王明年，王志龍，桂登斌，張 霄，趙思光，童建軍，劉大剛

（1.西南交通大學(xué)隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

近年來隨著我國(guó)高速鐵路的興起，高速鐵路隧道工程也得到了快速發(fā)展，進(jìn)而為中國(guó)高速鐵路的發(fā)展提供了技術(shù)支撐[1].同時(shí)高速鐵路隧道工程修建技術(shù)的提高對(duì)高速鐵路隧道工程設(shè)計(jì)方法也有了進(jìn)一步的要求，其中洞身支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)隧道工程建設(shè)具有重要的意義.洞身支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)與洞身圍巖壓力的確定有著密不可分的關(guān)系，只有準(zhǔn)確地確定洞身圍巖壓力才能正確地設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù).這樣既保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，又不會(huì)由于安全儲(chǔ)備較大導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性差、資源浪費(fèi)等現(xiàn)象.

圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護(hù)（本文所述支護(hù)結(jié)構(gòu)非特殊說明均代表初期支護(hù)結(jié)構(gòu)）變形破壞的作用力[2].按照圍巖所處狀態(tài)可將圍巖壓力分為松動(dòng)壓力和形變壓力.圍巖出現(xiàn)松動(dòng)或坍塌，并以重力形式作用在支護(hù)上產(chǎn)生的壓力稱為松動(dòng)壓力；圍巖與支護(hù)相互作用、協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生的壓力稱為形變壓力.圍巖產(chǎn)生何種類型的壓力與圍巖所處的狀態(tài)有很大關(guān)系，而圍巖所處狀態(tài)與施工技術(shù)又有較大聯(lián)系.現(xiàn)代隧道施工技術(shù)的重要發(fā)展方向就是將圍巖破壞控制在最小限度范圍內(nèi)，即將圍巖產(chǎn)生的壓力控制為形變壓力[3].

由于隧道施工技術(shù)的進(jìn)步、圍巖補(bǔ)強(qiáng)方法的開發(fā)以及采用大型施工機(jī)械快速施工的要求，特別是高速鐵路的大量修建對(duì)開挖方法的選擇也有了極大的變化.盡可能地選擇大斷面或全斷面開挖的方法已是當(dāng)前隧道施工技術(shù)發(fā)展的潮流[4].而我國(guó)隧道修建技術(shù)正處于機(jī)械化大斷面法施工的初級(jí)階段，在提出Ⅰ型、Ⅱ型兩種機(jī)械化配套模式[5]的同時(shí)，也提出了與大型機(jī)械施工相適應(yīng)的全斷面、微臺(tái)階法施工工法[6].關(guān)于隧道開挖和支護(hù)方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，關(guān)寶樹已在相關(guān)文獻(xiàn)[4,7]中進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并從目前隧道開挖和支護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)分析，建議我國(guó)隧道修建盡可能地采用全斷面一次開挖或少部分的大斷面開挖和支護(hù)方法，減少由于開挖方法對(duì)圍巖造成的擾動(dòng)影響，降低圍巖的松動(dòng)范圍，將圍巖控制在變形階段.

目前我國(guó)高速鐵路隧道洞身支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)仍然主要采用的是《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2016）[8]（《隧規(guī)》）中基于塌方資料建立起來的圍巖松動(dòng)壓力計(jì)算公式.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[9]可知，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與《隧規(guī)》計(jì)算公式計(jì)算值相差較大.雖然《隧規(guī)》中的計(jì)算公式是考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)在建造和使用過程中可能遭遇的最不利圍巖壓力作用的估算值，但根據(jù)本文以下內(nèi)容的分析可知，即便本文測(cè)試數(shù)據(jù)在考慮了一定估算值的條件下，兩者之間仍具有較大的差異.故本文認(rèn)為采用《隧規(guī)》圍巖壓力計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，支護(hù)安全儲(chǔ)備較大.故若采用機(jī)械化大斷面施工時(shí)，圍巖破壞程度控制較好，圍巖處于變形階段，應(yīng)采用形變壓力來進(jìn)行洞身支護(hù)的設(shè)計(jì).

