考慮開挖進(jìn)尺優(yōu)化的管棚支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

高 鑫，王 文 娟，李 清 菲，馮 世 杰，吳 琦

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引 言

管棚作為隧道施工常用的超前支護(hù)措施，具有技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、施工速度快、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，能顯著起到控制地層變形、改善結(jié)構(gòu)受力、防止圍巖垮塌的作用[1-2]，被廣泛地應(yīng)用于各種特殊地質(zhì)、淺埋或下穿工程[3-4]，取得了較為可觀的工程、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

近年來，眾多學(xué)者對(duì)超前管棚的支護(hù)機(jī)制和作用效果進(jìn)行了大量的研究與探討。例如，武松等[5-6]基于雙參數(shù)地基梁模型，對(duì)超前管棚支護(hù)機(jī)制進(jìn)行了研究并通過實(shí)例進(jìn)行檢驗(yàn)；黃華等[7]依托下穿工程對(duì)超前管棚變形規(guī)律進(jìn)行了分析總結(jié)；代聰?shù)萚8]借助數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的手段，探究了不同超前管棚布設(shè)范圍對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律；王道遠(yuǎn)等[9]基于Winkler彈性地基梁理論，推導(dǎo)出超前管棚預(yù)支護(hù)理論解析解；丁祖德等[10]建立起考慮空間效應(yīng)的巖堆體超前管棚彈性地基梁模型；郭璇等[11]總結(jié)出不同超前管棚布設(shè)范圍時(shí)的拱頂沉降規(guī)律及圍巖破壞形式。

上述結(jié)論基本上都是基于超前管棚支護(hù)荷載以圍巖形變壓力或全土柱壓力為主而得出的，所依托的工程也多數(shù)為淺埋、下穿工程或軟巖隧道，雖然能給類似工程提供重要的指導(dǎo)作用和借鑒意義，但并不完全適合以圍巖松散壓力為主的深埋巖質(zhì)隧道，也未涉及與開挖進(jìn)尺有關(guān)的研究?jī)?nèi)容。本文以青島市地層構(gòu)造帶塊狀碎裂巖為工程地質(zhì)背景，重點(diǎn)分析超前管棚在松散荷載作用下所能實(shí)現(xiàn)的最大開挖進(jìn)尺，尋找合理、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的超前管棚支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，以期達(dá)到能同時(shí)兼顧工程風(fēng)險(xiǎn)可控、提高施工工效、縮短建設(shè)工期的目的。

1 圍巖壓力

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力可以分為形變壓力、松散壓力、膨脹壓力以及沖擊壓力4種，常用的計(jì)算方法有理論解析、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

1.1 圍巖壓力類型

青島市地鐵拱頂埋深一般在18～32 m之間，地層構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，洞身所處圍巖以中、微風(fēng)化程度的硬巖為主，故不存在膨脹壓力和沖擊壓力。根據(jù)JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[12]第8.5.1條規(guī)定，滿足以下情況時(shí)應(yīng)計(jì)入圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的形變壓力：

(1)

式中：Rb為飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Rs為垂直于隧道軸向的最大初始地應(yīng)力，MPa。

對(duì)取自青島市地鐵1，4，6，8號(hào)線詳勘報(bào)告中不同埋深條件下的453組飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì)，分別繪制Rb/Rs、Rb隨埋深變化的散點(diǎn)曲線，如圖1～2所示，其中最大初始地應(yīng)力應(yīng)為自重應(yīng)力。

圖1 Rb/Rs隨埋深變化散點(diǎn)曲線Fig.1 Scatter curve of Rb/Rs changing with buried depth

從圖1可以看出：Rb/Rs整體上呈現(xiàn)隨埋深增加而不斷減小的趨勢(shì)，比值范圍為17.26～272.82，遠(yuǎn)大于6，不滿足公式(1)條件，可不計(jì)入圍巖形變壓力，僅需考慮松散壓力。結(jié)合圖2可知，散點(diǎn)曲線數(shù)據(jù)波動(dòng)大、離散性強(qiáng)，與埋深無必然關(guān)系。根據(jù)詳勘報(bào)告中描述：該類巖體通常較為松弛、離散并以塊狀碎裂巖為主，無支護(hù)時(shí)自穩(wěn)時(shí)間較短，遠(yuǎn)小于初期支護(hù)24 h封閉時(shí)間，處置不當(dāng)容易誘發(fā)冒頂和塌方事故，而爆破施工也會(huì)加劇巖體節(jié)理裂隙的張開、擴(kuò)展。同時(shí)考慮到城市地鐵工程對(duì)地層變形控制要求高、事故后果嚴(yán)重，故實(shí)際施工中常輔以超前管棚支護(hù)通過此類地層。

