肖明清，徐 晨

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

引言

支護(hù)結(jié)構(gòu)為隧道開挖后施作，用于維持隧道穩(wěn)定和耐久性的結(jié)構(gòu)物，我國交通隧道一般采用復(fù)合式襯砌，容許圍巖產(chǎn)生一定變形，而又充分發(fā)揮圍巖自承能力，一般由初期支護(hù)、防水層和二次襯砌組合而成[1]。

GB/T 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范給出了地下工程自穩(wěn)能力的定性判斷標(biāo)準(zhǔn)，對各級圍巖按照開挖跨度進(jìn)行了自穩(wěn)時間及可能出現(xiàn)的塌方程度預(yù)測，但未能明確隧道開挖后是否需要支護(hù)、需要什么類型支護(hù)的問題[2-3]。我國鐵路隧道與公路隧道各級圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)參考圖中，僅對Ⅱ級圍巖采用隨機(jī)錨桿，噴層、鋼架、二次襯砌等系統(tǒng)支護(hù)方式，同時對隧道拱部、邊墻、仰拱區(qū)域進(jìn)行了一定程度的不等強(qiáng)設(shè)計。Q法支護(hù)參數(shù)參考圖根據(jù)橫軸Q值(巖石質(zhì)量)與縱軸S(等效尺寸)將支護(hù)參數(shù)表劃分為9個不同類型的支護(hù)區(qū)，其中，第1類無需支護(hù)或局部錨桿、第2類局部錨桿、第3～5類采用系統(tǒng)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]?？梢?，一方面，國內(nèi)外噴錨支護(hù)復(fù)合式襯砌以類比設(shè)計為主，缺乏對支護(hù)結(jié)構(gòu)量化的設(shè)計方法；另一個方面，國內(nèi)外對支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究以系統(tǒng)支護(hù)為主，在圍巖自穩(wěn)性能良好時，采用等剛度系統(tǒng)支護(hù)顯然有悖經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)[6-7]論述了臨界穩(wěn)定斷面概念，認(rèn)為自穩(wěn)裸洞與臨界穩(wěn)定斷面之間的圍巖起到承載結(jié)構(gòu)的作用，當(dāng)該部分圍巖被開挖或者破壞，將對隧道的平衡狀態(tài)產(chǎn)生影響導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，并根據(jù)圍巖穩(wěn)定性安全系數(shù)將隧道穩(wěn)定性分為自穩(wěn)無需支護(hù)和需補(bǔ)充工程支護(hù)措施兩種，但對系統(tǒng)支護(hù)和局部支護(hù)判別缺少深入研究[6-7]。

基于隧道無支護(hù)開挖后的圍巖破壞區(qū)分布特征，研究了局部支護(hù)和系統(tǒng)支護(hù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)與方法，可為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)量化與優(yōu)化設(shè)計提供幫助。

1 局部支護(hù)與系統(tǒng)支護(hù)判別標(biāo)準(zhǔn)及方法

當(dāng)采用安全系數(shù)法對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，以隧道接近或達(dá)到破壞階段為研究對象，而結(jié)構(gòu)接近破壞時，可近似采用無支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行描述。因此，分析隧道無支護(hù)開挖后的圍巖破壞區(qū)并進(jìn)行相應(yīng)分級和適當(dāng)支護(hù)，對于支護(hù)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(xiàn)圍巖穩(wěn)定性的計算分析與判別，步驟如下。

(1)建立有限元平面應(yīng)變模型，為簡化分析，忽略中間主應(yīng)力σ2的影響，圍巖采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，采用莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則；將圍巖物理力學(xué)參數(shù)按照式(1)、式(2)進(jìn)行強(qiáng)度折減，折減系數(shù)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(yīng)力邊界組合模擬初始地應(yīng)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(nèi)摩擦角；Fs為強(qiáng)度折減系數(shù)。

(2)求解隧道無支護(hù)開挖時的破壞區(qū)，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(qū)分布特征的支護(hù)方式劃分標(biāo)準(zhǔn)，對圍巖自穩(wěn)、局部支護(hù)、分區(qū)不等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)、等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)4種支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行判定與劃分。

