童建軍, 劉大剛, 張 霄, *, 王志龍, 趙思光, 李佳旺

(1. 西南交通大學(xué) 交通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)

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及綜合國(guó)力的日益提高，我國(guó)隧道建造技術(shù)發(fā)展迅猛。當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上隧道工程建設(shè)規(guī)模最大、建設(shè)速度最快、地質(zhì)條件最復(fù)雜的國(guó)家。至2019年底，中國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道總長(zhǎng)達(dá)18 041 km，在建鐵路隧道總長(zhǎng)約6 419 km，規(guī)劃鐵路隧道長(zhǎng)約16 326 km[1]。然而，目前我國(guó)隧道施工的機(jī)械化程度較低，主要采用人工分部法施工，其開挖次數(shù)多、施工效率低、勞動(dòng)力需求量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高，且難以適應(yīng)高海拔、高地溫、高寒、缺氧等極端環(huán)境。

為推動(dòng)我國(guó)隧道施工技術(shù)的發(fā)展，提高隧道施工機(jī)械化，2017年5月，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司批準(zhǔn)了《鄭萬(wàn)高鐵大斷面隧道安全快速標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究》科研立項(xiàng)，對(duì)大斷面隧道機(jī)械化施工系列裝備、隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方法、大斷面隧道施工工法及工藝等關(guān)鍵技術(shù)開展系統(tǒng)、深入的研究，目前已在18座隧道(47個(gè)工區(qū))實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化全斷面法施工[2-7]。大斷面隧道機(jī)械化施工主要采用全斷面法[5]，該工法與傳統(tǒng)分部法相比，在掌子面圍巖及洞身圍巖穩(wěn)定性2方面存在較大的差異： 1)隧道掌子面圍巖穩(wěn)定性。全斷面法與分部法相比[2]，掌子面面積大，導(dǎo)致掌子面擠出變形大、圍巖穩(wěn)定性差，合理的超前支護(hù)措施是控制掌子面穩(wěn)定性的有效手段，因此，需研究適應(yīng)于軟弱圍巖隧道全斷面法的超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道掌子面穩(wěn)定性分析及超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法開展了大量的研究工作，提出了多種掌子面穩(wěn)定性分析模型[8-9]，建立了超前管棚力學(xué)分析方法[10]，并開展了注漿加固體強(qiáng)度參數(shù)方面的研究[11]。然而，目前的計(jì)算模型主要針對(duì)單一的超前支護(hù)措施，且尚無(wú)綜合考慮多種加固措施的掌子面穩(wěn)定性分析方法。2)隧道洞身圍巖穩(wěn)定性。與分部法相比，全斷面法具有一次成型、及時(shí)支護(hù)、封閉快速等優(yōu)勢(shì)，減少了洞身段圍巖擾動(dòng)范圍，隧道變形小，圍巖穩(wěn)定性高，支護(hù)結(jié)構(gòu)所受圍巖壓力小[4-6]。因此，全斷面機(jī)械化施工時(shí)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的荷載不是塌方荷載，需要研究形變壓力計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，提出了多種形變壓力計(jì)算方法[12-15]。其中，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果建立的半經(jīng)驗(yàn)形變壓力(圍巖壓力)計(jì)算方法在工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛。然而，國(guó)外常用的隧道形變壓力計(jì)算公式(Q法[12]和RMR法[13])都是基于當(dāng)?shù)氐膶?shí)測(cè)樣本通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法提出的，與各國(guó)施工工法工藝、管理水平等密切相關(guān)，具有區(qū)域性和局限性。因此，國(guó)外的隧道形變壓力計(jì)算公式并不能直接應(yīng)用到我國(guó)，必須廣泛收集實(shí)測(cè)樣本，統(tǒng)計(jì)出適用于我國(guó)隧道工程的形變壓力計(jì)算公式。

為此，本文研究了隧道掌子面圍巖穩(wěn)定性分析方法及形變壓力計(jì)算方法，并提出掌子面超前支護(hù)及洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以期為大斷面隧道機(jī)械化施工支護(hù)體系設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 掌子面圍巖穩(wěn)定性分析方法

