高原鐵路極高地應(yīng)力環(huán)境隧道主動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)方法研究

田四明，吳克非，劉大剛，王明年，王志龍，董宇蒼

(1.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司， 北京 100038；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.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)

隨著我國(guó)鐵路交通建設(shè)的發(fā)展，大量交通隧道的涌現(xiàn)，促使我國(guó)隧道修建技術(shù)上取得了較大進(jìn)步。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)鐵路隧道工程發(fā)展尤為迅猛，出現(xiàn)了較多復(fù)雜地質(zhì)隧道工程，如高海拔、高地溫、高地應(yīng)力等，施工技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，我國(guó)隧道工程在理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)方法方面也取得了較大顯著的成就，為隧道工程的安全建設(shè)提供了有力的理論、技術(shù)支撐。

2017年以來(lái)，以鄭萬(wàn)高鐵湖北段工程為代表的鉆爆法隧道全工序機(jī)械化施工拉開(kāi)帷幕，并通過(guò)鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道工程的實(shí)踐和科研在大型機(jī)械裝備配套、施工工法工藝、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及信息化管理方面取得進(jìn)一步突破[1]。但隨著高原鐵路隧道的修建，對(duì)隧道建造理論及施工技術(shù)的要求逐步上升，尤其是高原地質(zhì)條件極高地應(yīng)力環(huán)境隧道的修建，缺乏相關(guān)的支護(hù)設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法，故本文結(jié)合我國(guó)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，對(duì)高原地質(zhì)條件極高地應(yīng)力環(huán)境隧道設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法展開(kāi)了研究。

1 鉆爆法隧道設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

1.1 設(shè)計(jì)理論

鑒于隧道工程地質(zhì)的復(fù)雜性及不確定性，以及工程技術(shù)手段的不斷革新與進(jìn)步，隧道設(shè)計(jì)理論一直處于發(fā)展過(guò)程中。以支護(hù)結(jié)構(gòu)(支護(hù)和襯砌)為對(duì)象的設(shè)計(jì)理論為例，其發(fā)展過(guò)程大致可以分為荷載-結(jié)構(gòu)理論模式以及圍巖-結(jié)構(gòu)理論模式兩個(gè)階段[2-3]。

初期階段按地面結(jié)構(gòu)處理，襯砌視為結(jié)構(gòu)，圍巖視為荷載，按地面結(jié)構(gòu)采用靜力學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即荷載-結(jié)構(gòu)理論模式階段。至今，荷載-結(jié)構(gòu)理論模式仍然是隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方法，其關(guān)鍵是對(duì)荷載的處理。初期階段襯砌按拱形構(gòu)造只考慮主動(dòng)荷載(松弛荷載)作用，沒(méi)有考慮圍巖的約束作用(彈性抗力)。因此，隧道理論的研究，把重點(diǎn)放到荷載的研究上。

從19世紀(jì)開(kāi)始，對(duì)決定隧道設(shè)計(jì)荷載的研究，出現(xiàn)許多不同的觀點(diǎn)，其中主要有以松弛高度決定的荷載；根據(jù)圍巖平衡決定的荷載；松弛圍巖和結(jié)構(gòu)物下沉之差決定的荷載；考慮側(cè)壓、底鼓決定的荷載；圍巖分級(jí)決定的荷載。

隨著研究的不斷深入，證實(shí)了圍巖荷載不僅與圍巖性質(zhì)有關(guān)，而且與支護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)也有密切關(guān)系，即圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有約束作用。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，隧道襯砌設(shè)計(jì)不僅考慮了主動(dòng)荷載也考慮約束作用產(chǎn)生的被動(dòng)荷載(彈性抗力)的作用，荷載-結(jié)構(gòu)理論模式得到了重大發(fā)展。

從19世紀(jì)開(kāi)始，隨著巖體力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈塑性力學(xué)以及計(jì)算技術(shù)等的發(fā)展，對(duì)隧道承受的荷載本質(zhì)的認(rèn)識(shí)也發(fā)生了根本的變化。理論證實(shí)，隧道承受的不是松弛荷載，而是支護(hù)與周邊圍巖相互作用的結(jié)果(或稱為形變荷載)。荷載大小及其分布、歷時(shí)變化等都與圍巖和支護(hù)的相互作用息息相關(guān)，不是確定而是變化的，也是可以控制的。在此基礎(chǔ)上，以圍巖為重點(diǎn)的圍巖-結(jié)構(gòu)理論模式得到了快速發(fā)展。此理論模式的重點(diǎn)是把圍巖作為承載的主體，以研究開(kāi)挖后的圍巖動(dòng)態(tài)和圍巖與支護(hù)的相互作用為對(duì)象形成的理論體系。

1.2 設(shè)計(jì)方法

山嶺隧道的設(shè)計(jì)方法，基本上分為預(yù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)兩大類，預(yù)設(shè)計(jì)方法主要包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法、類比設(shè)計(jì)方法、解析設(shè)計(jì)方法，其中采用最多的是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法。隨著隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的不斷完善，隧道襯砌標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)也得到迅速發(fā)展，相繼制定出一般地區(qū)襯砌、偏壓襯砌、斜交洞口襯砌、拱形明洞襯砌等一系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖，基本上滿足了隧道襯砌設(shè)計(jì)的需求。這方面的經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越豐富，標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容也更加合理、適用。

在施工設(shè)計(jì)中，由于數(shù)值解析方法以及計(jì)算機(jī)的高性能化，解析方法獲得一定的發(fā)展，用以核查圍巖動(dòng)態(tài)及驗(yàn)證支護(hù)效果等。一般主要采用的解析設(shè)計(jì)方法有理論解析方法、有限單元解析方法、構(gòu)造解析方法。

隧道設(shè)計(jì)理論和方法仍在發(fā)展中，今后，在我國(guó)大量修建隧道工程的基礎(chǔ)上，不斷完善圍巖-結(jié)構(gòu)模式，依然是重要的任務(wù)。

2 高能地質(zhì)環(huán)境隧道設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)展

隨著西南艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路的大規(guī)模建設(shè)，隧道環(huán)境條件愈加復(fù)雜，高能地質(zhì)環(huán)境隧道逐漸增多，高地應(yīng)力軟巖大變形問(wèn)題、高地應(yīng)力硬巖巖爆問(wèn)題日漸突出。針對(duì)軟巖大變形問(wèn)題，目前蘭渝、成蘭等鐵路建設(shè)雖積累了相關(guān)修建經(jīng)驗(yàn)，但仍存在大量隧道支護(hù)拆換、甚至多次拆換等問(wèn)題，相關(guān)隧道修建理念及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法尚待深入研究；關(guān)于硬巖巖爆問(wèn)題，隨著桑珠嶺隧道、巴玉等隧道的修建，在巖爆的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)、發(fā)生規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法等方面得到了發(fā)展，但仍未形成系統(tǒng)、成熟的理論和方法。而高原鐵路隧道因其埋深大、構(gòu)造應(yīng)力顯著而形成了復(fù)雜的高能地質(zhì)環(huán)境，給隧道的修建帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，相關(guān)工程案例有一定的借鑒意義，但仍需展開(kāi)深入研究。

2.1 高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法

軟弱圍巖因其自穩(wěn)性較差，易誘發(fā)隧道施工產(chǎn)生過(guò)度變形，導(dǎo)致支護(hù)侵限甚至開(kāi)裂，嚴(yán)重危及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性。

而目前針對(duì)高地應(yīng)力條件下軟巖隧道大變形問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究多數(shù)是基于具體軟巖大變形隧道工程案例，對(duì)大變形隧道的圍巖變形機(jī)理、圍巖穩(wěn)定性及變形控制措施、隧道支護(hù)施工工法的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。雖然通過(guò)大量的研究總結(jié)，積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，但是目前依然缺乏從理論上和軟巖力學(xué)特性等方面系統(tǒng)、全面的研究，高地應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法尚待完善。

2.1.1 設(shè)計(jì)理念

支護(hù)結(jié)構(gòu)可協(xié)助及調(diào)動(dòng)圍巖的承載性能，對(duì)圍巖變形及保證隧道安全性至關(guān)重要[3]。其支護(hù)本質(zhì)即為將隧道開(kāi)挖后的二維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)，起到抑制圍巖松弛、提升圍巖自穩(wěn)性的作用[4]。從支護(hù)效能提升途徑看，主要有三種：①利用支護(hù)構(gòu)件支護(hù)作用，變“被動(dòng)支護(hù)”為“主動(dòng)支護(hù)”，充分調(diào)動(dòng)和發(fā)揮圍巖自支護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)“由圍巖支護(hù)圍巖”的目標(biāo)，軟弱圍巖隧道變形控制中尤為重要；②提升支護(hù)結(jié)構(gòu)自身力學(xué)性能；③主動(dòng)及時(shí)的施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，減少因支護(hù)滯后導(dǎo)致的圍巖變形。

然而現(xiàn)階段對(duì)于軟弱圍巖隧道變形的控制仍然是困擾我國(guó)隧道修建的瓶頸問(wèn)題之一，主要表現(xiàn)為：①重視并強(qiáng)調(diào)支護(hù)的被動(dòng)承載，忽視對(duì)圍巖自支護(hù)能力調(diào)動(dòng)的設(shè)計(jì)理念；②支護(hù)材料力學(xué)性能較低，支護(hù)效能較差；③由施工技術(shù)導(dǎo)致的有效支護(hù)力提供不及時(shí)，圍巖初期變形抑制效果較差。

現(xiàn)如今對(duì)圍巖變形發(fā)生機(jī)制及變形控制技術(shù)的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[5-9]、數(shù)值計(jì)算[10]及理論分析[11-16]，已取得了較為成熟的研究成果。其中肖廣智[17]給出了主動(dòng)控制變形概念，對(duì)主動(dòng)變形控制技術(shù)作了詳細(xì)的分析，證明了修建隧道時(shí)提高圍巖承載性能的重要性，但未形成相應(yīng)的隧道主動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)理念。

2.1.2 設(shè)計(jì)方法

根據(jù)支護(hù)施作部位，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為超前支護(hù)設(shè)計(jì)與洞身支護(hù)設(shè)計(jì)兩部分。

