【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(shù)與掌子面推進(jìn)距離間的關(guān)系，形成合理支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法。基于地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果，采用有限差分軟件對(duì)不同圍巖等級(jí)條件下高地應(yīng)力軟巖隧道開挖過程進(jìn)行模擬，分析圍巖位移演化規(guī)律及圍巖安全系數(shù)變化規(guī)律，確定合理支護(hù)時(shí)機(jī)。研究結(jié)果表明：（1）III級(jí)圍巖條件下，圍巖整體位移完成系數(shù)與應(yīng)力釋放率近似呈線性關(guān)系，而IV和V級(jí)圍巖的整體位移完成系數(shù)變化速率則呈現(xiàn)明顯的先增大，后減小的趨勢(shì);（2）各級(jí)圍巖條件下的整體安全系數(shù)演化曲線的變化規(guī)律基本一致，數(shù)值上存在差異;（3）各級(jí)圍巖條件下整體變形趨勢(shì)相同，圍巖條件越差，掌子面前方圍巖的預(yù)收斂變形越明顯;（4）III、IV級(jí)圍巖條件下，合理支護(hù)時(shí)機(jī)分別為掌子面通過目標(biāo)斷面12.5 m，0.5 m，V級(jí)圍巖則需超前支護(hù)確保隧道圍巖穩(wěn)定。研究成果可為高地應(yīng)力軟巖隧道合理的支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】高地應(yīng)力； 安全系數(shù)； 位移完成系數(shù)； 支護(hù)時(shí)機(jī)； 有限差分

【中圖分類號(hào)】U455.7【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

近年來，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(fù)雜不良地層環(huán)境，在復(fù)雜環(huán)境下修建隧道已經(jīng)成為制約工期和工程投資的控制性工程。選擇合理支護(hù)時(shí)機(jī)是此類隧道控制圍巖變形和保證結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵，近年來也成為技術(shù)研究的重點(diǎn)。

目前，針對(duì)高地應(yīng)力條件下軟巖隧道開挖過程中的圍巖變形特征及其支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)機(jī)問題進(jìn)行了大量研究工作。楊鑫等［1］針對(duì)中老鐵路沿線隧道穿越縫合帶出現(xiàn)的大變形問題開展了研究，分析了初期支護(hù)變形破壞特征并提出了相應(yīng)控制措施。劉千里等［2］采用現(xiàn)場測(cè)試分析掌握了高地應(yīng)力軟巖圍巖松動(dòng)圈范圍以及隧道大變形特征。進(jìn)而提出了優(yōu)化斷面形式、超前支護(hù)、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(duì)隧道變形特征、致災(zāi)因素以及力學(xué)破壞模式進(jìn)行了研究，提出了包含掌子面排水、超前支護(hù)等措施在內(nèi)的“內(nèi)外結(jié)合”的主動(dòng)控制理念。譚忠盛等［4］采用室內(nèi)外試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究了軟巖隧道地應(yīng)力環(huán)境、圍巖條件以及隧道變形演化規(guī)律，進(jìn)而提出了優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)形式、更換開挖方法以及調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)等針對(duì)性控制措施。周子寒等［5］基于DP準(zhǔn)則，建立了確定支護(hù)結(jié)構(gòu)體系支護(hù)時(shí)機(jī)的力學(xué)模型，分別對(duì)圍巖級(jí)別、埋深條件下的支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行了計(jì)算分析。