影響形變壓力的因素多種多樣，現(xiàn)階段被大家所認(rèn)可的形變壓力影響因素主要有巖體的力學(xué)性質(zhì)、原巖的應(yīng)力狀態(tài)、地下水、支護(hù)時(shí)間與支護(hù)剛度[10].各影響因素直接或間接與隧道的開挖方法存在一定的相關(guān)性，即開挖方法對(duì)形變壓力的大小也具有一定的影響.開挖方法對(duì)隧道修建的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一方面為施工時(shí)間的長(zhǎng)短，直接體現(xiàn)為支護(hù)施作的及時(shí)與否；另一方面為支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的優(yōu)劣，直接體現(xiàn)為提供支護(hù)力的大小.支護(hù)結(jié)構(gòu)施作的及時(shí)與否與支護(hù)力的大小對(duì)于保證圍巖的穩(wěn)定具有重要的作用.

關(guān)于圍巖形變壓力的研究目前主要集中在理論推導(dǎo)和解析解[11-12]方面，由于推導(dǎo)過程假定條件限制，成果應(yīng)用具有較大的局限性.故依靠實(shí)測(cè)求得的圍巖形變壓力值對(duì)于工程的指導(dǎo)建設(shè)具有重要的參考價(jià)值.李鵬飛等[13-15]均對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖形變壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了研究，但未給出一種定量的圍巖形變壓力計(jì)算方法，較難在工程實(shí)際中得到運(yùn)用.目前關(guān)于隧道開挖方法對(duì)圍巖形變壓力的研究較少.

本文將通過理論分析、文獻(xiàn)調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法分析隧道開挖方法對(duì)圍巖形變壓力的影響.采用國(guó)內(nèi)大量現(xiàn)場(chǎng)圍巖形變壓力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮圍巖級(jí)別、隧道埋深、隧道跨度、隧道開挖方法等因素，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法推導(dǎo)建立一種基于圍巖變形條件下的圍巖形變壓力計(jì)算方法.研究成果可為未來隧道及地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)可有效降低工程造價(jià).

1 隧道開挖方法對(duì)形變壓力的影響

隧道開挖以后，原有的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞，圍巖中應(yīng)力重新分布，在圍巖應(yīng)力條件下，切向應(yīng)力在洞壁附近發(fā)生高度集中，致使這一區(qū)域巖層屈服而進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，進(jìn)入塑性狀態(tài)的圍巖稱為塑性區(qū).塑性區(qū)的出現(xiàn)使應(yīng)力集中區(qū)從巖壁向縱深偏移，當(dāng)應(yīng)力集中的強(qiáng)度超過圍巖屈服強(qiáng)度時(shí)又將出現(xiàn)新的塑性區(qū)，如此逐層推進(jìn)，使塑性區(qū)不斷向縱深發(fā)展，如圖1 所示.假若不采取適當(dāng)支護(hù)措施，臨空塑性區(qū)隨變形的加大而出現(xiàn)松動(dòng)破壞.塑性區(qū)和松動(dòng)區(qū)破壞截然不同，松動(dòng)破壞區(qū)沒有承載能力，而塑性區(qū)具有承載能力.對(duì)于非高應(yīng)力隧道，要保證圍巖具有較強(qiáng)的承載能力就必須及時(shí)的對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，抑制圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)展[3].

圖1 塑性區(qū)發(fā)展演化規(guī)律Fig.1 Development and evolution law of plastic zone

根據(jù)開挖方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，本文將其總結(jié)為

1）支護(hù)整體穩(wěn)定性：全斷面或大斷面開挖方法與分部開挖方法相比，支護(hù)結(jié)構(gòu)一次性封閉成環(huán)、整體性較好、支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高，直接體現(xiàn)為提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支護(hù)力.