2.1.2.1 超前支護(hù)設(shè)計(jì)

掌子面的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。為了防止掌子面破壞，需要對(duì)掌子面進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，故國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了較多的理論和數(shù)值模型來(lái)預(yù)測(cè)掌子面需要的支撐力。其中，使用較多的為極限平衡法和極限分析法、滑移線法。Leca等[18]構(gòu)造了隧道掌子面三維破壞模式，確定了隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定的最大及最小支護(hù)力。Spencer等[19]將破壞準(zhǔn)則與應(yīng)力平衡條件相結(jié)合，形成該極限狀態(tài)的控制方程。陳崢等[20]建立了超前支護(hù)作用下截錐體、對(duì)數(shù)螺旋線共同破壞模型，推導(dǎo)出了隧道穩(wěn)定安全系數(shù)的目標(biāo)函數(shù)。此外，還采用物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了隧道掘進(jìn)引起的掘進(jìn)掌子面失穩(wěn)和地表沉降。大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究都是關(guān)于微隧道的，由于尺寸效應(yīng)，只能定性地洞察。Chambon等[21]在離心分離機(jī)中，利用小尺度模型可以研究在砂土中接近破壞時(shí)隧洞掌子面的行為，給出了各種情況下(砂土密度、隧道相對(duì)于地面的位置)極限支護(hù)壓力的數(shù)值，根據(jù)極限計(jì)算模型，這些數(shù)值都很低，而且崩塌是突然的。根據(jù)隧道不同的埋深，描述了破壞區(qū)的幾何形狀。Lee等[22]通過(guò)一系列離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)調(diào)查了隧道模型地表沉降槽、隧道穩(wěn)定性和在軟弱黏土隧道開(kāi)挖過(guò)程的成拱效果，通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)用成拱率來(lái)描述隧道上體周圍成拱效果，并得出單孔和雙孔平行隧道成拱的單元邊界，并采用正負(fù)成拱率來(lái)描述成拱效果。

綜上分析，對(duì)掌子面穩(wěn)定性及超期支護(hù)設(shè)計(jì)研究已有較為成熟的研究成果，但是對(duì)于高地應(yīng)力軟巖掌子面的穩(wěn)定性及超前支護(hù)設(shè)計(jì)的研究則較少。

2.1.2.2 洞身支護(hù)設(shè)計(jì)

目前關(guān)于洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法均為基于荷載-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與地層-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論建立起來(lái)的，主要可分四種，即工程經(jīng)驗(yàn)類比法、荷載-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法、地層-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法以及信息化設(shè)計(jì)法。

(1)工程經(jīng)驗(yàn)類比法

工程經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)法是通過(guò)對(duì)具有類似圍巖條件、斷面形式、使用功能的既有隧道工程案例的綜合分析，開(kāi)展新建隧道設(shè)計(jì)的方法。而工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)為新建隧道圍巖條件的確定，這是決定隧道支護(hù)參數(shù)合理性的關(guān)鍵。因此，圍巖分級(jí)系統(tǒng)的建立是各國(guó)關(guān)于工程經(jīng)驗(yàn)類比法研究的重點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外常用的圍巖分類分級(jí)體系有：挪威的Q系統(tǒng)(圖1，ESR為開(kāi)挖安全率)、南非的RMR系統(tǒng)、RMi系統(tǒng)、GSI系統(tǒng)以及我國(guó)圍巖分級(jí)方法等。

圖1 基于巖體質(zhì)量分類(Q系統(tǒng))的永久支護(hù)(單位：m)

(2)荷載-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法

荷載-結(jié)構(gòu)法由于其計(jì)算簡(jiǎn)便、設(shè)計(jì)原理明確的優(yōu)勢(shì)，在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖2。目前，眾多學(xué)者針對(duì)隧道所處的不同地質(zhì)條件，給出了較為通用的圍巖荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)模型及相應(yīng)的荷載計(jì)算方法，其中較為典型的計(jì)算方法有總安全系數(shù)法、基于復(fù)合圍巖荷載效應(yīng)建立的荷載計(jì)算方法等。

圖2 荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

(3)地層-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法

地層-結(jié)構(gòu)法與荷載-結(jié)構(gòu)法不同之處在于：荷載-結(jié)構(gòu)法以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載；而圍巖-結(jié)構(gòu)法則相反，該法視圍巖為承載主體，支護(hù)結(jié)構(gòu)則起到約束圍巖變形的作用。地層-結(jié)構(gòu)法是一種連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法見(jiàn)圖3，該方法考慮了圍巖的自承能力，圍巖作為連續(xù)介質(zhì)既傳遞荷載又提供支承作用[23]。該方法主要具有以下特點(diǎn)：能反映初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；能反映隧道開(kāi)挖和支護(hù)對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的影響；能考慮圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的非線性特征。

圖3 地層-結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)

地層-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法的主要設(shè)計(jì)流程為根據(jù)巖體力學(xué)、彈塑性力學(xué)原理，基于地層-結(jié)構(gòu)理論，在給定邊界和初值條件下，用數(shù)學(xué)解析的方法對(duì)隧道力學(xué)行為進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，以達(dá)到隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。解析設(shè)計(jì)法根據(jù)求解隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力方式不同，又分為封閉解法和數(shù)值近似解法。

(4)信息化設(shè)計(jì)法

隧道信息化設(shè)計(jì)法是通過(guò)施工中的大量信息來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，并獲得最佳設(shè)計(jì)參數(shù)的一種方法，也可稱為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)法或動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法，其設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖4。

圖4 隧道工程信息化設(shè)計(jì)方法

信息化設(shè)計(jì)方法不僅包含施工預(yù)設(shè)計(jì)，同時(shí)也涵蓋了施工過(guò)程中的修正設(shè)計(jì)，形成了完整的設(shè)計(jì)過(guò)程。從信息化設(shè)計(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，一項(xiàng)完善的設(shè)計(jì)應(yīng)該包括：編制符合圍巖條件的隧道支護(hù)體系；制定合理的量測(cè)方法監(jiān)控隧道支護(hù)體系力學(xué)行為；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)選擇合理的支護(hù)措施和施工方法。

綜上分析，目前已有的隧道洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法多數(shù)是基于常規(guī)地應(yīng)力和地層條件形成的，其主要適用于常規(guī)地層，且并未考慮圍巖的自身承載作用；而針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)方法較少，目前僅有通過(guò)對(duì)已有軟巖大變形隧道工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，形成的一套基于工程經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，尚無(wú)從理論上考慮軟巖力學(xué)特性的隧道洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

2.2 高地應(yīng)力硬巖隧道設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法

2.2.1 設(shè)計(jì)理念

目前關(guān)于巖爆的研究主要集中在巖爆的機(jī)理研究、預(yù)測(cè)預(yù)警、失穩(wěn)控制等方面。其中，采用合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)是巖爆隧道失穩(wěn)控制的重要內(nèi)容，而關(guān)于這方面的研究相對(duì)較少，同時(shí)也沒(méi)有形成一個(gè)完整的理論體系。

2.2.2 設(shè)計(jì)方法

在巖爆隧道的沖擊荷載和支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，國(guó)內(nèi)均有相應(yīng)的研究。針對(duì)巖爆發(fā)生過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化，陳旭光等[24]開(kāi)展了巖石剪切破壞試驗(yàn)，推導(dǎo)出了巖樣破壞后其能量的釋放值與巖樣總的應(yīng)變能之間的關(guān)系式，研究結(jié)果為巖爆過(guò)程中的量級(jí)與巖石能量釋放值的確定提供了依據(jù)。陳滔等[25]根據(jù)能量守恒原理計(jì)算了發(fā)生礦柱破壞型巖爆時(shí)的巖塊彈射速度，并用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值方法的合理性。針對(duì)巖爆防治，李建高等[26]依托成蘭鐵路平安隧道，提出“防、治、監(jiān)”相結(jié)合的巖爆綜合防治處理技術(shù)。孫楊等[27]從能量出發(fā)，基于巖爆傾向井巷支護(hù)機(jī)理及支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，形成了井巷支護(hù)克服巖爆動(dòng)能的確定方法。汪波等[28]通過(guò)錨桿支護(hù)對(duì)蒼嶺隧道巖爆控制效果的分析，提出了巖爆段隧道錨桿設(shè)計(jì)原則?？梢钥闯?，國(guó)內(nèi)針對(duì)沖擊荷載和巖爆支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究并沒(méi)有很好結(jié)合。我國(guó)主要采用荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[29]，但目前針對(duì)沖擊荷載和巖爆支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究，并沒(méi)有給出作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載大小。支護(hù)結(jié)構(gòu)的確定還是以工程類比為主，對(duì)錨桿等單個(gè)支護(hù)構(gòu)件在巖爆防治中的作用已有相應(yīng)研究，但并沒(méi)有一套系統(tǒng)的定量設(shè)計(jì)方法。

3 高原鐵路高能地質(zhì)環(huán)境隧道設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法

根據(jù)目前已有的地質(zhì)勘測(cè)資料，高原鐵路雅林段隧道穿越砂板巖、泥頁(yè)巖、千枚巖等軟質(zhì)巖段落長(zhǎng)度為444 km(占比53%)，共有39座隧道存在不同程度的軟巖變形問(wèn)題。勘察揭示軟巖隧道實(shí)測(cè)高爾寺隧道最大水平地應(yīng)力為44 MPa，模擬分析預(yù)測(cè)芒康山隧道最大水平地應(yīng)力為58 MPa。由此可見(jiàn)，高原鐵路隧道具有大變形段落長(zhǎng)、地應(yīng)力高的特點(diǎn)，必然導(dǎo)致隧道修建過(guò)程中所面臨的大變形問(wèn)題將更為嚴(yán)峻，而現(xiàn)階段已積累的大變形隧道工程經(jīng)驗(yàn)可能并不能直接適用于地應(yīng)力水平過(guò)高的情況。