1.2 圍巖破壞判據(jù)

1.2.1 基于極限剪應(yīng)變的圍巖破壞判據(jù)

圖1 理想塑性本構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(3)

1.2.2 圍巖張拉破壞判據(jù)

巖體抗拉強(qiáng)度指標(biāo)一般難以直接測定，當(dāng)采用莫爾庫倫準(zhǔn)則求解時往往會過高估計圍巖的抗拉強(qiáng)度，見式(4)。Hoek-Brown準(zhǔn)則考慮了節(jié)理裂隙對巖體強(qiáng)度的影響，E.Hoek等[8]對廣義非線性Hoek-Brown準(zhǔn)則與直線型M-C準(zhǔn)則的擬合與換算關(guān)系進(jìn)行了研究，如圖2所示，當(dāng)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(zhǔn)則與等效M-C準(zhǔn)則擬合

(4)

根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則，建立巖體壓拉強(qiáng)度比值關(guān)系，即

(5)

式中，σc為巖體抗壓強(qiáng)度；σt為巖體抗拉強(qiáng)度；mi為巖塊的Hoek-Brown常數(shù)；GSI為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；s、a為取決于巖體特征常數(shù)；D為擾動權(quán)重系數(shù)。

由式(5)可知，當(dāng)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(xué)特性一致，壓拉強(qiáng)度比等于巖塊的Hoek-Brown常數(shù)mi；當(dāng)巖體被存在的節(jié)理裂隙分割時，巖體壓拉強(qiáng)度比相對于完整巖塊將有一定折減，折減系數(shù)為η，與GSI、D相關(guān)。以上參數(shù)可根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]結(jié)合隧道場地綜合條件選取。

1.3 基于破壞區(qū)分布特征的支護(hù)判別標(biāo)準(zhǔn)

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

圖3 隧道滑移破壞區(qū)(λ=1)

當(dāng)隧道開挖后洞周形成拉破壞區(qū)，破壞區(qū)圍巖全部質(zhì)量將由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)。

因此，隧道開挖后，洞周圍巖根據(jù)受力形態(tài)形成了一系列潛在的塌方區(qū)，破壞區(qū)的形成是隧道支護(hù)力的來源，也是需要支護(hù)的對象。

TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[11]、JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)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(wěn)破壞的臨界深度與斷面大小及圍巖條件等有關(guān)，本次做了簡化分析，假設(shè)邊墻破壞區(qū)域的最大深度超過1 m，拱頂破壞區(qū)域的最大深度超過0.5 m，則判定圍巖失穩(wěn)，隧底破壞區(qū)域原則上不會對隧道的穩(wěn)定性帶來影響，不作為失穩(wěn)條件。

研究確定將隧道開挖后邊墻區(qū)域深度大于1 m、拱部深度大于0.5 m破壞區(qū)作為隧道潛在塌方區(qū)域，并將此作為支護(hù)對象?？筛鶕?jù)隧道無支護(hù)開挖后潛在塌方區(qū)域的分布特征對工程支護(hù)方式進(jìn)行分類，如圖4所示。

圖4 隧道支護(hù)方案劃分示意

(1)當(dāng)隧道無潛在塌方區(qū)域時，隧道自穩(wěn)(設(shè)計斷面小于臨界穩(wěn)定斷面)，無需支護(hù)。

(2)拱墻潛在塌方區(qū)域的弧長與總弧長之比小于30%，可采用局部支護(hù)方案。

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

(4)當(dāng)拱墻潛在塌方區(qū)域的弧長與總弧長之比在60%以上時，需采用等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)。

2 計算案例

開挖輪廓面形狀對圍巖穩(wěn)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(jìn)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(wěn)定性與地質(zhì)條件、埋深、斷面形狀和斷面大小等因素強(qiáng)相關(guān)。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(jìn)行研究。