2）支護(hù)施作時(shí)間：全斷面或大斷面開挖方法與分部開挖方法相比，施工工序少、各工序間相互影響較小、作業(yè)空間大，極大地減小了隧道支護(hù)施作的時(shí)間.

故本節(jié)將針對(duì)隧道開挖方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的上述兩方面影響展開研究.

1.1 支護(hù)整體穩(wěn)定性

支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性直接體現(xiàn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)提供支護(hù)力的大小，故本文根據(jù)圓形軸對(duì)稱隧道彈塑性理論[16]計(jì)算分析了不同支護(hù)力下，隧道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律，如圖2 所示，圖中：φ為內(nèi)摩擦角；P0為外壓力；c為黏聚力；Pi為支護(hù)對(duì)塑性區(qū)地層的作用力；Rp為塑性區(qū)半徑，如式（1）.

從圖2 中可以看出：Rp隨Pi減小而逐漸增大，襯砌支護(hù)力的大小對(duì)圍巖塑性區(qū)有較大的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性即隧道開挖方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性具有較大的影響；同樣支護(hù)力條件下圍巖的塑性區(qū)半徑隨著圍巖力學(xué)參數(shù)c、φ的變小而逐漸增大.

圖2 塑性區(qū)隨圍巖力學(xué)參數(shù)及支護(hù)力的變化規(guī)律Fig.2 Variation of plastic zone with mechanical parameters and supporting force of surrounding rock

隧道開挖以后，原有的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞，圍巖中應(yīng)力重新分布，切向應(yīng)力增大的同時(shí)徑向應(yīng)力減小，并在洞壁處達(dá)到極限.這種變化促使圍巖向隧道臨空面變形，圍巖本身的裂隙發(fā)生擴(kuò)容和擴(kuò)展，力學(xué)性質(zhì)隨之不斷惡化，如圖3、4 所示.

圖3 巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Full stress-strain curve of rock

圖4 不同階段對(duì)應(yīng)的裂紋情況Fig.4 Cracks at different stages

同時(shí)由于圍巖本身裂隙的發(fā)生和擴(kuò)展，若圍巖處于富水環(huán)境中，隨著裂隙的增大地下水不斷浸入，水巖耦合作用下，圍巖的物理力學(xué)參數(shù)嚴(yán)重降低[17-21]，長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行支護(hù)的情況下圍巖劣化嚴(yán)重，最終導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，如圖5 所示.

圖5 水對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響Fig.5 Influence of water on stability of surrounding rock

由此可見，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性具有重要的影響.支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較高不但可提高圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)還確保了隧道施工的安全.

1.2 支護(hù)施作時(shí)間

影響隧道支護(hù)施作時(shí)間的因素較多，主要表現(xiàn)為圍巖等級(jí)、支護(hù)類型、施工方法、施工技術(shù)、施工管理水平、施工裝備及現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件.關(guān)寶樹[7]通過隧道施工實(shí)例，詳細(xì)地分析了支護(hù)施作時(shí)間與圍巖（變形）穩(wěn)定性的關(guān)系，尤其是在軟弱圍巖中突出強(qiáng)調(diào)了支護(hù)施作及時(shí)與否對(duì)圍巖（變形）穩(wěn)定性具有較大的控制作用.

為統(tǒng)籌分析影響支護(hù)時(shí)間的各因素，本文間接通過開挖月進(jìn)尺來進(jìn)行分析.在《鐵路工程施工組織設(shè)計(jì)指南》[22]中，綜合考慮影響支護(hù)施作時(shí)間因素的情況下，對(duì)鉆爆法施工隧道各級(jí)圍巖的開挖月進(jìn)尺進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并提出了合理的開挖月進(jìn)尺指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn).