圖2 Rb隨埋深變化散點(diǎn)曲線Fig.2 Scatter curve of Rb changing with buried depth

1.2 圍巖壓力計(jì)算

深埋巖質(zhì)隧道拱部開挖完成后，會(huì)在拱頂?shù)貙有纬删哂幸欢ǜ叨鹊男遁d拱或壓力拱，拱內(nèi)巖體重量就是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松散壓力，現(xiàn)階段常用的圍巖松散壓力計(jì)算公式如表1所列。

以青島市地鐵錢塘江路站風(fēng)道斷面為工程算例：開挖高度5.8 m，開挖跨度14.6 m，圍巖等級(jí)IV2級(jí)，加權(quán)容重26.3 kN/m3，內(nèi)摩擦角30°，單軸飽和抗壓強(qiáng)度26 MPa，臺(tái)階法施工，計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 深埋隧道圍巖松散壓力計(jì)算公式

從表1可以看出：無論是基于理論推導(dǎo)的解析公式還是基于樣本統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，由于不同公式考慮的因素不同，計(jì)算荷載高度和松散壓力也不相同，但整體上差別不是很大，不可否認(rèn)的是塊狀碎裂巖確實(shí)會(huì)在拱頂塌落形成一定高度的松散荷載，若不加以超前支護(hù)則存在塌方和冒頂?shù)目赡苄浴?/p>

圖3是相對(duì)較完整圍巖波速實(shí)測(cè)曲線，可知圍巖松動(dòng)區(qū)僅有0.95～1.50 m，遠(yuǎn)小于表1公式計(jì)算結(jié)果，究其原因如下：① 公式計(jì)算結(jié)果都是無支護(hù)條件下圍巖自然塌落荷載，與實(shí)際支護(hù)狀態(tài)不符；②較完整圍巖質(zhì)量相對(duì)較好，一般以Ⅲ級(jí)圍巖為主；③ 達(dá)到自然塌落形態(tài)需要時(shí)間，受支護(hù)強(qiáng)度和時(shí)機(jī)的制約嚴(yán)重。

圖3 圍巖波速實(shí)測(cè)曲線Fig.3 Measured wave velocity curves of surrounding rock

在本文中的塊狀碎裂巖地層中修建地鐵時(shí)，設(shè)計(jì)允許的開挖進(jìn)尺僅有0.5 m，若擴(kuò)大開挖進(jìn)尺必然導(dǎo)致支護(hù)封閉時(shí)間延長(zhǎng)、圍巖松弛離散程度加劇，拱頂巖體在天然節(jié)理、風(fēng)化裂隙以及爆破振動(dòng)的作用下更加接近自然塌落形態(tài)，誘發(fā)冒頂和塌方事故的概率增加；若選擇小進(jìn)尺開挖，又會(huì)面臨工序交互頻繁、施工效率低下、建設(shè)周期延長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益變差的困境。因此，如何確定施工風(fēng)險(xiǎn)可控的最大開挖進(jìn)尺成為問題的關(guān)鍵，換言之就是如何選擇合理的超前管棚支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，確保拱頂巖體在開挖完至支護(hù)前這段時(shí)間不發(fā)生冒頂、垮塌。

JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[12]第10.1條規(guī)定：自重荷載作用下的IV級(jí)、V級(jí)深埋隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算。因此，本文計(jì)算時(shí)考慮最不利情況，忽略塊狀碎裂巖體之間的相互約束作用，分別取表1等效塌方高度均值7 m作為荷載上限，取圖3實(shí)測(cè)圍巖松動(dòng)深度1 m作為荷載下限。若圍巖等級(jí)為V級(jí)時(shí)，考慮CRD法施工，宜按單導(dǎo)坑跨度和高度計(jì)算等效塌方高度，根據(jù)深淺埋判別標(biāo)準(zhǔn)仍可判定為深埋隧道，計(jì)算松散壓力仍包含在上述荷載取值范圍內(nèi)。