高原鐵路雅林段隧道穿越花崗巖、灰?guī)r等硬質(zhì)巖長(zhǎng)度為394 km(占比47%)，共有28座隧道存在不同程度的巖爆問(wèn)題?？辈旖沂旧纠剿淼缹?shí)測(cè)最大水平地應(yīng)力為35 MPa，模擬預(yù)測(cè)拉月隧道最大水平地應(yīng)力為75 MPa?？梢钥闯?，高原鐵路雅林段的地應(yīng)力水平遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有隧道工程，不能再按已有工程進(jìn)行類比設(shè)計(jì)。

鑒于此，基于現(xiàn)有研究成果，結(jié)合工程實(shí)踐，提出隧道主動(dòng)支護(hù)理念及相應(yīng)設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，基于彈塑性理論，考慮掌子面超前加固措施，推導(dǎo)建立了高地應(yīng)力軟弱圍巖超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法；并基于彈塑性理論，考慮軟弱圍巖力學(xué)特性，建立了高地應(yīng)力軟弱圍巖變參數(shù)下洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；基于能量法推導(dǎo)了巖爆隧道的沖擊荷載計(jì)算方法，同時(shí)組合松散荷載，給出了巖爆隧道的荷載計(jì)算模型。

3.1 高原鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道主動(dòng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)理念

軟巖隧道變形主動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)理念主要是通過(guò)主動(dòng)提高圍巖力學(xué)參數(shù)或降低施工對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的損傷影響，并且主動(dòng)及時(shí)地提供有效支護(hù)力，調(diào)動(dòng)圍巖的自穩(wěn)能力，實(shí)現(xiàn)圍巖在支護(hù)中的主體地位，形成圍巖-支護(hù)協(xié)同承載體系，進(jìn)而達(dá)到控制隧道變形的目的。

3.1.2 設(shè)計(jì)原則

軟弱圍巖隧道變形控制的總原則為隧道開(kāi)挖后圍巖變形控制在容許范圍之內(nèi)，即

u≤us

(1)

式中：u為隧道開(kāi)挖后圍巖的總變形量；us為圍巖容許變形量，即圍巖變形的控制標(biāo)準(zhǔn)。

一般地，隧道開(kāi)挖后圍巖的總變形量u，包括掌子面到達(dá)前的變形uf(超前變形，也稱先行位移)，掌子面通過(guò)后量測(cè)開(kāi)始前的變形ui(初始變形)，以及量測(cè)開(kāi)始后的變形um(量測(cè)變形)，即

u=uf+ui+um

(2)

全變形也就是隧道開(kāi)挖后在有支護(hù)條件下的最大可能的變形值u，隧道全變形曲線見(jiàn)圖5，圖5中，D為隧道直徑。

圖5 隧道全變形曲線示意

因此，隧道變形控制的總原則即為支護(hù)設(shè)置后必須把全變形值控制在允許變形值范圍之內(nèi)。由圖5可知，對(duì)于軟弱圍巖的變形控制，可遵循兩部分控制原則。以掌子面為界限，可分為掌子面超前變形控制及洞身收斂變形控制。

數(shù)值計(jì)算及理論分析證明，圍巖變形與圍巖力學(xué)參數(shù)相關(guān)，圍巖變形的增大會(huì)進(jìn)一步劣化圍巖的力學(xué)參數(shù)，其為動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程。及早主動(dòng)地對(duì)圍巖的變形進(jìn)行控制，對(duì)于遏制圍巖力學(xué)參數(shù)的弱化，提高圍巖穩(wěn)定性具有重要的作用[30]。故本文基于收斂約束法，對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道主動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，見(jiàn)圖6。

圖6 不同支護(hù)時(shí)機(jī)下圍巖特征曲線示意

由圖6可知，圍巖的變形與圍巖自身屬性、洞身支護(hù)時(shí)機(jī)、洞身支護(hù)剛度、超前支護(hù)相關(guān)。

不同支護(hù)時(shí)機(jī)，同樣洞身支護(hù)剛度下，最終收斂位移不同。究其原因?yàn)椴煌闹ёo(hù)時(shí)機(jī)導(dǎo)致圍巖地層曲線(u1，u2)發(fā)生變化。支護(hù)早，圍巖力學(xué)參數(shù)降低程度較弱，圍巖變形較小，反之，圍巖變形較大，即uB>uA。而支護(hù)時(shí)機(jī)(sa，sb)與圍巖的超前變形相關(guān)，超前變形與掌子面的穩(wěn)定性相關(guān)，掌子面穩(wěn)定性較好，超前變形較小，反之，超前變形較大。故對(duì)掌子面加固，保證掌子面的穩(wěn)定性對(duì)于洞身收斂變形的控制具有重要意義。由此可知，軟弱圍巖隧道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)包含超前支護(hù)、洞身支護(hù)設(shè)計(jì)兩部分，且兩部分之間應(yīng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合。

3.1.3 設(shè)計(jì)方法

3.1.3.1 超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法

(1)掌子面擠出變形計(jì)算模型

(3)

(4)

(5)

(6)

C=2Nr+k+1。

其中，cp、φp分別為巖石的峰值黏聚力和峰值內(nèi)摩擦角；cr、φr分別為巖石的殘余黏聚力和殘余內(nèi)摩擦角；E為巖石彈性模量；v為巖石泊松比。

(2)掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

根據(jù)掌子面擠出變形計(jì)算模型，計(jì)算掌子面擠出變形量u0，定義掌子面穩(wěn)定性系數(shù)K為

(7)

式中：uk為掌子面擠出變形控制基準(zhǔn)；[K]為掌子面穩(wěn)定性控制安全系數(shù)控制值，參考GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》[32]取[K]=1.15。

關(guān)于掌子面擠出變形量控制基準(zhǔn)目前鐵路隧道并未有相應(yīng)的控制說(shuō)明，本文依據(jù)文獻(xiàn)[14]提出的掌子面擠出變形量控制基準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1，后期研究中可根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行修正。

表1 鐵路隧道掌子面擠出變形控制基準(zhǔn)

(3)加固掌子面擠出變形計(jì)算模型

根據(jù)掌子面開(kāi)挖后圍巖所處狀態(tài)、塑性區(qū)范圍、加固區(qū)范圍的不同，本文建立了掌子面加固后擠出變形三種計(jì)算模式。

加固后掌子面擠出變形計(jì)算式為

(8)

當(dāng)RL>Rp時(shí),加固后掌子面擠出變形計(jì)算式為

(9)

當(dāng)RL

(10)

式中：A*、B*、T*、C*為圍巖加固后等效替換公式，并無(wú)具體含義。

圖7 掌子面擠出變形計(jì)算模式

(4)超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法

合理確定超前支護(hù)類型及參數(shù)對(duì)于保證隧道掌子面穩(wěn)定性具有重要的意義，本文考慮掌子面錨桿、掌子面注漿兩種超前支護(hù)類型，制定掌子面超前支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

①掌子面錨桿設(shè)計(jì)方法

本文使用均勻化方法研究掌子面錨桿對(duì)掌子面的加強(qiáng)作用。均勻化方法中等效材料的強(qiáng)度參數(shù)受圍巖參數(shù)和錨桿參數(shù)的共同影響，假設(shè)掌子面錨桿呈梅花形布置，見(jiàn)圖8。由圖8可知，錨桿間距為sl，錨桿半徑rb，參考文獻(xiàn)[33]中的錨桿密度參數(shù)，本文定義錨桿密度因子α為

(11)

式中：η為錨桿和巖石之間的摩阻系數(shù)。

圖8 掌子面錨桿加固示意

同理，等效材料的彈性模量受巖體彈性模量和錨桿彈性模量的共同影響，根據(jù)圖8中的截面積所占比重得出等效材料的彈性模量為

(12)

假設(shè)巖石和錨桿的復(fù)合巖體，仍然服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，最終得到強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算表達(dá)式為

(13)

式中：c*、φ*為加固后圍巖強(qiáng)度參數(shù)。

② 掌子面注漿設(shè)計(jì)方法

掌子面預(yù)注漿后，通過(guò)增強(qiáng)圍巖力學(xué)參數(shù)可有效提高掌子面穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)[34]，注漿對(duì)圍巖的黏聚力、彈性模量有所提高，而對(duì)圍巖內(nèi)摩擦角影響較小，掌子面注漿加固見(jiàn)圖9。

圖9 掌子面注漿加固示意

采用體積等效法，得出注漿加固后圍巖黏聚力、彈性模量計(jì)算式為

(14)

表2 土質(zhì)和巖質(zhì)地層注漿填充率

(5)掌子面超前支護(hù)設(shè)計(jì)流程

采用上述掌子面超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)掌子面超前支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，掌子面超前支護(hù)設(shè)計(jì)流程，見(jiàn)圖10。

圖10 掌子面加固設(shè)計(jì)流程

(6)算例分析

以V級(jí)圍巖為例，隧道半徑為7.5 m，原巖應(yīng)力為15 MPa，對(duì)掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)并進(jìn)行相關(guān)超前支護(hù)設(shè)計(jì)，相關(guān)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3 。

表3 計(jì)算參數(shù)

① 初始開(kāi)挖掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

利用掌子面擠出變形計(jì)算式(5)計(jì)算掌子面擠出變形量為119 mm，結(jié)合式(7)判斷掌子面無(wú)超前支護(hù)時(shí)掌子面安全系數(shù)為0.84，K<[K]，則掌子面不穩(wěn)定，需要采用超前支護(hù)措施。

② 掌子面加固措施及參數(shù)選取。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)初步選擇超前支護(hù)措施組合及參數(shù)，根據(jù)超前支護(hù)加固圍巖力學(xué)參數(shù)等效計(jì)算式(13)、式(14)，計(jì)算加固后圍巖力學(xué)參數(shù)值，超前支護(hù)參數(shù)(掌子面錨桿)見(jiàn)表4。

表4 掌子面錨桿參數(shù)

③ 加固掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

利用加固掌子面擠出變形計(jì)算式(8)、式(9)計(jì)算掌子面擠出變形量為82 mm，結(jié)合式(9)判斷掌子面超前支護(hù)加固后掌子面安全系數(shù)為1.22，K>[K]，則掌子面穩(wěn)定，支護(hù)參數(shù)合理。