然而，近年來我國(guó)隧道修建正向著全工序機(jī)械化大斷面施工技術(shù)的方向發(fā)展，采用全工序機(jī)械化大斷面施工已成為鉆爆法施工隧道技術(shù)的發(fā)展潮流[23-24].故本節(jié)以鄭萬(wàn)高速鐵路湖北段隧道工程為例，分析支護(hù)施作時(shí)間與圍巖形變壓力的大小關(guān)系.

1.2.1 開挖月進(jìn)度分析

鄭萬(wàn)高速鐵路隧道機(jī)械化施工具有配套機(jī)械系統(tǒng)化、規(guī)模大等特點(diǎn).機(jī)械配置包括Ⅰ型機(jī)械化配套和Ⅱ型機(jī)械化配套[23]：Ⅰ型機(jī)械化配套主要包括風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆機(jī)、多功能鉆爆作業(yè)臺(tái)架、混凝土濕噴機(jī)、自行式仰拱棧橋、仰拱縱向滑模、混凝土輸送車和整體移動(dòng)式溝槽模板等；Ⅱ型機(jī)械化配套工作面在Ⅰ型機(jī)械化配套的基礎(chǔ)上增設(shè)2 臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車、1 臺(tái)自行式液壓拱架安裝臺(tái)車、1 臺(tái)防水板作業(yè)臺(tái)車、1 臺(tái)襯砌模板臺(tái)車和1 臺(tái)移動(dòng)式混凝土養(yǎng)生臺(tái)架.隧道全工序機(jī)械配套如圖6 所示.

圖6 隧道全工序機(jī)械化配圖Fig.6 Mechanized layout of the whole process of tunnel

對(duì)鄭萬(wàn)高鐵大型機(jī)械化配套模式下47 個(gè)工區(qū)（Ⅰ型機(jī)械化配套15 座隧道，27 個(gè)工區(qū)；Ⅱ型機(jī)械化配套的12 座隧道，20 個(gè)工區(qū)）開挖月進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與指導(dǎo)性施工組織規(guī)定值進(jìn)行對(duì)比，分析了各級(jí)圍巖月進(jìn)度增長(zhǎng)百分比下的工區(qū)數(shù)占比.《鐵路工程施工組織設(shè)計(jì)指南》[22]對(duì)鉆爆法施工隧道各級(jí)圍巖施工月進(jìn)度作了相關(guān)規(guī)定，本文選取規(guī)定區(qū)間最大值的90%進(jìn)行對(duì)比分析，分別為：Ⅲ級(jí)圍巖為120 m/月、Ⅳ級(jí)圍巖為75 m/月、Ⅴ級(jí)圍巖為45 m/月.大型機(jī)械化配套模式下各級(jí)圍巖月進(jìn)度增長(zhǎng)百分比下的工區(qū)數(shù)占比，月進(jìn)度增量百分比=（機(jī)械化施工月進(jìn)度 ? 指導(dǎo)性施組要求月進(jìn)度）/指導(dǎo)性施組要求月進(jìn)度，如圖7 所示.

由圖7 可知：

圖7 月進(jìn)度增量百分比區(qū)間所含工區(qū)數(shù)量百分比Fig.7 Quantity percentage of works areas in incremental percentage interval of monthly progress

1）大型機(jī)械化配套模式下的隧道開挖月進(jìn)度較指導(dǎo)性施工組織要求有所提升.

2）在Ⅰ型機(jī)械化配套模式下，Ⅲ級(jí)圍巖月進(jìn)度增量百分比小于20%的工區(qū)占100%；Ⅳ級(jí)圍巖月進(jìn)度增量百分比小于20%的工區(qū)占83%，大于20%的工區(qū)占17%；Ⅴ級(jí)圍巖月進(jìn)度增量百分比小于20%的工區(qū)占100%，Ⅰ型機(jī)械化配套模式下，不同圍巖條件施工月進(jìn)度提高主要為指導(dǎo)性施工組織的0～20%.