2 荷載-結(jié)構(gòu)模型

目前，超前管棚支護(hù)參數(shù)主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和工程類比[13]，難免會(huì)存在設(shè)計(jì)保守、投資浪費(fèi)與施工冒進(jìn)、風(fēng)險(xiǎn)失控兩個(gè)極端情況。本節(jié)將以1.2節(jié)計(jì)算的松散壓力作為輸入荷載，采用荷載-結(jié)構(gòu)法研究不同管棚支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)所能實(shí)現(xiàn)的最大開挖進(jìn)尺。

2.1 力學(xué)計(jì)算模型

將超前管棚視作插入地層中的縱向梁式構(gòu)件，以承擔(dān)未支護(hù)階段的上覆地層豎向荷載為主，同時(shí)考慮到爆破振動(dòng)對(duì)注漿效果及管棚-地層接觸面接觸效果的影響，可近似忽略相鄰管棚之間的相互作用。每次開挖進(jìn)尺暴露的巖體屬于時(shí)間和空間上的移動(dòng)荷載，基于經(jīng)典楔形體模型，超前管棚與掌子面前方未開挖地層和后方既有初期支護(hù)之間的相互作用可用圖4描述。計(jì)算長(zhǎng)度：AB=8.0 m，BC=5.0 m，DE=3.5 m，EF=6.0 m。

圖4 超前管棚力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of advanced pipe shed

超前管棚采用線性梁?jiǎn)卧M，其與地層、初期支護(hù)之間的相互作用采用僅受壓彈簧模擬，荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.5 Load-structure calculation model

初期支護(hù)對(duì)超前管棚的彈性支撐剛度，可借助ANSYS 14.0建立數(shù)值計(jì)算模型求解得到，穩(wěn)定地層彈性抗力系數(shù)取自詳勘報(bào)告，擾動(dòng)地層考慮一定的折減系數(shù)，具體取值如表2所列。

表2 彈性抗力系數(shù)

2.2 管棚結(jié)構(gòu)模擬

超前管棚主要由鋼管和管內(nèi)砂漿組成，屬于二元材料組合構(gòu)件，一般將二者作為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性分析。GB 50936-2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[14]第4.2.5條規(guī)定：鋼管混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計(jì)算時(shí)，構(gòu)件截面抗彎剛度可按照下式計(jì)算。

EI=EsIs+ηcEcIc

(2)

式中：EI為管棚的等效抗彎剛度，MN·m2；Es、Ec為鋼管和管內(nèi)砂漿的彈性模量，MPa；Is、Ic為鋼管和管內(nèi)砂漿的截面慣性矩，m4；ηc為管內(nèi)砂漿抗彎剛度折減系數(shù)，取0.5。

利用ANSYS 14.0軟件建立荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，分別采用beam3、combin39單元模擬管棚和受壓彈簧。

3 計(jì)算結(jié)果分析

影響超前管棚變形大小和分布規(guī)律的因素主要有直徑、壁厚、布置環(huán)距、荷載高度以及彈抗系數(shù)。深埋巖質(zhì)隧道拱頂圍巖沉降設(shè)計(jì)允許限值為40 mm，大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示初支閉環(huán)后拱頂沉降約5～13 mm，為保證拱頂圍巖沉降可控并預(yù)留足夠的安全余量，以撓度20 mm作為控制標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到該值即表示超過管棚允許變形能力，對(duì)應(yīng)的最大允許開挖進(jìn)尺即為最優(yōu)開挖進(jìn)尺。

3.1 管棚直徑

開挖進(jìn)尺以0.5 m為初始值，每0.5 m為1個(gè)計(jì)算步距，分別計(jì)算42，60，76，89，108，127 mm 6種直徑規(guī)格管棚(小導(dǎo)管視為微型管棚)的撓度，計(jì)算撓度超過控制標(biāo)準(zhǔn)即可終止計(jì)算。關(guān)鍵計(jì)算步驟管棚變形曲線，以及管棚撓度隨直徑和開挖進(jìn)尺的變化曲線如圖6～8所示(計(jì)算參數(shù)：等效荷載高度7 m；管棚壁厚6 m；布置環(huán)距0.4 m)。

圖6 關(guān)鍵計(jì)算步驟管棚變形曲線Fig.6 Pipe shed deformation curves under key calculation steps