Ⅲ級圍巖物理力學(xué)參數(shù)參考TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)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(xué)參數(shù)取值

2.1 不同開挖跨度影響

以400 m埋深為例，逐漸擴(kuò)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(hù)開挖后的破壞區(qū)范圍與相應(yīng)的支護(hù)方式進(jìn)行分析。

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

圖6 隧道破壞區(qū)分布與跨度關(guān)系

圖7 隧道破壞區(qū)最大深度與跨度關(guān)系

隧道洞周潛在塌方區(qū)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(guān)系如圖8所示，可知：

圖8 洞周潛在塌方區(qū)域比例與跨度關(guān)系

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

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

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

(4)當(dāng)隧道開挖跨度為13.0～15.7 m時，潛在塌方區(qū)域比值介于30%～60%，主要位于側(cè)壁與兩側(cè)拱腰，為滿足經(jīng)濟(jì)性要求，可采用分區(qū)不等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)，重點對破壞區(qū)進(jìn)行加固和支護(hù)。

(5)當(dāng)隧道開挖跨度大于15.7 m，隧道潛在塌方區(qū)域范圍較大，需采用等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)。

2.2 不同隧道埋深影響

當(dāng)不考慮構(gòu)造應(yīng)力場時，隧道埋深增大，自重應(yīng)力越大，隧道開挖后洞周圍巖穩(wěn)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(qū)分布特征，圖10為隧道洞周最大破壞區(qū)深度與埋深的關(guān)系曲線。

圖9 隧道破壞區(qū)分布與埋深關(guān)系

圖10 隧道破壞區(qū)最大深度與埋深關(guān)系

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

圖11 洞周潛在塌方區(qū)域比例與埋深關(guān)系

(1)隧道開挖潛在的塌方區(qū)域比值與隧道開挖跨度近似呈正比關(guān)系；

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

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

(4)當(dāng)隧道埋深為295～450 m時，潛在塌方區(qū)域比值介于30%～60%，主要位于側(cè)壁與兩側(cè)拱腰，為滿足經(jīng)濟(jì)性要求，可采用分區(qū)不等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)，重點對破壞區(qū)進(jìn)行加固和支護(hù)。

(5)當(dāng)隧道埋深大于450 m，隧道潛在塌方區(qū)域范圍較大，占比大于60%，需采用等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)。

3 結(jié)論

基于隧道無支護(hù)開挖后的圍巖破壞區(qū)分布特征，研究了局部支護(hù)和系統(tǒng)支護(hù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)與方法，得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)采用安全系數(shù)法對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，以隧道接近或達(dá)到破壞階段為研究對象，結(jié)構(gòu)接近破壞時，可近似采用無支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行描述。分析隧道無支護(hù)開挖后的圍巖破壞區(qū)并進(jìn)行相應(yīng)分級和適當(dāng)支護(hù)，對于支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)域深度大于1 m、拱部深度大于0.5 m的破壞區(qū)作為隧道潛在塌方區(qū)域，并將此作為支護(hù)對象。

(3)隧道支護(hù)方式劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

①當(dāng)隧道無潛在塌方區(qū)域時，隧道自穩(wěn)(設(shè)計斷面小于臨界穩(wěn)定斷面)，無需支護(hù)；

②拱墻潛在塌方區(qū)域占比小于30%，可采用局部支護(hù)方式；

③拱墻潛在塌方區(qū)域占比在30%～60%時，可采用分區(qū)不等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)；

④當(dāng)拱墻潛在塌方區(qū)域占比在60%以上時，需采用等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)。

(4)研究了隧道斷面大小與埋深2種因素對支護(hù)類別的影響，結(jié)果如下：

①以Ⅲ級圍巖、400 m埋深為基準(zhǔn)，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(wěn)、局部支護(hù)、不等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)、等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)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(zhǔn)，研究隧道埋深影響，圍巖自穩(wěn)、局部支護(hù)、不等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)、等強(qiáng)系統(tǒng)支護(hù)類別劃分的臨界隧道埋深分別為130，295，450 m。