3）在Ⅱ型機(jī)械化配套模式下，Ⅲ級(jí)圍巖月進(jìn)度增量百分比小于20% 的工區(qū)占57%，大于20%的工區(qū)占43%；Ⅳ級(jí)圍巖月進(jìn)度增量百分比小于20%的工區(qū)占76%，大于20%的工區(qū)占24%；Ⅴ級(jí)圍巖月進(jìn)度增量百分比小于20%的工區(qū)占20%，大于20% 的工區(qū)占80%，在Ⅱ型機(jī)械化配套模式下，較Ⅰ型機(jī)械化配套模式施工進(jìn)度有所提高，且圍巖條件越差隧道機(jī)械化施工月進(jìn)度提高越明顯.

根據(jù)課題組的大量分析及實(shí)際的施工情況，對(duì)大型機(jī)械化配套施工的平均月進(jìn)度進(jìn)行了相關(guān)分析，并通過統(tǒng)計(jì)分析得到大型機(jī)械化施工條件下各級(jí)圍巖的月進(jìn)度建議值，如表1 所示，其中，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的月綜合進(jìn)度較常規(guī)機(jī)械化施工均有一定的提高，月綜合進(jìn)度一般較常規(guī)機(jī)械化快6%～9%左右.

表1 各級(jí)圍巖的綜合月進(jìn)度建議取值（雙線隧道）Tab.1 Recommended value of comprehensive monthly progress m

1.2.2 圍巖形變壓力變化規(guī)律分析

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及文獻(xiàn)調(diào)研，共獲取國(guó)內(nèi)2001—2018 年間修建的54 座隧道、205 個(gè)形變壓力監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)樣本，將樣本按照不同的施工類型、時(shí)間進(jìn)行分類分析，樣本數(shù)據(jù)中大型機(jī)械化配套施工監(jiān)測(cè)斷面占比為53%，常規(guī)施工監(jiān)測(cè)斷面占比為47%，形變壓力樣本數(shù)及平均值如表2 所示.

由表2 可知：樣本數(shù)據(jù)中2015—2018 年與之前的樣本占比近似相等，其中2014 年及之前為常規(guī)施工監(jiān)測(cè)斷面，2015 年及之后為大型機(jī)械化配套施工監(jiān)測(cè)斷面；2000—2010 年間，形變壓力均區(qū)間為116～205 kPa，2010—2015 年間，形變壓力均值區(qū)間減小為99～150 kPa，2018 年形變壓力均值為49 kPa；隨著時(shí)間的推進(jìn)隧道開挖方法不斷改進(jìn)，形變壓力均值下降，可見隧道開挖方法會(huì)對(duì)圍巖形變壓力產(chǎn)生一定影響.

表2 不同年份的形變壓力樣本數(shù)及平均值Tab.2 Sample number and mean deformation load under different time

綜上所述，支護(hù)施作時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)圍巖穩(wěn)定性具有重要的影響.支護(hù)施作時(shí)間短，在保證圍巖穩(wěn)定性的同時(shí)減小了圍巖產(chǎn)生的形變壓力，確保了隧道結(jié)構(gòu)的安全.

2 考慮開挖方法影響的形變壓力計(jì)算方法

2.1 形變壓力計(jì)算公式

王明年等[25]通過大量深埋隧道圍巖形變壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用多元非線性回歸方法，考慮圍巖級(jí)別、隧道跨度、隧道埋深等多因素影響建立了圍巖形變壓力計(jì)算公式，如式（2）所示，壓力分布模式如圖8所示.

圖8 深埋隧道形變壓力計(jì)算圖示Fig.8 Calculation diagram of deformation load of deep buried tunnel

式中：q為豎向形變壓力；γ為圍巖重度（kN/m3），按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003）選取；h為等效形變壓力高度值（m），h=0.33we0.6s，w為隧道跨度修正系數(shù)，w=0.2+0.1B，B為隧道跨度（m），s為圍巖級(jí)別，如Ⅲ級(jí)圍巖s=3，e 為自然常數(shù)，取2.72；e為水平向形變壓力；λ為側(cè)壓力系數(shù)，Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖λ<0.25，Ⅳ級(jí)圍巖λ為0.25～0.50，Ⅴ級(jí)圍巖λ為0.50～1.00.