由圖7可知：當(dāng)管棚直徑一定時(shí)，撓度隨開挖進(jìn)尺的增加而逐漸增大，開挖進(jìn)尺越大，滿足撓度控制標(biāo)準(zhǔn)的管徑規(guī)格越少。從圖8可以看出：當(dāng)開挖進(jìn)尺一定時(shí)，管棚撓度隨管徑的增加而逐漸減小，管棚直徑越大，可供施工靈活選擇的開挖進(jìn)尺空間越大，說明不同直徑管棚支護(hù)下必然存在一個(gè)最優(yōu)開挖進(jìn)尺，如表3所列。

圖8 不同開挖進(jìn)尺時(shí)管棚撓度隨直徑變化曲線Fig.8 Variation curves of pipe shed deflection with diameter under different excavation footage

表3 不同管徑對(duì)應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺

結(jié)合圖7、圖8及表3可知：隨著管棚直徑的增大，最優(yōu)開挖進(jìn)尺整體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；不同最優(yōu)開挖進(jìn)尺時(shí)，并非管徑越大管棚對(duì)圍巖變形的控制效果越好，如89 mm和108 mm管棚；不同直徑管棚的最優(yōu)開挖進(jìn)尺也可能相同，如76 mm和89 mm管棚，但較大直徑管棚對(duì)地層變形的控制效果較好。因此，在保證施工風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下，宜優(yōu)先考慮大進(jìn)尺、小直徑管棚，或根據(jù)表3采用插值法選擇中間直徑規(guī)格的管棚。

3.2 管棚壁厚

影響管棚撓度的另一個(gè)重要參數(shù)是管棚壁厚，壁厚直接關(guān)系到管棚二元組合構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)剛度的大小。圖9～10分別為4，6，8，10，12，14，16，18，20 mm 9種壁厚規(guī)格管棚的撓度變化曲線(計(jì)算參數(shù)：等效荷載高度7 m；管棚直徑89 mm；布置環(huán)距0.4 m)，設(shè)定開挖進(jìn)尺范圍為0.5～2.5 m。

圖9 不同管棚壁厚時(shí)撓度隨開挖進(jìn)尺變化曲線Fig.9 Variation curves of deflection with excavation footage under different pipe shed wall thickness

圖10 不同開挖進(jìn)尺時(shí)管棚撓度隨壁厚變化曲線Fig.10 Variation curves of pipe shed deflection with wall thickness under different excavation footage

由圖9～10可知：隨著開挖進(jìn)尺的增加，不同壁厚管棚撓度變化曲線整體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，壁厚越大，撓度曲線變化越緩；不同開挖進(jìn)尺對(duì)應(yīng)的管棚撓度均隨著壁厚的增加而不斷減小，當(dāng)開挖進(jìn)尺不大于1.5 m時(shí)，撓度變化曲線近似與橫軸平行，基本不受管棚壁厚的影響；當(dāng)開挖進(jìn)尺大于1.5m時(shí)，管棚壁厚小于12 mm時(shí)撓度變化曲線斜率較大，超過12 mm后曲線走勢(shì)平緩。表4所列為不同管棚壁厚對(duì)應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺。

表4 不同管棚壁厚對(duì)應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺

從表4 可以看出：最優(yōu)開挖進(jìn)尺對(duì)管棚壁厚并不敏感，因此不可一味地通過增加壁厚來擴(kuò)大最優(yōu)開挖進(jìn)尺。以8 mm壁厚為分界，其下對(duì)應(yīng)1.5 m開挖進(jìn)尺，其上對(duì)應(yīng)2.0 m開挖進(jìn)尺，考慮到管棚注漿飽滿度難以保證以及砂漿開裂等不利因素的影響，建議優(yōu)先選擇8～12 mm中等壁厚管棚，工程性價(jià)比較高。

3.3 布置環(huán)距

目前，常用的管棚布置環(huán)距為0.3～0.6 m，以0.05 m為1個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)，分別繪制管棚撓度隨布置環(huán)距和開挖進(jìn)尺的變化曲線，如圖11～12所示(計(jì)算參數(shù)：等效荷載高度7 m；管棚直徑89 mm；管棚壁厚6 mm)。

圖11 不同管棚布置環(huán)距時(shí)撓度隨開挖進(jìn)尺變化曲線Fig.11 Variation curves of deflection with excavation footage under different circumferential spacing of pipe shed