綜上所述，許多學(xué)者對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道的圍巖變形演化規(guī)律和大變形控制措施進(jìn)行了研究。針對(duì)隧道合理支護(hù)時(shí)機(jī)也有一定研究成果，但大多從結(jié)構(gòu)的安全性入手，并未考慮支護(hù)時(shí)機(jī)與圍巖變形趨勢(shì)的互饋關(guān)系?；诖?，本文依托中老鐵路安定隧道開展高地應(yīng)軟弱圍巖條件隧道合理支護(hù)時(shí)機(jī)研究?；谀?庫倫準(zhǔn)則提出評(píng)價(jià)巖體安全狀態(tài)的方法，進(jìn)而建立圍巖安全系數(shù)與支護(hù)時(shí)機(jī)的關(guān)系?；诮Y(jié)合實(shí)測(cè)地應(yīng)力條件，對(duì)不同圍巖等級(jí)隧道合理支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行計(jì)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(yīng)力，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段落占隧道長度的80%，圍巖“強(qiáng)度應(yīng)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(fā)生。為探明圍巖大變形段的地應(yīng)力條件，進(jìn)行了水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量，得到最大和最小水平主應(yīng)力σH和σh分別為25.12 MPa和18.27 MPa。最大水平主應(yīng)力σH均大于計(jì)算垂直應(yīng)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(shì)。

1.2 數(shù)值模型

為了減小荷載邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算模型邊界條件設(shè)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(jù)隧道尺寸及邊界條件建立各計(jì)算工況的模型圖1所示。

在本次的開挖模擬計(jì)算過程中，采用微臺(tái)階法模擬開挖，以1 m為一個(gè)開挖步，臺(tái)階長度為3 m，臺(tái)階同步向前推進(jìn)。按照對(duì)應(yīng)工法的工序開挖、支護(hù)交替，這樣不斷地循環(huán)來模擬整個(gè)隧道的開挖及支護(hù)過程。擬在垂直于隧道軸線、z=25 m處的開挖截面附近對(duì)洞周位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 計(jì)算參數(shù)選取

模擬中的地層參數(shù)按鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的推薦范圍進(jìn)行選取，模擬參數(shù)如表1所示。

2 支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法

2.1 巖體安全系數(shù)評(píng)價(jià)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(shù)的概念見式（1）。

F=H（x）/f（σ）（1）

式中：H為材料參數(shù)，是標(biāo)量的內(nèi)變量χ的函數(shù)；F為安全系數(shù)，F(xiàn)gt;1，表示在屈服面內(nèi)部未屈服，F(xiàn)=1，表示在屈服面上處于臨界狀態(tài)，F(xiàn)lt;l，表示在屈服面外部發(fā)生剪切破壞。

根據(jù)摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，判斷巖體中任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度包絡(luò)線的距離，如圖2所示。

將強(qiáng)度包絡(luò)線向下平移，即對(duì)應(yīng)儲(chǔ)備安全裕度，則基于摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則的安全系數(shù)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(yīng)力軟巖隧道合理支護(hù)時(shí)機(jī)研究

可見，隨掌子面推進(jìn)，目標(biāo)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(shì)。為表征不同圍巖條件下的變形演化規(guī)律，對(duì)變形曲線進(jìn)行歸一化處理，得到位移完成系數(shù)λ。為建立位移完成系數(shù)和圍巖安全系數(shù)的關(guān)系，對(duì)隧道開挖應(yīng)力釋放過程進(jìn)行數(shù)值模擬。得到不同應(yīng)力釋放率對(duì)應(yīng)的圍巖的位移以及安全系數(shù)。

計(jì)算目標(biāo)斷面洞周各圍巖單元的安全系數(shù)，記為F1r，F(xiàn)2r，…，F(xiàn)nr，為消除個(gè)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(yīng)力釋放率（r）下的圍巖整體安全系數(shù)Fr見式（3）。

Fr=F1rF2r…Fnr（3）

分別計(jì)算各應(yīng)力釋放率對(duì)應(yīng)的整體安全系數(shù)，形成應(yīng)力釋放率與安全系數(shù)的關(guān)系曲線，即r-Fr曲線。

同樣，計(jì)算目標(biāo)斷面洞周各圍巖單元的位移完成系數(shù)，記為λ1r，λ2r…λnr，為消除個(gè)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(yīng)力釋放率（r）下的圍巖整體安全系數(shù)λr見式（4）。