相關(guān)研究表明，砂質(zhì)、土質(zhì)圍巖掌子面前方破壞面為直線或?qū)?shù)螺旋形[16-17]。由于目前缺少碎石土、塊石等圍巖掌子面破壞模式方面的研究，因此，將砂質(zhì)、土質(zhì)圍巖掌子面破壞模式應(yīng)用于其他軟弱圍巖(純黏性土不在本文的研究范圍)?；诮?jīng)典棱柱-楔形體模型[18]，提出考慮3種超前支護(hù)措施(超前管棚、掌子面錨桿和掌子面預(yù)注漿)的三維掌子面穩(wěn)定性分析模型，如圖1所示。

(a) 軸測(cè)圖

假設(shè)圍巖為滿足Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的理想剛塑性材料。掌子面受力模式如圖2所示。

θ為破壞面與水平方向的夾角； T為掌子面前方滑動(dòng)面切向摩阻力; Ts為兩側(cè)滑動(dòng)面切向摩阻力; N為前方滑動(dòng)面法向作用力; Fq為圍巖壓力合力; Fw為掌子面滑移體自重; p1為掌子面錨桿支護(hù)力; α1為超前管棚傳力系數(shù)。

根據(jù)極限平衡法，定義隧道掌子面穩(wěn)定系數(shù)

(1)

式中:F1、F2分別為沿掌子面前方滑動(dòng)面方向的抗滑力和下滑力。

根據(jù)掌子面水平、豎向靜力平衡條件，得：

p1+(T+2Ts)cosθ=Nsinθ；

(2)

α1Fq+Fw-(T+2Ts)sinθ=Ncosθ。

(3)

根據(jù)掌子面幾何參數(shù)(如圖1和圖2所示)，得：

Fq=qB(Dcotθ+Le)；

(4)

(5)

式(4)—(5)中：q為圍巖壓力;γ為圍巖重度。

根據(jù)文獻(xiàn)[19]，Ts的計(jì)算公式為

(6)

式中:α2為掌子面預(yù)注漿加固后圍巖黏聚力增大系數(shù)；c為黏聚力;λ為圍巖側(cè)壓力系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角。

為了消去T和Ts，將式(2)乘以sinθ、式(3)乘以cosθ后相加，得

N=(α1Fq+Fw)cosθ+p1sinθ。

(7)

根據(jù)線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，得

(8)

沿滑動(dòng)面切向分解各力，得：

F1=T+2Ts+p1cosθ；

(9)

F2=(α1Fq+Fw)sinθ。

(10)

聯(lián)立式(1)—(10)，得

(11)

其中：

(12)

(13)

β3=cotθ·tanφ;

(14)

(15)

(16)

式(11)—(16)中：Fc為掌子面前方及兩側(cè)滑動(dòng)面黏聚力合力；Fφ為掌子面兩側(cè)摩擦力合力；β1、β2、β3為與φ相關(guān)的系數(shù),為考慮超前支護(hù)措施對(duì)掌子面破壞模式的影響，取0°<θ<90°范圍內(nèi)K的最小值作為掌子面穩(wěn)定系數(shù)；p1、α1、α2的計(jì)算方法及超前支護(hù)體系設(shè)計(jì)流程參考文獻(xiàn)[20]。

2 基于BQ系統(tǒng)的隧道洞身形變壓力計(jì)算方法及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

2.1 BQ系統(tǒng)

在GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[21]中，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ由巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)和巖體完整性指數(shù)(Kv)共同決定?；?53組樣本數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，建立巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的計(jì)算公式為

BQ=100+3Rc+250Kv。

(17)

采用GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[21]對(duì)地下工程巖體進(jìn)行分級(jí)時(shí)，需要對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)進(jìn)行修正。主要修正指標(biāo)有3項(xiàng)，即地下水影響修正系數(shù)(K1)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)(K2)和初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)(K3)。最終，將地下工程巖體基本質(zhì)量[BQ]的計(jì)算公式修正為

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)。

(18)

通過(guò)BQ圍巖分級(jí)系統(tǒng)將我國(guó)巖體基本質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 巖體基本質(zhì)量分級(jí)[21]

2.2 洞身圍巖穩(wěn)定性設(shè)計(jì)模式

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)形變壓力[6]及文獻(xiàn)[22]可知，Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)及部分Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受局部荷載作用較為明顯，Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受拱形荷載作用較為明顯。局部塌方和拱形塌方示意圖見(jiàn)圖3。

(a) 局部塌方 (b) 拱形塌方

故針對(duì)不同圍巖等級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載模式的不同，提出整體形變壓力計(jì)算方法及局部形變壓力計(jì)算方法，并提出對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型。