3.1.3.2 洞身支護(hù)設(shè)計(jì)方法

(1)圍巖地層曲線計(jì)算方法

①高地應(yīng)力典型軟巖變形力學(xué)特性

典型軟巖(千枚巖、板巖)的物理特性與其所受的圍壓密切相關(guān)，不同圍壓條件下軟巖物理特性差異較大，主要表現(xiàn)形式就是彈性模量及泊松比的參數(shù)差異。根據(jù)文獻(xiàn)[36-37]針對(duì)千枚巖與板巖的三軸試驗(yàn)結(jié)果，給出了不同圍壓條件下千枚巖與板巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖11。

圖11 不同圍巖條件下千枚巖與板巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖11可知，軟巖由于原生孔隙或裂隙(統(tǒng)稱為空隙)較多，在逐漸增大的圍壓作用下，由于空隙不斷閉合而使剛度呈逐漸增大趨勢(shì)。即軟巖剛度(彈性模量E)對(duì)圍壓較為敏感，隨圍壓增大，呈逐漸增大趨勢(shì)，即

E=f(σ3)

(15)

而根據(jù)大量千枚巖、板巖三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圍壓對(duì)典型軟巖泊松比影響較小，不同圍壓條件下軟巖泊松比量值差異不大，且量值較為集中。因此，在巖土、地下工程計(jì)算分析中可將軟巖泊松比視為常數(shù)，不隨圍壓改變而變化，其量值等于單軸條件下軟巖泊松比。

②高地應(yīng)力典型軟巖強(qiáng)度特性

大量的巖石力學(xué)試驗(yàn)證明巖石破壞模式主要為剪切破壞，在巖石力學(xué)計(jì)算分析中亦通常假定巖石破壞(屈服)強(qiáng)度由巖石剪切強(qiáng)度控制。在τ-σ平面中繪制不同圍壓下莫爾圓，同時(shí)根據(jù)Mohr強(qiáng)度理論，繪制Mohr強(qiáng)度包絡(luò)線，從而分析不同圍壓條件下軟巖剪切強(qiáng)度變化規(guī)律，見(jiàn)圖12。

圖12 典型軟巖剪切強(qiáng)度與Mohr強(qiáng)度包絡(luò)線

由圖12可知，典型軟巖剪切強(qiáng)度參數(shù)隨圍壓的變化而變化，并非定值；隨圍壓增大，摩擦角呈逐漸減小趨勢(shì)；而黏聚力呈逐漸增大趨勢(shì)。

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度中黏聚力和內(nèi)摩擦角的確定方法，這種非線性包絡(luò)線的每個(gè)微段可得到該應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)任意點(diǎn)處巖石瞬時(shí)剪切強(qiáng)度參數(shù)(φi，ci)。故在不同圍壓條件下，典型軟巖的力學(xué)參數(shù)是隨著圍壓變化的，可概化表示為

內(nèi)摩擦角：φ=f(σ3)

(16)

黏聚力：c=f(σ3)

(17)

③隧道開(kāi)挖后洞周圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析

根據(jù)圍巖受力狀態(tài)，圍巖在隧道開(kāi)挖后會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)圍巖分區(qū)，分別為彈性區(qū)、塑性區(qū)。但由于彈性、塑性區(qū)內(nèi)圍巖徑向應(yīng)力持續(xù)變化，從而導(dǎo)致圍巖力學(xué)參數(shù)時(shí)刻發(fā)生改變，若采用傳統(tǒng)理論方法，則無(wú)法得到相應(yīng)的封閉解，針對(duì)塑性區(qū)圍巖，可以將沿徑向方向進(jìn)行分層處理，進(jìn)而采用有限差分方法，對(duì)其進(jìn)行求解。

結(jié)合深埋圓形隧道開(kāi)挖后的基本力學(xué)特征，本文求解過(guò)程，均服從以下基本假定： 圍巖為均質(zhì)各向同性巖體； 圓形隧道處于原巖靜水應(yīng)力場(chǎng)，不考慮巖體自重影響； 隧道開(kāi)挖擾動(dòng)過(guò)程視為平面應(yīng)變問(wèn)題；隧道開(kāi)挖前，圍巖處于三維靜水受壓應(yīng)力狀態(tài)，所受靜水壓應(yīng)力為P0，且圍巖處于彈性狀態(tài)。隧道開(kāi)挖后，將沿隧道縱向方向主應(yīng)力視為巖體中間主應(yīng)力σz。隧道開(kāi)挖半徑處，圍巖徑向應(yīng)力σr與切向應(yīng)力σθ分別為巖體第三主應(yīng)力與第一主應(yīng)力。

基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，采用有限差分法求解出圍巖彈塑性分界處徑向、切向應(yīng)力(σr(1)、σθ(1))，求解表達(dá)式為

(18)

進(jìn)而，將圍巖塑性區(qū)劃分為n層，如圖13所示，采用差分方式進(jìn)行求解，可得到塑性區(qū)內(nèi)任意半徑處ρ(i)圍巖應(yīng)力為

(19)

σθ(i)=Y(i)+(1-N(i))σr(i)

(20)

式中：Δρ為差分步長(zhǎng)；i為第i環(huán)。

圖13 塑性區(qū)圍巖分層示意

(21)

通過(guò)上述的差分求解，可得到不同支護(hù)壓力Pi條件下塑性區(qū)內(nèi)任意層圍巖徑向、切向應(yīng)力。通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可得到任意層處圍巖徑向應(yīng)變?chǔ)舝(i)、切向應(yīng)變?chǔ)纽?i)，從而可得任意層處徑向位移u(n)為

(22)

u(n)=εθ(n)·R

(23)

式中：Kφ為剪脹系數(shù)。

同時(shí)，可得不同支護(hù)力Pi條件下圍巖塑性區(qū)半徑為

(24)

④ 合理性驗(yàn)證分析

為分析考慮與不考慮軟巖非線性變形與強(qiáng)度特性對(duì)圍巖應(yīng)力位移計(jì)算結(jié)果的影響，基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，分別采用考慮與不考慮力學(xué)參數(shù)變化兩種計(jì)算方法計(jì)算不同初始地應(yīng)力條件下圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)范圍以及洞周位移變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖14。

由圖14可見(jiàn)，在圍巖應(yīng)力、位移場(chǎng)及塑性區(qū)計(jì)算中，若不考慮圍巖剪切強(qiáng)度參數(shù)變化，則會(huì)高估圍巖剪切強(qiáng)度，導(dǎo)致所得圍巖塑性區(qū)半徑比實(shí)際值偏小、圍巖切向與徑向應(yīng)力值比實(shí)際值偏大的結(jié)果；若不考慮圍巖變形參數(shù)變化，則會(huì)嚴(yán)重低估圍巖剛度，導(dǎo)致所得隧道洞周位移比實(shí)際值明顯偏大，造成較大計(jì)算誤差。因此，在隧道周邊圍巖彈塑性分析計(jì)算中應(yīng)充分考慮圍巖力學(xué)參數(shù)變化過(guò)程，使計(jì)算過(guò)程更符合實(shí)際、計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖14 計(jì)算結(jié)果

(2)圍巖縱向變形曲線計(jì)算方法

針對(duì)Flac3D軟巖常規(guī)計(jì)算過(guò)程中無(wú)法考慮圍巖力學(xué)參數(shù)變化隨圍壓的變化過(guò)程，基于Fish語(yǔ)言，通過(guò)循環(huán)遍歷迭代算法將圍巖力學(xué)參數(shù)變化模型嵌套進(jìn)Flac3D有限差分計(jì)算過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力計(jì)算分析中圍巖力學(xué)參數(shù)自動(dòng)更新過(guò)程；進(jìn)而，通過(guò)對(duì)采用數(shù)值計(jì)算所得圍巖彈塑性分析結(jié)果與理論計(jì)算方法所得結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了所提出數(shù)值計(jì)算方法的正確性與精確性，見(jiàn)圖15、圖16。

圖15 驗(yàn)證數(shù)值模型示意

圖16 兩種計(jì)算方法圍巖應(yīng)力分布對(duì)比

同時(shí)，基于大量三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖17，采用麥夸特法及通用全局優(yōu)化法對(duì)圍巖縱向變形曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行擬合。擬合過(guò)程中引入了最大塑性區(qū)半徑(Rmax)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)隱式考慮地應(yīng)力及圍巖力學(xué)參等因素的影響。

圖17 數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中塑性區(qū)分布

最終，給出了考慮軟巖變形與強(qiáng)度特性的圍巖縱向變形曲線計(jì)算式為

(25)

(3)支護(hù)特征曲線計(jì)算方法

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)特性通常用支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線(SCC)表示，即支護(hù)結(jié)構(gòu)所提供的支護(hù)反力與其徑向位移的關(guān)系曲線。支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線可以反映支護(hù)結(jié)構(gòu)單元材料特點(diǎn)(如極限荷載、極限約束反力、結(jié)構(gòu)剛度、彈塑性狀態(tài)等力學(xué)特征)。支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線見(jiàn)圖18，以初始應(yīng)力場(chǎng)為靜水壓力場(chǎng)條件下圓形隧道為例，在彈性階段，支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性具有線性特點(diǎn)(見(jiàn)圖18中OA段)，其特征方程為

P=ksu

(26)

式中：P、ks、u分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)反力、結(jié)構(gòu)剛度與徑向位移。

圖18 支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線

但當(dāng)圍巖壓力等于支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的最大約束力時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)(如鋼拱架、錨桿等)由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形(見(jiàn)圖18中AB段)。不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)塑性變形長(zhǎng)度不同，如當(dāng)支護(hù)壓力到達(dá)或超過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載能力時(shí)，鋼拱架會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，但錨桿或噴射混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)過(guò)很短暫的塑性變形階段，而后發(fā)生脆性破壞。

因此，單個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)單元特征曲線通常表達(dá)式為

P=ksu0≤u≤umax

(27)

式中：umax為支護(hù)結(jié)構(gòu)最大徑向位移。

選取隧道工程初期支護(hù)常見(jiàn)的支護(hù)單元，如錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、噴射混凝土及鋼拱架等，根據(jù)其相關(guān)支護(hù)特性，分別給出單一支護(hù)單元和組合支護(hù)體系的特征曲線計(jì)算方法。

