋放率r的變化關系，即r-λ-曲線，由r-λ-曲線以及臨界應力釋放率確定對應的臨界位移完成系數。

（3）獲取圍巖整體位移完成系數λ-與相對掌子面距離x的變化關系，即x-λ-曲線，由x-λ-曲線以及臨界位移完成系數確定對應的相對掌子面距離x，該x值即為合理支護位置（時機）。

3 計算結果分析

3.1 圍巖位移縱向演化特征

在此次模擬中將掌子面推進至距監測斷面25 m處時的圍巖變形視為最終變形量，最終得到三種圍巖條件下的圍巖位移縱向演化規律，如圖5所示。將圍巖位移轉換為整體位移完成系數可以方便對比不同圍巖條件下的圍巖變形情況。

可以看出，各級圍巖條件下整體變形趨勢相同。當掌子面距離監測斷面-10 m時，三條曲線基本重合，之后開始出現明顯差異，當掌子面到達監測斷面時，III級圍巖已產生的變形量與最終變形量的比值最小，為34.3%，IV級圍巖、V級圍巖分別為46.6%和52.2%，表明圍巖條件越差，掌子面前方圍巖的預收斂變形越明顯。圖5（b）可視為圖5（a）的曲線斜率，代表每一步開挖產生的位移變量與最終變形量的比值。

3.2 支護時機確定

根據上述流程，計算安全系數時，為保證一定安全余量，已將Mohr-Coulomb強度包絡線向下平移，本文將臨界情況=1作為判定條件。以圍巖整體安全系數容許值及其對應的應力釋放率r作為支護時機的確定依據，通過應力釋放率建立r與x的圖形對應關系，最終可以確定對應的支護施加時相對掌子面的距離xs，即支護最晚施加的位置，見圖6～圖8。

III級圍巖自穩性好，掌子面通過監測斷面12.5 m時，圍巖整體安全系數下降至1.0，在此之前是支護的最佳時機。同理，按上述方法確定IV、V級圍巖條件下的合理支護時機，如圖7、圖8所示。IV級圍巖情況下，圍巖自穩性差，掌子面通過監測斷面0.5 m時，圍巖整體安全系數下降至1.0，表明開挖后需要立即支護，以保證圍巖穩定。而V級圍巖條件下，在掌子面距離監測斷面還有7.5 m時，安全系數便已不能滿足要求，表明需要采用超前支護才能保證隧道正常開挖。

4 結論

本文通過建立圍巖安全系數與開挖步的關系，提出了合理支護時機確定方法?；诘貞崪y結果，采用有限差分軟件對高地應力軟巖隧道情況下，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級的圍巖條件下合理支護時機進行了研究。研究結果表明：

（1）III級圍巖條件下，圍巖整體位移完成系數與應力釋放率近似呈線性關系，而IV和V級圍巖的整體位移完成系數變化速率則呈現明顯的先增大，后減小的趨勢。

（2）圍巖的安全系數大小與圍巖質量直接相關。圍巖條件下的圍巖整體安全系數演化曲線的變化規律基本一致，數值上存在一定差異。

（3）各級圍巖條件下整體變形趨勢相同，圍巖條件越差，圍巖的預收斂變形越明顯。

（4）III級圍巖自穩性好，掌子面通過監測斷面12.5 m時是支護的最佳時機；IV級圍巖情況下，圍巖自穩性差，掌子面通過監測斷面0.5 m時之前是支護的最佳時機；而V級圍巖條件下，在掌子面距離監測斷面還有7.5 m時，安全系數已不滿足要求。

參考文獻

［1］ 楊鑫， 王建軍， 周波， 等. 中老鐵路沙嫩山隧道施工變形特征及控制技術［J］.人民長江， 2022， 53（S2）： 109-112.

［2］ 劉千里， 王永順， 王建軍， 等. 中老鐵路沙嫩山隧道大變形區段松動圈發展規律及控制技術［J］. 鐵道建筑， 2022， 62（11）： 103-106.

［3］ 袁青， 陳世豪， 肖靖， 等. 淺埋富水軟巖隧道大變形機理與控制研究［J］. 防災減災工程學報， 2022， 42（4）： 723-731.

［4］ 譚忠盛， 李松濤， 王建軍， 等. 中老鐵路隧道軟弱圍巖大變形特征試驗研究［J］.中國鐵道科學， 2021， 42（4）： 98-106.

［5］ 周子寒， 何川， 陳子全， 等. 基于圍巖變形主動控制理念的隧道支護時機虛擬支撐力法［J］. 中國鐵道科學， 2022， 43（6）：76-88.

［基金項目］高鐵聯合基金（項目編號：U1934213）

［作者簡介］馬有良（1972—），男，本科，高級工程師，研究方向為鐵路工程施工及建設管理。

［通信作者］張志強（1968—），男，博士，教授，主要從事隧道工程與巖土工程方面的教學研究工作。