λi=λi1λi2…λin（4）

分別計(jì)算各應(yīng)力釋放率對(duì)應(yīng)的整體位移完成系數(shù)，形成應(yīng)力釋放率與位移系數(shù)的關(guān)系曲線，即r-λr曲線。

2.3 合理支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法

合理的支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法應(yīng)根據(jù)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)來確定，因此基于上節(jié)中的圍巖狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，現(xiàn)采用r-曲線（應(yīng)力釋放率vs圍巖整體安全系數(shù)）、r-λ-曲線（應(yīng)力釋放率vs圍巖整體位移完成系數(shù)）、x-λ-曲線（相對(duì)掌子面距離-圍巖整體位移完成系數(shù)）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(shù)F-隨應(yīng)力釋放率r的變化關(guān)系，即r-F-曲線，確定合理的安全系數(shù)臨界值，進(jìn)而通過r-F-曲線確定臨界應(yīng)力釋放率。

（2）獲取圍巖整體位移完成系數(shù)λ-隨應(yīng)力釋放率r的變化關(guān)系，即r-λ-曲線，由r-λ-曲線以及臨界應(yīng)力釋放率確定對(duì)應(yīng)的臨界位移完成系數(shù)。

（3）獲取圍巖整體位移完成系數(shù)λ-與相對(duì)掌子面距離x的變化關(guān)系，即x-λ-曲線，由x-λ-曲線以及臨界位移完成系數(shù)確定對(duì)應(yīng)的相對(duì)掌子面距離x，該x值即為合理支護(hù)位置（時(shí)機(jī)）。

3 計(jì)算結(jié)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(jìn)至距監(jiān)測(cè)斷面25 m處時(shí)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(guī)律，如圖5所示。將圍巖位移轉(zhuǎn)換為整體位移完成系數(shù)可以方便對(duì)比不同圍巖條件下的圍巖變形情況。

可以看出，各級(jí)圍巖條件下整體變形趨勢(shì)相同。當(dāng)掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面-10 m時(shí)，三條曲線基本重合，之后開始出現(xiàn)明顯差異，當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，III級(jí)圍巖已產(chǎn)生的變形量與最終變形量的比值最小，為34.3%，IV級(jí)圍巖、V級(jí)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(yù)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(chǎn)生的位移變量與最終變形量的比值。

3.2 支護(hù)時(shí)機(jī)確定

根據(jù)上述流程，計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，為保證一定安全余量，已將Mohr-Coulomb強(qiáng)度包絡(luò)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(shù)容許值及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力釋放率r作為支護(hù)時(shí)機(jī)的確定依據(jù)，通過應(yīng)力釋放率建立r與x的圖形對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終可以確定對(duì)應(yīng)的支護(hù)施加時(shí)相對(duì)掌子面的距離xs，即支護(hù)最晚施加的位置，見圖6～圖8。

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

4 結(jié)論

本文通過建立圍巖安全系數(shù)與開挖步的關(guān)系，提出了合理支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法。基于地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果，采用有限差分軟件對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道情況下，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)的圍巖條件下合理支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：

（1）III級(jí)圍巖條件下，圍巖整體位移完成系數(shù)與應(yīng)力釋放率近似呈線性關(guān)系，而IV和V級(jí)圍巖的整體位移完成系數(shù)變化速率則呈現(xiàn)明顯的先增大，后減小的趨勢(shì)。

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

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

（4）III級(jí)圍巖自穩(wěn)性好，掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面12.5 m時(shí)是支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)；IV級(jí)圍巖情況下，圍巖自穩(wěn)性差，掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面0.5 m時(shí)之前是支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)；而V級(jí)圍巖條件下，在掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面還有7.5 m時(shí)，安全系數(shù)已不滿足要求。

參考文獻(xiàn)

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［基金項(xiàng)目］高鐵聯(lián)合基金（項(xiàng)目編號(hào)：U1934213）

［作者簡介］馬有良（1972—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殍F路工程施工及建設(shè)管理。

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