① 鋼拱架支護(hù)單元

根據(jù)文獻(xiàn)[38-39]研究成果，鋼拱架剛度Kset為

Kset=

(28)

式中：Est為鋼拱架材料彈性模量；d為鋼拱架的縱向布設(shè)間距；Aset為鋼拱架的橫截面面積；hset為鋼拱架的橫截面高度；θ為鋼拱架連接點(diǎn)夾角；Eblock為木質(zhì)墊塊彈性模量；bblock為木質(zhì)墊塊環(huán)向?qū)挾?；tblock為木質(zhì)墊塊徑向厚度；R0為隧道半徑。

當(dāng)不采用木質(zhì)墊塊時(shí)，式(28)可以簡(jiǎn)化為

(29)

鋼拱架最大支護(hù)力為

(30)

式中：Pmax，set為鋼拱架最大支護(hù)力；σst，y為鋼拱架材料的屈服應(yīng)力。

鋼拱架最大變形量Δuset,max(或稱為彈性階段產(chǎn)生的最大徑向位移)為

(31)

式中：uset，max為鋼拱架最大允許位移；uset，ini為鋼拱架安裝時(shí)位移。

當(dāng)采用木質(zhì)墊塊時(shí)，式(30)可表達(dá)為

(32)

由此，鋼拱架支護(hù)單元特征曲線表達(dá)式為

Pset=ksetΔuset0≤Pset≤Pset,max

(33)

式中：Pset為鋼拱架支護(hù)力；Δuset為鋼拱架徑向變形量。

② 噴射混凝土支護(hù)單元

當(dāng)噴射混凝土厚度大于4%的隧道半徑時(shí)，可將噴射混凝土假設(shè)為彈性厚壁圓筒進(jìn)行計(jì)算，則噴射混凝土剛度為

(34)

式中：kshot為噴射混凝土支護(hù)剛度；Econ、vcon分別為噴射混凝土彈性模量、泊松比；tshot為噴射混凝土厚度；R0為隧道半徑。

噴射混凝土極限承載力Pshot，max為

(35)

式中：σcon為噴射混凝土材料單軸抗壓強(qiáng)度。

噴射混凝土最大變形量Δushot,max(或稱為彈性階段產(chǎn)生的最大徑向位移)為

(36)

式中：ushot，max為噴射混凝土最大允許位移；ushot，ini為噴射混凝土施作時(shí)位移。

由此，噴射混凝土支護(hù)單元特征曲線為

Pshot=kshotΔushot0≤Pshot≤Pmax,shot

(37)

式中：kshot，Pshot，Δushot分別為噴射混凝土剛度、支護(hù)反力、變形量。

③ 錨桿支護(hù)單元

根據(jù)Hoke等[38]給出的錨桿剛度計(jì)算式為

(38)

式中：kbolt為錨桿支護(hù)剛度；Sc為錨桿環(huán)向間距；Sl為錨桿縱向間距；Lbolt為錨桿長(zhǎng)度；dbolt為錨桿直徑；Est為錨桿材料彈性模量；Qbolt為錨固端受力變形常數(shù)，可按照Hoek文獻(xiàn)取值。

錨桿最大支護(hù)力Pbolt，max為

(39)

式中：Tbf為錨桿抗拔試驗(yàn)中最終破壞荷載。

根據(jù)式(38)、式(39)，可得錨桿最大變形量Δubolt,max(或稱為彈性階段產(chǎn)生的最大徑向位移)為

Δubolt,max=ubolt,max-ubolt,ini=

(40)

式中：ubolt，max為錨桿最大允許位移；ubolt，ini為錨桿施作時(shí)允許位移。

由此，錨桿支護(hù)單元特征曲線表達(dá)式為

Pbolt=kboltΔubolt0≤Pbolt≤Pmax,bolt

(41)

式中：kbolt，Pbolt，Δubolt分別為錨桿剛度、支護(hù)反力、變形量。

④ 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護(hù)單元

當(dāng)分析預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索支護(hù)單元時(shí)，首先需要明確預(yù)應(yīng)力的施加并不會(huì)改變錨桿、錨索的剛度和最大支護(hù)力，因?yàn)槠涫怯刹牧媳旧硇再|(zhì)決定的。因此，預(yù)應(yīng)力錨桿(錨索支護(hù)單元)的特征曲線，見(jiàn)圖19。圖19中，Ppre為施加的預(yù)應(yīng)力；u0為施作點(diǎn)位移。

圖19 預(yù)應(yīng)力錨桿(錨索)支護(hù)特征曲線

由圖19可知，錨桿預(yù)應(yīng)力Ppre為

(42)

式中：T0為施加預(yù)應(yīng)力。

預(yù)應(yīng)力錨桿(錨索)最大支護(hù)力，可根據(jù)式(42)計(jì)算。預(yù)應(yīng)力錨桿最大變形量Δu為

(43)

式中：umax為預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索最大允許位移；upre為預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索施作時(shí)位移。

同時(shí)，由式(43)可知，隨著預(yù)應(yīng)力的增大，預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索的允許最大變形量呈減小趨勢(shì)。

實(shí)際隧道工程中，支護(hù)系統(tǒng)往往由多個(gè)支護(hù)單元組成，如錨桿+噴射混凝土共同組成隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，稱之為組合支護(hù)體系。而組合支護(hù)體系總剛度通常以各支護(hù)單元?jiǎng)偠炔⒙?lián)方式計(jì)算，見(jiàn)圖20。

圖20 組合支護(hù)體系剛度示意

則組合支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線表達(dá)式為

(44)

Ptotal=ktotalutotal

(45)

式中：utotal為組合支護(hù)結(jié)構(gòu)變形；Ptotal為組合支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支護(hù)反力；ktoal為組合支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度。

同時(shí)，根據(jù)組合支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定判定原則，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移量應(yīng)為各支護(hù)單元中最小位移量決定，則組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量為

utotal,max=min{ushot,max;ubolt,max}

(46)

(4)隧道洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

隨著巖石力學(xué)、彈塑性理論的不斷發(fā)展，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論也隨之改變，基于該理念，所形成的代表性隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法為收斂約束法或稱特征曲線法，見(jiàn)圖21。

圖21 收斂約束法基本原理示意

根據(jù)所形成的差分計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算不同支護(hù)力Pi條件下洞周位移結(jié)果，即可繪制出考慮應(yīng)力對(duì)圍巖參數(shù)改變的圍巖特征曲線(GRC)，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)特性通常用支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線(SCC)表示，即支護(hù)結(jié)構(gòu)所提供的支護(hù)反力與其徑向位移的關(guān)系曲線，根據(jù)文獻(xiàn)[38-39]研究成果，可以得到鋼拱架、噴射混凝土、錨桿的支護(hù)剛度及極限位移。

對(duì)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)價(jià)，應(yīng)主要考慮兩個(gè)方面：一是支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力方面：要求作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載不能超過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載能力，且具有一定的安全儲(chǔ)備，即支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力控制；二是圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)較大變形，即為變形控制。因此，對(duì)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)，相應(yīng)地，采用兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)與判定。

① 支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力控制通常采用安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的最大抗力與支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到荷載之比。圍巖特征曲線與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線相交于D點(diǎn)(uequ，Pequ)，此時(shí)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)，交點(diǎn)處縱坐標(biāo)Pequ即為支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的荷載量值。同時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的最大抗力為Pcon，lim(R點(diǎn)),安全系數(shù)定義為

(47)

② 圍巖變形控制采用隧道洞周極限位移量作為控制指標(biāo)。由圖21可知，D點(diǎn)為圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)平衡點(diǎn)，其橫坐標(biāo)uequ為圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形后的最終洞周位移，而uequ位移是由掌子面前期位移與隧道開(kāi)挖后產(chǎn)生位移共同組成。在實(shí)際隧道工程建設(shè)中，主要控制隧道開(kāi)挖后洞周位移變化，隧道開(kāi)挖后洞周位移utunnel為

utunnel=uequ-u0

(48)

式中：ulimit可根據(jù)體隧道預(yù)留變形量進(jìn)行確定，或根據(jù)Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》[40]查表得到。

(5)算例分析

以Ⅳ級(jí)圍巖為例，隧道半徑為7.5 m，原巖應(yīng)力為27.5 MPa，主要支護(hù)參數(shù)為R32N自進(jìn)式錨桿，L=4.5 m，間距為1.2 m×1.0 m；噴射混凝土為33 cm，厚C30早高強(qiáng)噴射混凝土[41]。

首先基于不同圍壓條件下炭質(zhì)板巖巖樣的三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得圍巖力學(xué)參數(shù)變化模型，從而得出圍巖特征曲線及掌子面先行位移，進(jìn)而確定洞身支護(hù)時(shí)機(jī)，計(jì)算得到掌子面先行位移為10.22 cm，見(jiàn)圖22。

圖22 圍巖特征曲線

然后計(jì)算得到初期支護(hù)體系的極限承載力及位移。如錨桿支護(hù)單元?jiǎng)偠萲bolt=12.0 MPa/m，錨桿極限位移umax，bolt=1.36 cm，錨桿極限承載力Pmax，bolt=0.163 MPa，噴射混凝土支護(hù)單元?jiǎng)偠萲shot=339 MPa/m，極限位移umax，set=0.366 cm，極限承載力Pmax，set=1.24 MPa。假定兩種支護(hù)單元在初期支護(hù)成環(huán)位置形成組合支護(hù)體系，則組合支護(hù)體系剛度ktotal=419 MPa/m,極限位移umax，total=0.366 cm，極限承載力Pmax，total=1.53 MPa。最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)穩(wěn)定性判定方法對(duì)初期支護(hù)體系支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行判斷，若不符合安全性控制基準(zhǔn)，則需重新調(diào)整參數(shù)，并進(jìn)行安全性分析。

3.1.4 高原鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)參數(shù)安全性分析

本節(jié)采用提出的高地應(yīng)力軟巖大變形隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)高原鐵路大變形隧道初步設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行安全性分析，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表5。其中，計(jì)算中涉及到的隧道斷面幾何參數(shù)均來(lái)自于高原鐵路隧道初步設(shè)計(jì)原則中。