通過圖8 可知：樣本中有108 個(gè)斷面是在大型機(jī)械化配套大斷面開挖條件下進(jìn)行監(jiān)測(cè)的.為了分析隧道開挖方法與形變壓力之間的關(guān)系，將大型機(jī)械化大斷面開挖與常規(guī)機(jī)械分部開挖隧道斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分開進(jìn)行分析，同時(shí)，也對(duì)比于形變壓力與《隧規(guī)》計(jì)算圍巖壓力的大小關(guān)系.

由于Ⅳ級(jí)圍巖形變壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較多，故以Ⅳ級(jí)圍巖為例分析不同隧道跨度下形變壓力（圍巖壓力）的變化規(guī)律（圖9（a））.同時(shí)，控制隧道跨度不變，分析不同圍巖等級(jí)下形變壓力（圍巖壓力）的變化規(guī)律，如圖9（b）所示.

圖9 形變壓力變化曲線Fig.9 Curves of deformation load

由圖9 可知：

1）考慮隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在建造和使用過程中可能遭遇的最不利荷載作用，常規(guī)機(jī)械化分部開挖隧道形變壓力值較《隧規(guī)》圍巖壓力計(jì)算值小，即便按常規(guī)機(jī)械化施工，采用《隧規(guī)》圍巖壓力值進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)也會(huì)造成安全儲(chǔ)備較大、經(jīng)濟(jì)性差等問題.

2）同一條件下，常規(guī)機(jī)械化施工隧道圍巖形變壓力變化規(guī)律與式（2）計(jì)算值規(guī)律一致，但在數(shù)值上較其計(jì)算值大，隧道開挖方法的差異對(duì)形變壓力有一定的影響.若采用式（2）對(duì)常規(guī)機(jī)械化分部開挖隧道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)造成支護(hù)參數(shù)較小、結(jié)構(gòu)不安全等現(xiàn)象，需對(duì)式（2）進(jìn)行修正.故可在式（2）的基礎(chǔ)上建立考慮隧道開挖方法影響的形變壓力計(jì)算公式.

2.2 考慮隧道開挖方法影響下的形變壓力計(jì)算方法

通過以上分析可知，隧道開挖方法的差異會(huì)導(dǎo)致形變壓力發(fā)生變化，故本文在文獻(xiàn)[25]中原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)其做進(jìn)一步的深度分析，并引入隧道開挖方法影響系數(shù)kc對(duì)式（2）進(jìn)行修正，提出一種考慮kc的形變壓力計(jì)算公式.

通過對(duì)大型機(jī)械化大斷面施工的108 個(gè)實(shí)測(cè)形變壓力值與常規(guī)機(jī)械化分部開挖施工的97 個(gè)實(shí)測(cè)形變壓力值對(duì)比分析可知，不同地質(zhì)條件下隧道開挖方法影響程度不同.

由于影響形變壓力的因素較多，對(duì)單一因素進(jìn)行分析不能體現(xiàn)上述分析得到的結(jié)論.如若同時(shí)建立單一因素下的隧道開挖方法影響系數(shù)，不但會(huì)造成公式形式的復(fù)雜，不利于工程的應(yīng)用，且各因素之間存在關(guān)聯(lián)性，單一因素的隧道開挖方法影響系數(shù)意義較小.由于樣本數(shù)量的限制，對(duì)單一因素進(jìn)行分析時(shí)，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)上將存在較大誤差.

按照圍巖等級(jí)，綜合考慮隧道跨度的影響，計(jì)算不同圍巖等級(jí)下的kc.將同等條件下的常規(guī)機(jī)械化分部開挖方法施工隧道的形變壓力監(jiān)測(cè)值與大型機(jī)械化大斷面開挖方法施工隧道的形變壓力監(jiān)測(cè)值進(jìn)行平均化處理，并將兩者進(jìn)行對(duì)比，如式（3）.