2.3 整體形變壓力計(jì)算方法及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

本文通過(guò)獲取大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，建立基于BQ值的形變壓力計(jì)算方法。為了保證數(shù)據(jù)的豐富性及分析結(jié)果的合理性，本次樣本除獲取機(jī)械化施工隧道(鄭萬(wàn)高鐵隧道)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外，還收集整理了其他國(guó)內(nèi)較為典型的隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。樣本包括國(guó)內(nèi)44座隧道、205個(gè)斷面形變壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要分布在我國(guó)華北、華中、華東、華南以及西南地區(qū)，具有一定的代表性。通過(guò)多元非線性回歸分析，以GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[21]圍巖BQ值分級(jí)為依據(jù)，提出隧道BQ法形變壓力計(jì)算公式為：

q=0.33γ(0.2+0.1B)exp(-0.006BQ+4.2)。

(19)

e=2.7exp(-0.006 6BQ)q。

(20)

式中：q為豎向形變壓力；e為水平向形變壓力。

為了將提出的BQ法形變壓力計(jì)算公式與RMR系統(tǒng)、Q系統(tǒng)形變壓力計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)BQ、Q、RMR值三者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，建立以BQ值為變量的Q系統(tǒng)、RMR系統(tǒng)形變壓力計(jì)算公式。具體過(guò)程如下：

1)根據(jù)已有研究成果可知，RMR值與BQ值存在如式(21)所示的轉(zhuǎn)化關(guān)系[23]，Q值與RMR值存在如式(22)所示的轉(zhuǎn)化關(guān)系[13]，進(jìn)而可得到Q值與BQ值之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系(見(jiàn)式(23))。

RMR=(BQ-80.79)/6.09。

(21)

Q=exp[(RMR-44)/9]。

(22)

將式(21)代入式(22)，可得

Q=exp[(BQ-348.75)/54.81]。

(23)

2)將RMR系統(tǒng)、Q系統(tǒng)形變壓力計(jì)算公式[12-13]中的RMR值和Q值用BQ值代替，得到以BQ值為變量的RMR系統(tǒng)、Q系統(tǒng)形變壓力計(jì)算公式。

(24)

(25)

式(24)—(25)中：H為隧道埋深；Jr為圍巖節(jié)理粗糙度系數(shù)。

通過(guò)控制變量法，分析對(duì)比了RMR系統(tǒng)、Q系統(tǒng)、BQ系統(tǒng)下形變壓力的變化規(guī)律，分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知： 各形變壓力計(jì)算方法考慮因素不一，變化規(guī)律及量值也存在較大差異；Q系統(tǒng)的形變壓力對(duì)Q值及Jr較為敏感，RMR系統(tǒng)的形變壓力計(jì)算方法對(duì)RMR值、隧道埋深及隧道跨度較為敏感，而BQ系統(tǒng)的形變壓力對(duì)BQ值及隧道跨度較為敏感。由于各形變壓力計(jì)算方法均為根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)分析得出，代表了各國(guó)的實(shí)際地質(zhì)環(huán)境及施工技術(shù)情況，可借鑒，但不能直接套用。

對(duì)于Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)軟弱圍巖，噴射混凝土和圍巖之間的黏著力較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)一般受徑向均布荷載作用，此時(shí)，可以按整體計(jì)算模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。模型中噴射混凝土可以作為梁?jiǎn)卧鶕?jù)圍巖條件確定荷載大小，考慮到噴射混凝土與圍巖有一定的黏著力，采用徑向、切向彈簧來(lái)模擬噴射混凝土與圍巖之間的抗拉、抗剪作用。整體支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型如圖5所示。根據(jù)以上整體計(jì)算模型，可以計(jì)算獲得梁?jiǎn)卧獌?nèi)力、彈簧抗力等。對(duì)于梁?jiǎn)卧鶕?jù)內(nèi)力計(jì)算出梁?jiǎn)卧踩禂?shù)，據(jù)此可以判定梁?jiǎn)卧陌踩裕⑦M(jìn)行噴射混凝土厚度設(shè)計(jì)。

(a) 形變壓力隨BQ值的變化規(guī)律

圖5 整體支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

2.4 局部形變壓力計(jì)算方法及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)形變壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于整體形變壓力計(jì)算公式，建立了局部形變壓力計(jì)算方法。

(26)

(27)

q局=ηq徑。

(28)