高地應(yīng)力大變形隧道安全性分析結(jié)果見(jiàn)表6，檢算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)原則所給出的大變形隧道支護(hù)參數(shù)均滿足安全性要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，并具有一定的安全儲(chǔ)備。其中，計(jì)算時(shí)隧道非圓形斷面形式按等效面積法將其轉(zhuǎn)化成圓形進(jìn)行分析。為了偏于安全性考慮，不同部位處設(shè)計(jì)參數(shù)不同時(shí)，取最不利參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

續(xù)表5 單線、雙線隧道及輔助坑道大變形支護(hù)參數(shù)(預(yù)設(shè)計(jì))

表6 單線、雙向隧道及輔助坑道大變形安全性分析

3.2 高原鐵路高地應(yīng)力硬巖隧道主動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)方法

3.2.1 設(shè)計(jì)理念

隧道開(kāi)挖導(dǎo)致洞周圍巖應(yīng)力重分布，徑向應(yīng)力消失、切向應(yīng)力逐漸增大，誘發(fā)洞周圍巖產(chǎn)生表面張應(yīng)力、進(jìn)而發(fā)生剪切破壞，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)為動(dòng)能，形成巖爆。由此可知，巖爆的形成與洞周圍巖應(yīng)力狀態(tài)(地應(yīng)力、洞室狀態(tài))、圍巖屬性(儲(chǔ)存彈性勢(shì)能)相關(guān)，故對(duì)于巖爆的控制，可從改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)、調(diào)整圍巖屬性兩方面分析。其設(shè)計(jì)基本理念與軟巖大變形設(shè)計(jì)理念較為相似，均可通過(guò)主動(dòng)改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)控制。進(jìn)而總結(jié)，巖爆隧道控制核心思想為：利用支護(hù)主動(dòng)提供徑向力，改善洞周圍巖應(yīng)力狀態(tài)，為防止因支護(hù)滯后所致巖爆發(fā)生，強(qiáng)調(diào)支護(hù)力及時(shí)性。

3.2.2 設(shè)計(jì)原則

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的沖擊荷載計(jì)算包括三部分，分別是釋放能量的大小、爆塊塊體大小與速度和作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載。

首先，通過(guò)能量分析，明確巖體中存儲(chǔ)的應(yīng)變能的大小，以及在其所釋放的能量中，有多少能夠轉(zhuǎn)化成爆塊動(dòng)能。在發(fā)生巖爆時(shí)，儲(chǔ)存在巖體中的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化過(guò)程見(jiàn)圖23。

圖23 能量轉(zhuǎn)化過(guò)程

其次，確定爆塊塊體大小與速度。通過(guò)對(duì)已有巖爆工程的發(fā)生特征進(jìn)行調(diào)研，可以得到不同等級(jí)巖爆的爆塊形態(tài)及塊體大小等特征。在爆塊的動(dòng)能已知的前提下，采用動(dòng)能計(jì)算公式，進(jìn)而可以求得爆塊的速度。

最后，在獲得爆塊塊體大小和爆塊速度這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)之后，就可以采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載大小。

除了因巖爆發(fā)生等級(jí)不同而使得爆塊的大小和速度不同以外，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載大小，還與支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)。即使是同一大小塊體以同樣的速度作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度不同，其承受荷載和發(fā)生變形的大小也不相同。支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí)，其在爆塊沖擊下發(fā)生的變形就小，承受的沖擊荷載就大；支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較小時(shí)，其在爆塊沖擊下發(fā)生的變形就大，承受的沖擊荷載就小。在支護(hù)還未施作的情況下發(fā)生巖爆，雖然爆塊以一定速度彈射，但因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)不存在，因此也就沒(méi)有荷載作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上。

通過(guò)以上分析可以看出，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的沖擊荷載并不是確定的。在實(shí)際工程中，可以先類比相似工程確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型和參數(shù)，據(jù)此計(jì)算出作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的沖擊荷載。通過(guò)荷載-結(jié)構(gòu)法確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，從而對(duì)其安全性有一個(gè)定量判斷。對(duì)安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求的或者雖滿足要求但安全儲(chǔ)備較小的支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以對(duì)其支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)調(diào)整后的支護(hù)參數(shù)再進(jìn)行上述計(jì)算，直到滿足工程的安全需要，設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)圖24。

圖24 設(shè)計(jì)流程

3.2.3 設(shè)計(jì)方法

3.2.3.1 沖擊荷載計(jì)算方法

(1)爆塊動(dòng)能

通過(guò)上述對(duì)巖石破壞過(guò)程能量變化過(guò)程的分析可知，儲(chǔ)存在巖體中的能量并不會(huì)完全以動(dòng)能釋放，有一部分能量會(huì)以熱能和表面能的形式耗散。不同的學(xué)者分別推導(dǎo)了耗散能量的計(jì)算公式，但計(jì)算公式中參數(shù)較多，且計(jì)算復(fù)雜，實(shí)際工程中難以取得。本文不考慮除動(dòng)能以外的其他能量，而把重點(diǎn)放在巖體積蓄的應(yīng)變能中有多少能夠轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并以巖爆的方式釋放出來(lái)。

釋放動(dòng)能大小的計(jì)算包括兩個(gè)過(guò)程，首先是外力做功，將能量蓄積在巖體內(nèi)，在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)有一部分能量用來(lái)拓展劣化圍巖間的裂隙，在達(dá)到臨界條件時(shí)才會(huì)發(fā)生巖爆，在釋放能量的過(guò)程中，該部分能量不會(huì)再被釋放，即圍巖所包含的應(yīng)變能包括彈性應(yīng)變能和塑性應(yīng)變能；另一個(gè)過(guò)程是巖爆發(fā)生時(shí)，有部分能量以聲波能和熱能等形式釋放，而不是全部以動(dòng)能釋放。下面針對(duì)這兩個(gè)過(guò)程分別分析，最終確定巖爆發(fā)生時(shí)所能釋放的動(dòng)能。

第一個(gè)過(guò)程的能量釋放率可采用試驗(yàn)的方式確定，巖爆傾向性指數(shù)Wet(也稱彈性能量指數(shù))為

Wet=ΦSP/ΦST

(49)

式中：ΦSP為卸載所釋放的彈性應(yīng)變能；ΦST為耗損的彈性應(yīng)變能。

巖爆傾向性指數(shù)測(cè)試曲線見(jiàn)圖25。

圖25 Wet測(cè)試曲線

文獻(xiàn)[42]給出的不同等級(jí)巖爆對(duì)應(yīng)的巖爆傾向性指數(shù)Wet值為：Wet≥5.0，嚴(yán)重巖爆；2.0≤Wet<5.0，中、低烈度巖爆；Wet<2.0，不產(chǎn)生巖爆。

根據(jù)不同等級(jí)巖爆選取不同的Wet值，據(jù)此可計(jì)算出彈性應(yīng)變能占巖體所蘊(yùn)含所有應(yīng)變能的比例。當(dāng)有條件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)取具體隧道工程現(xiàn)場(chǎng)圍巖，進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到巖爆傾向性指數(shù)值，繼而確定該圍巖條件彈性應(yīng)變能占比。第二個(gè)過(guò)程中釋放的所有彈性應(yīng)變能中動(dòng)能所占的比例，巖石剪切破壞過(guò)程釋放的各種能量中動(dòng)能所占的比例和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系，見(jiàn)圖26。

圖26 釋放動(dòng)能占比與內(nèi)摩擦角關(guān)系

由圖26可知，釋放的能量中動(dòng)能所占的比例以內(nèi)摩擦角45°為最小，只占30%。隨著內(nèi)摩擦角向0°和90°靠近，動(dòng)能所占比例逐漸增加，直至增到最大值60°。在已知內(nèi)摩擦角大小的情況下，可按照?qǐng)D26取值。在缺少數(shù)據(jù)時(shí)，可按照最不利情況取值為60°。

(2)爆塊大小和速度

文獻(xiàn)[43]給出了不同類型巖爆的巖爆體特征，剝落型巖爆的巖爆體一般為貝殼狀或片狀，輕微彈射型巖爆為細(xì)長(zhǎng)的橢圓片體，爆裂型巖爆巖體多為塊體。一般來(lái)說(shuō)，輕微、中等巖爆以剝落為主，強(qiáng)烈和極強(qiáng)巖爆以彈射為主。剝落型巖爆有時(shí)會(huì)發(fā)生幾次剝落，只統(tǒng)計(jì)單次巖爆體特征并不能完整反應(yīng)整個(gè)過(guò)程。同時(shí)，也可將剝落理解為彈射，只是彈射速度較小。而彈射型巖爆彈出的塊體并不完整，一次從同一個(gè)爆坑中會(huì)有不止一塊爆塊彈射出來(lái)，并且有的塊體落地后會(huì)碎裂為幾塊。綜合考慮，從爆坑的角度分析計(jì)算爆塊大小會(huì)更合理，而爆坑以V型最為常見(jiàn)。

TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[29]給出了不同等級(jí)巖爆下的影響深度，見(jiàn)表7 。

表7 巖爆影響深度

選取不同巖爆等級(jí)的影響深度，爆塊大小按方錐計(jì)算，即可得到爆塊體積。巖爆主要發(fā)生在花崗巖、石灰?guī)r、大理巖、片麻巖等硬巖中，上述幾種巖體的密度相差不大，可統(tǒng)一按照2.75 t/m3取值。密度乘以體積即得爆塊質(zhì)量。最后計(jì)算得到的爆塊質(zhì)量見(jiàn)表8。

表8 爆塊質(zhì)量

計(jì)算得到的爆塊速度見(jiàn)表9 。

表9 爆塊速度

陶振宇等[44]認(rèn)為巖爆石塊的速度在0.29～12.6 m/s 之間[45-47]，與計(jì)算結(jié)果基本符合。

(3)動(dòng)荷因數(shù)

(50)