式中：qc為常規(guī)機(jī)械化分部開挖施工隧道的豎向形變壓力均值，kPa.

分析結(jié)果如表3 所示.

表3 不同圍巖等級(jí)下的kcTab.3 kc under different surrounding rock grades

將上述分析得到的kc代入式（2）中進(jìn)行修正，得到考慮隧道開挖方法影響的豎向形變壓力，如式（4）.當(dāng)采用大型機(jī)械化配套大斷面開挖方法施工時(shí)，kc=1.00；當(dāng)采用常規(guī)機(jī)械化分部開挖施工時(shí)，kc=1.00～1.15，根據(jù)圍巖級(jí)別進(jìn)行取值，圍巖級(jí)別越高取值越大.

水平向形變壓力仍采用式（2）進(jìn)行計(jì)算.

由于本文考慮隧道開挖方法影響的形變壓力計(jì)算公式是在式（2）的基礎(chǔ)上建立起來的，故提出計(jì)算公式的使用范圍與其是一致的.即式（4）僅適用于跨度為8～16 m 一般深埋隧道的Ⅲ～Ⅳ級(jí)圍巖形變壓力計(jì)算.本文研究采用的形變壓力值均是施工階段采集的，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的長(zhǎng)期荷載未做進(jìn)一步的分析，故在使用本文提出的圍巖形變壓力進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮施工環(huán)境的復(fù)雜性，并結(jié)合隧道超前支護(hù)、二次襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì).隧道是否采用大型機(jī)械化施工建設(shè)所受影響因素較多，采用大型機(jī)械化大斷面開挖方法施工采用本文提出的式（4）時(shí)，kc可取1.00，即為式（2）；采用常規(guī)機(jī)械化分部開挖方法施工，則可采用本文提出的形變壓力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，kc可根據(jù)實(shí)際情況下的圍巖等級(jí)參照表3 進(jìn)行取值.

3 結(jié) 論

通過理論分析、文獻(xiàn)調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了隧道開挖方法對(duì)圍巖形變壓力的影響，并通過多元非線性回歸方法建立了考慮圍巖級(jí)別、隧道跨度、隧道開挖方法等因素的圍巖形變壓力計(jì)算方法.主要研究結(jié)論如下：

1）隧道開挖方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響主要分為對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的優(yōu)劣和支護(hù)施作時(shí)間長(zhǎng)短的影響.采用大型機(jī)械化大斷面開挖方法，隧道開挖后圍巖穩(wěn)定，產(chǎn)生形變壓力小；采用常規(guī)機(jī)械化分部開挖方法所產(chǎn)生的形變壓力大.

2）大型機(jī)械化配套大斷面施工模式下，施工進(jìn)度較指導(dǎo)性施工組織規(guī)定值有所提高，且圍巖級(jí)別越高提升幅度越明顯.提高施工進(jìn)度的同時(shí)，各級(jí)圍巖的形變壓力值也有所下降，間接地證明了圍巖的形變壓力值與支護(hù)施作時(shí)間具有較大的相關(guān)性，即同樣支護(hù)時(shí)機(jī)下，支護(hù)施作越及時(shí)，圍巖越穩(wěn)定，圍巖產(chǎn)生的形變壓力越小.

3）推導(dǎo)建立了考慮隧道開挖方法影響的形變壓力計(jì)算公式，當(dāng)采用大型機(jī)械化配套大斷面法施工時(shí)，kc=1.00；當(dāng)采用常規(guī)機(jī)械化分部開挖施工時(shí)，kc=1.00～1.15，根據(jù)圍巖級(jí)別進(jìn)行取值，圍巖級(jí)別越高取值越大.由此可知，圍巖等級(jí)越差，受隧道開挖方法的影響越明顯.