式(26)—(28)中：η為局部最大荷載(qmax)與徑向均布荷載(q徑)的比例系數(shù)，可由統(tǒng)計(jì)分析得到；l為荷載作用范圍;q局為局部荷載。

對(duì)于Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖，噴射混凝土能夠與圍巖壁面大面積黏附，是一種有效的支護(hù)手段，其作用主要來(lái)自噴射混凝土與圍巖壁面的黏著力所產(chǎn)生的抗剪阻力，由此建立局部計(jì)算模型，如圖6所示。模型中，噴射混凝土可以作為梁?jiǎn)卧?，根?jù)圍巖條件確定荷載大小和作用范圍，考慮到噴射混凝土與圍巖有較強(qiáng)的黏著力，荷載作用范圍外的兩端一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，可以采用徑向、切向彈簧來(lái)模擬噴射混凝土與圍巖之間的抗拉、抗剪作用，最外端可按固定支座處理。

圖6 局部支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

3 工程應(yīng)用

鄭萬(wàn)高鐵湖北段是我國(guó)高速鐵路隧道全地質(zhì)(Ⅱ—Ⅴ級(jí)圍巖)、全斷面實(shí)施機(jī)械化施工的先行者，目前已在18座隧道(47個(gè)工區(qū))實(shí)現(xiàn)了大型機(jī)械化全斷面工法，相關(guān)研究成果[2-6]為我國(guó)隧道工程施工技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.1 鄭萬(wàn)高鐵隧道掌子面超前支護(hù)參數(shù)

基于本文的超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法，提出鄭萬(wàn)高鐵隧道掌子面超前支護(hù)參數(shù)(見(jiàn)表2)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)1 115個(gè)掌子面的系統(tǒng)應(yīng)用，證明了該參數(shù)的合理性及本文設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性。其中，圍巖力學(xué)參數(shù)取值參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]，工法說(shuō)明參考文獻(xiàn)[5]。

表2 鄭萬(wàn)高鐵隧道掌子面超前支護(hù)參數(shù)

3.2 鄭萬(wàn)高鐵隧道初期支護(hù)參數(shù)

基于本文建立的隧道洞身形變壓力計(jì)算方法(BQ法)及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(荷載-結(jié)構(gòu)模型)，提出鄭萬(wàn)高鐵隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)(見(jiàn)表3)，初期支護(hù)安全系數(shù)如表4所示。最終將該洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)用到鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道群中，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)13座隧道、101個(gè)監(jiān)測(cè)斷面結(jié)構(gòu)受力、結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知各監(jiān)測(cè)斷面均處于安全狀態(tài)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提隧道洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的合理性。其中，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)取值參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]。

表3 鄭萬(wàn)高鐵隧道初期支護(hù)參數(shù)

表4 初期支護(hù)安全系數(shù)

4 結(jié)論與討論

本文提出了一種考慮超前管棚、掌子面錨桿、掌子面預(yù)注漿等3種加固措施的隧道超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法?；谛巫儔毫ΜF(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合推導(dǎo)了基于BQ系統(tǒng)的形變壓力計(jì)算公式，建立了洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，并通過(guò)工程應(yīng)用證明了本文設(shè)計(jì)方法的合理性。然而，仍存在以下問(wèn)題：

1)為了簡(jiǎn)化計(jì)算方法，掌子面穩(wěn)定性分析模型中的各子部分均采用了一些假設(shè)條件，且部分假設(shè)條件難以驗(yàn)證，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差難以估計(jì)；因此，在今后的研究中需要減少假設(shè)條件，建立更為合理的計(jì)算模型。

2)形變壓力與圍巖應(yīng)力狀態(tài)、時(shí)間、支護(hù)剛度等因素相關(guān)，但由于測(cè)試數(shù)據(jù)的局限性，本文并未考慮時(shí)間和支護(hù)剛度的影響；因此，在今后的研究中需要更廣泛地開展形變壓力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，進(jìn)一步完善形變壓力計(jì)算公式。

3)本文提出的形變壓力整體及局部計(jì)算模式，為與現(xiàn)存支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)檢驗(yàn)方法相配套，近似地采用了松動(dòng)壓力的計(jì)算模式，且其中的相關(guān)計(jì)算參數(shù)做了一定的簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差；因此，在今后的研究中應(yīng)進(jìn)行深入分析，減少相關(guān)假設(shè)條件，建立更合理的計(jì)算模型。