式中：m為爆塊質(zhì)量；v為爆塊沖擊速度；F為最大沖擊力；Δ為受沖擊部位的最大撓度，m。

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，可知F和Δ關(guān)系為

(51)

式中：E為支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量；I為截面抗彎系數(shù)。

聯(lián)立式(51)、式(52)，可得

(52)

式中：Δst為自重引起的撓度，計(jì)算式為

(53)

將受沖擊部位的最大撓度Δ與自重引起的撓度Δst做比，即可得到動(dòng)荷因數(shù)為

(54)

式中：K為動(dòng)荷因數(shù)；v為爆塊沖擊速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。

由式(54)可知，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的沖擊荷載動(dòng)荷因數(shù)與支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)。因此，采用的支護(hù)參數(shù)不同，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的沖擊荷載大小也不同。

(4)沖擊荷載大小

將爆塊自重?cái)U(kuò)大動(dòng)荷因數(shù)所作用的倍數(shù)，以均布荷載的形式作用在結(jié)構(gòu)上，即沖擊荷載為

(55)

式中：a為爆塊邊長(zhǎng)，m。

3.2.3.2 沖擊荷載位置確定

文獻(xiàn)[48]指出，硬巖隧道拱頂和拱底附近由于壓應(yīng)力集中最為明顯，故其最有可能發(fā)生巖爆。同時(shí)考慮重力的作用，則拱頂比拱底發(fā)生巖爆的概率更高。文獻(xiàn)[48]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的巖爆發(fā)生部位的統(tǒng)計(jì)也驗(yàn)證了這一結(jié)論。通過(guò)以上分析，將沖擊荷載作用部位設(shè)置在拱頂，作用范圍為拱頂兩側(cè)爆塊邊長(zhǎng)的一半。

巖爆隧道安全系數(shù)檢算采用荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，荷載施加時(shí)，先施加按照TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[29]計(jì)算得到的圍巖壓力，再施加上節(jié)計(jì)算得到的沖擊荷載，沖擊荷載作用部位為拱頂，作用范圍為拱頂兩側(cè)爆塊邊長(zhǎng)的一半。荷載施加示意圖見(jiàn)圖27。

圖27 巖爆隧道荷載施加示意

3.2.3.3 算例分析

選取典型二郎山(巴玉)隧道巖爆段，采用上述沖擊荷載計(jì)算方法，建立荷載-結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其安全性進(jìn)行驗(yàn)證。

二郎山隧道為單洞雙線隧道，施工過(guò)程中，巖爆多動(dòng)頻繁。在平導(dǎo)K261+820—K261+940之間120 m的長(zhǎng)度內(nèi)，發(fā)生延續(xù)性爆裂剝落掉塊現(xiàn)象極為嚴(yán)重，并有輕微彈射現(xiàn)象發(fā)生，巖爆影響深度1 m左右，屬于中等巖爆。該段埋深430～480 m，地應(yīng)力15～20 MPa，Ⅲ級(jí)圍巖，巖性為灰?guī)r及泥灰?guī)r夾層、砂質(zhì)泥巖[49]。

該段施工初期首先掘進(jìn)至該洞段時(shí)，對(duì)出現(xiàn)的巖爆現(xiàn)象施工單位未引起重視，也未采取有效的防治措施。開(kāi)挖掘進(jìn)至K261+909時(shí)，發(fā)生較嚴(yán)重巖爆活動(dòng)，中斷施工。后調(diào)整施工方法，采用如下參數(shù)：①12 cm厚C20混凝土；② 22系統(tǒng)砂漿錨桿，長(zhǎng)度為2～2.5 m，間距100 cm，梅花形布置，加墊板；③ 8 cm鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm。并取得較好的防治效果。

采用上述沖擊荷載計(jì)算方法，可得爆塊速度2.37 m/s，最大爆塊體積0.33 m3，符合現(xiàn)場(chǎng)描述。采用調(diào)整后的參數(shù)，可計(jì)算得巖爆沖擊荷載31.93 kPa。

采用Ansys進(jìn)行數(shù)值模擬，建立模型見(jiàn)圖28。

圖28 Ansys數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算可得其安全系數(shù)為2.89，為受拉控制，高于規(guī)范2.7的安全系數(shù)控制基準(zhǔn)，符合現(xiàn)場(chǎng)取得較好防治效果的描述。

在采用上述荷載計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意：①上述計(jì)算中的地應(yīng)力大小是假設(shè)的，在實(shí)際工程中如有確定地應(yīng)力大小，應(yīng)采用實(shí)際工程確定值。②上述計(jì)算只是對(duì)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的沖擊荷載進(jìn)行了初步研究，研究中只考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)作用，對(duì)圍巖灑水、應(yīng)力解除等輔助措施未進(jìn)行充分考慮。

通過(guò)以上分析，可知該研究仍有一定不足，但鑒于目前國(guó)內(nèi)仍未有巖爆隧道的荷載-結(jié)構(gòu)模型，其仍具有為復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路巖爆隧道的設(shè)計(jì)提供一定參考的價(jià)值。

3.2.4 高原鐵路高地應(yīng)力硬巖隧道支護(hù)參數(shù)安全性分析

采用所提出的巖爆隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)高原鐵路巖爆隧道初步設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行安全性分析，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表10，其中鋼纖維噴混凝土抗拉強(qiáng)度分別考慮提高0%、30%、60%、80%，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算方法、指標(biāo)及控制標(biāo)準(zhǔn)按TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[29]進(jìn)行選取。

表10 單線、雙線鉆爆法及輔助抗道巖爆地段支護(hù)參數(shù)

其中，輔助坑道單雙車道中輕微和中等巖爆采用素噴混凝土，其安全系數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)受壓控制為1.8，受拉控制為2.7。其余工況均包含鋼纖維噴射混凝土或鋼架，按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處理，其安全系數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)受壓控制為1.53，受拉控制為1.8。巖爆段隧道安全系數(shù)檢算結(jié)果見(jiàn)表11 ，由表11可知，設(shè)計(jì)原則所給出的巖爆隧道支護(hù)參數(shù)能滿足隧規(guī)最小安全系數(shù)的要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，并具有一定的安全儲(chǔ)備。

4 高原鐵路隧道主動(dòng)支護(hù)體系與大型機(jī)械化施工適配分析

4.1 大型機(jī)械化安全施工適配分析

高原鐵路高能地質(zhì)環(huán)境下隧道的修建安全問(wèn)題尤為突出，本文主要針對(duì)高地應(yīng)力軟巖大變形隧道和高地應(yīng)力硬巖巖爆隧道設(shè)計(jì)及施工問(wèn)題展開(kāi)分析，其中相較于軟巖大變形隧道，巖爆隧道施工安全性問(wèn)題更為明顯，故本節(jié)將結(jié)合大型機(jī)械化配置對(duì)巖爆隧道的施工安全性影響進(jìn)行分析。

現(xiàn)有資料顯示，輕微的巖爆僅剝落巖片，無(wú)彈射現(xiàn)象，影響深度小于0.5 m，可能造成個(gè)別施工人員輕傷，機(jī)械設(shè)備局部易損部位損壞，經(jīng)局部排險(xiǎn)、支護(hù)后即可恢復(fù)正常施工，總體而言對(duì)人員安全及施工影響較小。

中等巖爆，爆裂、剝離現(xiàn)象較嚴(yán)重，有少量彈射，影響深度0.5～1.0 m，對(duì)施工人員安全造成一定威脅，且會(huì)造成小型機(jī)械設(shè)備被砸壞、錨桿鉆機(jī)受損等，對(duì)工序影響較大。

強(qiáng)烈?guī)r爆大片爆裂脫落，出現(xiàn)強(qiáng)烈彈射，影響深度1～3 m，可能造成多人重傷或死亡，對(duì)施工人員安全及心理造成嚴(yán)重影響，且易造成施工臺(tái)架砸壞、機(jī)械設(shè)備駕駛室變形、機(jī)械設(shè)備作業(yè)臂砸斷等大型設(shè)備設(shè)施的暴露部位損害，對(duì)工序影響大，且有可能造成停工。

極強(qiáng)巖爆為巖爆最高等級(jí)，圍巖大片嚴(yán)重爆裂，大塊巖片出現(xiàn)劇烈彈射，影響深度大于3 m，極可能造成多人重傷或死亡，對(duì)施工人員安全及心理造成嚴(yán)重影響，嚴(yán)重影響施工工程。

由此可見(jiàn)，對(duì)施工危害較大的巖爆為中等及以上巖爆，特別是強(qiáng)烈、極強(qiáng)巖爆釋放彈性能大、破壞力強(qiáng)，且具有時(shí)滯性特點(diǎn)，巖爆待避時(shí)間、防控措施作時(shí)機(jī)不易掌握，防控難度大，極易對(duì)作業(yè)面停留的大量施工裝備和人員產(chǎn)生傷害。

考慮到中等、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈?guī)r爆隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，為保障施工人員生命安全，減少巖爆對(duì)工程進(jìn)度影響，對(duì)于中等及以上巖爆工區(qū)有必要采用機(jī)械化配套施工，其必要性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1)減少作業(yè)人員，提高安全保障

巖爆的發(fā)生具有突發(fā)性、隨機(jī)性，巖爆隧道設(shè)計(jì)以保障安全為重點(diǎn)，為確保隧道巖爆段施工安全，制定了“預(yù)警先行、主動(dòng)控制、多機(jī)少人、保證安全”的原則，采用加裝防爆措施的大型機(jī)械化配套可以有效減少掌子面施工人員數(shù)量，同時(shí)為設(shè)備操作人員提供防護(hù)罩，大大減少了暴露在巖爆危險(xiǎn)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)，加快施工作業(yè)時(shí)間

總結(jié)國(guó)內(nèi)外巖爆隧道巖爆發(fā)生時(shí)間，即時(shí)型巖爆一般多發(fā)生在隧道開(kāi)挖后6 h以內(nèi)。因此巖爆隧道初支施作需快速進(jìn)行，采用大型機(jī)械化施工較基本機(jī)械化施工更加高效，可快速施作噴錨支護(hù)，實(shí)現(xiàn)盡早對(duì)巖面的防護(hù)，從而達(dá)到保護(hù)人員機(jī)械設(shè)備的目的。

4.2 大型機(jī)械化快速施工適配分析

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，高速鐵路隧道施工技術(shù)也得到了較大提升，大型機(jī)械化施工已在實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果。而由于隧道圍巖的不確定性和復(fù)雜性，加之高原鐵路隧道工程不良地質(zhì)問(wèn)題突出，施工時(shí)間對(duì)保證隧道穩(wěn)定性的重要影響作用，實(shí)踐證明大型機(jī)械化施工可有效提高隧道施工進(jìn)度，見(jiàn)圖29，故大型機(jī)械化施工對(duì)于高原鐵路高能地質(zhì)環(huán)境隧道的安全修建具有重要的意義。且支護(hù)體系施工安全質(zhì)量的保證是隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵，為保證設(shè)計(jì)方法的成果應(yīng)用，故需對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作質(zhì)量提出相關(guān)要求。

圖29 人工施工和機(jī)械化施工時(shí)效對(duì)比分析

圍巖參數(shù)與洞周變形關(guān)系曲線見(jiàn)圖30，圍巖塑性去隨支護(hù)力變化見(jiàn)圖31，不同支護(hù)剛度下圍巖塑性區(qū)變化見(jiàn)圖32，由圖30～圖32可知，圍巖力學(xué)參數(shù)的降低、有效支護(hù)力的減小，是導(dǎo)致圍巖變形的主要原因。經(jīng)分析，影響圍巖力學(xué)參數(shù)的主要因素可分為施工擾動(dòng)、圍巖變形、約束條件三方面。影響有效支護(hù)力提供的因素可概括為兩快，即施作快、起效快。施工擾動(dòng)問(wèn)題及支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作速度均可通過(guò)機(jī)械化、大斷面施工方法進(jìn)行緩減；圍巖變形、約束條件、有效支護(hù)力的提供問(wèn)題則可通過(guò)早高強(qiáng)噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨桿(索)等措施進(jìn)行控制。由此，進(jìn)一步說(shuō)明了大型機(jī)械化施工、高性能主動(dòng)支護(hù)構(gòu)件施作對(duì)于保證隧道穩(wěn)定性的重要性。故隧道施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)高性能主動(dòng)支護(hù)構(gòu)件施作的合理性及質(zhì)量的保證予以高度重視。

圖30 圍巖參數(shù)與洞周變形關(guān)系曲線

圖31 圍巖塑性區(qū)隨支護(hù)力變化示意(P1>P2>P3)

圖32 不同支護(hù)剛度下圍巖塑性區(qū)變化

圖33 機(jī)械化施工機(jī)械及質(zhì)量信息評(píng)價(jià)系統(tǒng)

4.3 大型機(jī)械化施工設(shè)備選型原則

(1)少內(nèi)燃多電力原則

高原鐵路海拔高，地質(zhì)環(huán)境惡劣。多配置電力設(shè)備，少采用內(nèi)燃設(shè)備，洞內(nèi)外配備增氧加強(qiáng)通風(fēng)的設(shè)備。

(2)能力匹配原則

① 作業(yè)線配套能力順序由大到小為：運(yùn)輸能力、裝渣能力、開(kāi)挖能力、施組能力。

② 設(shè)備外形尺寸應(yīng)與施工空間相適應(yīng)，既要考慮圍巖較好時(shí)的全斷面法，又要兼顧地質(zhì)較差時(shí)的應(yīng)變方法，同一施工作業(yè)面，盡量采用一種機(jī)械化配套方案。

③采用同一廠家出產(chǎn)的同類機(jī)械的設(shè)備，方便維修、配件供應(yīng)和通用互換，確保機(jī)械使用率。

結(jié)合高原鐵路隧道高原低氧自然環(huán)境及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境特征，鉆爆法機(jī)械化快速施工設(shè)備選型按“快速施工，以機(jī)代人”的原則，選擇能適應(yīng)高原低氧環(huán)境下設(shè)備，并滿足復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境對(duì)設(shè)備性能的需求。

4.4 大型機(jī)械化施工配套方案研究

大型機(jī)械化配套的目的是提高隧道施工工效，保證施工質(zhì)量，改善作業(yè)條件，減少作業(yè)人員，有效探測(cè)和控制隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，減小工期壓力。本節(jié)結(jié)合高原鐵路鉆爆法隧道施工環(huán)境因素，對(duì)機(jī)械化配套模式進(jìn)行分析。

(1)大型機(jī)械化配套原則

① 分級(jí)配置原則；② 少人化原則；③ 保證施工質(zhì)量和安全必配原則；④ 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和有利提高功效原則。

(2)大型機(jī)械化配套方案

① 高度機(jī)械化配套方案

高度機(jī)械化配套配置超長(zhǎng)距離取芯鉆機(jī)(千米級(jí))；開(kāi)挖作業(yè)線配置三臂鑿巖臺(tái)車，混裝炸藥設(shè)備兩臺(tái)；大坡度長(zhǎng)斜井工區(qū)采用皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)出渣提升出渣效率，獨(dú)頭掘進(jìn)大于3 km的工區(qū)配置進(jìn)一步試驗(yàn)研究采用集裝箱式出渣系統(tǒng)；配備除塵凈化設(shè)備以改善洞內(nèi)環(huán)境。支護(hù)作業(yè)線配置兩臂濕噴機(jī)械手、鋼拱架拼裝機(jī)、錨桿鉆注一體機(jī)、高壓注漿等設(shè)備。后續(xù)作業(yè)線配置自行式仰拱棧橋、防水板自動(dòng)鋪設(shè)臺(tái)車、智能化模板臺(tái)車、養(yǎng)護(hù)作業(yè)臺(tái)車、溝槽臺(tái)車等設(shè)備。

② 中度機(jī)械化配套方案

中度機(jī)械化配置與高度機(jī)械化配置差別在于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)線配置多功能鉆機(jī)；開(kāi)挖作業(yè)線配置兩臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車；裝運(yùn)作業(yè)線減少了集裝箱出渣系統(tǒng)和皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)：支護(hù)作業(yè)線配置單臂濕噴機(jī)械手；其余配置與高度配置相同。

③ 基本機(jī)械化配套方案

與高度和中度配置不同，基本配置在常規(guī)隧道施工設(shè)備配置基礎(chǔ)上增加除塵凈化設(shè)備改善作業(yè)環(huán)境；增加錨桿鉆注一體機(jī)保證錨桿施工質(zhì)量；增加單臂濕噴機(jī)械于保證噴混質(zhì)量和效率。為保證襯砌及防水施工質(zhì)量增加襯砌智能化模板臺(tái)車、溝槽臺(tái)車等低投入機(jī)械化設(shè)備。

4.5 大型機(jī)械化施工智能信息化管理方法

為實(shí)現(xiàn)大斷面隧道機(jī)械化施工的過(guò)程化、精細(xì)化管理，保障施工安全、質(zhì)量，提高施工效率，需在大型機(jī)械化施工基礎(chǔ)上建立一套完善的施工信息化管理方法。

以鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道為例，武九鐵路公司以輕量化BIM為載體，搭建了隧道信息化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了大斷面隧道機(jī)械化施工的空間屬性、過(guò)程信息、人員材料裝備等生產(chǎn)要素的數(shù)字化與標(biāo)準(zhǔn)化管理，將施工質(zhì)量、進(jìn)度、變更設(shè)計(jì)、安全風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量信用評(píng)價(jià)、甲供物資管理、驗(yàn)工計(jì)價(jià)等各管理環(huán)節(jié)流程化、平臺(tái)化，并對(duì)輕量化BIM、報(bào)表、統(tǒng)計(jì)圖表等管理結(jié)果進(jìn)行可視化和共享化，見(jiàn)圖34。

圖34 隧道信息化管理平臺(tái)

隨著隧道機(jī)械化、信息化建造技術(shù)的日益成熟，融入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)便催生出當(dāng)今世界隧道發(fā)展新方向—智能化建造技術(shù)，大斷面隧道智能化建造總體構(gòu)架見(jiàn)圖35。

圖35 大斷面隧道智能化建造總體構(gòu)架圖

5 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有研究成果，系統(tǒng)梳理了我國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷程，同時(shí)針對(duì)高能地質(zhì)環(huán)境隧道的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析。最后，結(jié)合高原鐵路極其復(fù)雜的地質(zhì)條件，提出了高能地質(zhì)環(huán)境下隧道的設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算等方法，推導(dǎo)建立了高能環(huán)境下隧道主動(dòng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算模型，主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)的分析總結(jié)，提出了高地應(yīng)力軟巖隧道變形主動(dòng)控制設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)原則，即全變形控制原則，以掌子面為界限，可分為掌子面超前變形控制及洞身收斂變形控制。

(2)利用空腔球模型，基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，推導(dǎo)建立了深埋隧道掌子面擠出變形解析解，并提出了高地應(yīng)力軟巖隧道超前支護(hù)(掌子面注漿、掌子面錨桿)設(shè)計(jì)方法。

(3)基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，采用彈性力學(xué)、塑性增量理論與有限差分原理，考慮軟巖非線性變形與強(qiáng)度特性的力學(xué)參數(shù)變化模型，推導(dǎo)出考慮軟巖非線性變形與強(qiáng)度特性的圍巖應(yīng)力、位移有限差分解析解。并采用收斂約束法，建立了洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

(4)基于能量法推導(dǎo)了巖爆隧道的沖擊荷載計(jì)算方法，同時(shí)組合松散荷載，給出了巖爆隧道的荷載計(jì)算模型，并根據(jù)川藏公路二郎山隧道平導(dǎo)段工程實(shí)例驗(yàn)算了其合理性。

(5)圍巖力學(xué)參數(shù)的降低、有效支護(hù)力的減小是導(dǎo)致圍巖變形的主要原因，而大型機(jī)械化的應(yīng)用，高性能支護(hù)的施作(早高強(qiáng)噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨桿(索))是控制變形的有效手段，故提出了對(duì)大型機(jī)械化隧道施工過(guò)程中高性能支護(hù)構(gòu)件施作合理性及質(zhì)量保證的要求。