圖12 不同開挖進(jìn)尺時(shí)管棚撓度隨布置環(huán)距變化曲線Fig.12 Variation curves of pipe shed deflection with circumferential spacing under different excavation footage

由圖11～12可總結(jié)如下規(guī)律：① 隨著開挖進(jìn)尺的增大，管棚撓度變化曲線整體上呈拋物狀走勢(shì)增加，布置環(huán)距越大，增長(zhǎng)速率越快。② 管棚撓度曲線隨著布置環(huán)距的增加，整體上呈線性增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，開挖進(jìn)尺越大，變化速度越快。③ 當(dāng)開挖進(jìn)尺不超過1.5 m時(shí)，撓度變化曲線走勢(shì)平緩，基本不受布置環(huán)距的影響；當(dāng)開挖進(jìn)尺大于1.5 m時(shí)，撓度曲線變化速度較快，布置環(huán)距對(duì)撓度的影響較為顯著。不同布置環(huán)距對(duì)應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺詳見表5。

由表5可知：布置環(huán)距對(duì)最優(yōu)開挖進(jìn)尺的影響較小，當(dāng)布置環(huán)距為0.4 m時(shí)，撓度超限百分比僅有9.5%。因管棚兼具承載和防護(hù)雙重作用，布置環(huán)距過小時(shí)容易導(dǎo)致相鄰鉆孔坍塌、連通，進(jìn)而降低管棚打設(shè)效率，而布置環(huán)距過大時(shí)又可能出現(xiàn)防護(hù)盲區(qū)，發(fā)生局部掉塊現(xiàn)象。因此，建議優(yōu)先考慮0.35～0.45 m的布置環(huán)距較為合理，撓度控制稍顯不足時(shí)可采用加大壁厚的方式解決。

表5 不同管棚布置環(huán)距對(duì)應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺

3.4 荷載高度

圍巖荷載是激發(fā)和發(fā)揮管棚承載能力的根本原因，以0.5 m荷載高度為一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)，繪制管棚撓度變化曲線如圖13～14所示(計(jì)算參數(shù)：管棚直徑89 mm，管棚壁厚6 mm，布置環(huán)距0.4 m)。

圖13 不同荷載高度時(shí)管棚撓度隨開挖進(jìn)尺變化曲線Fig.13 Variation curves of pipe shed deflection with excavation footage under different load heights

圖14 不同開挖進(jìn)尺時(shí)管棚撓度隨荷載高度變化曲線Fig.14 Variation curves of pipe shed deflection with load height under different excavation footage

圖13～14所示管棚撓度曲線變化規(guī)律與3.3節(jié)中類似，但撓度對(duì)荷載高度的敏感度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于布置環(huán)距，規(guī)律類似是因?yàn)椴贾铆h(huán)距、荷載高度直接影響的都是單根管棚承受圍巖荷載的大小，而敏感度不同是因?yàn)楹奢d高度變化引起荷載增量要遠(yuǎn)大于布置環(huán)距，撓度變化曲線對(duì)荷載高度的敏感度以開挖進(jìn)尺2.0 m為分界線。不同荷載高度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺詳見表6。

表6 不同荷載高度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺

從表6可以看出：89 mm管棚在不同高度的松散荷載作用下，存在一個(gè)最小的最優(yōu)開挖進(jìn)尺，其值為1.5 m，即當(dāng)采用1.5 m開挖進(jìn)尺施工時(shí)工程自身風(fēng)險(xiǎn)始終可控，且對(duì)地層的變形控制效果較好；隨著荷載高度的降低，最優(yōu)開挖進(jìn)尺逐漸增大，最大可達(dá)到3.0 m。因此，在設(shè)計(jì)和施工階段應(yīng)采取可靠措施維持、恢復(fù)和激發(fā)圍巖的自承能力，最大程度限制巖體發(fā)生松弛、離散破壞，如嚴(yán)格控制爆破振速、合理選擇開挖工法、超前預(yù)注漿加固、初支及時(shí)封閉成環(huán)等舉措，這對(duì)于降低圍巖松散壓力、擴(kuò)大開挖進(jìn)尺十分有利。

3.5 彈性抗力系數(shù)

管棚作為預(yù)先插入地層的梁式受彎構(gòu)件，兩端支座分別為掌子面后方既有初期支護(hù)和前方尚未開挖巖體，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)可知，支座下沉或其下地基沉降對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小和變形分布影響較大，以BC段初期支護(hù)彈性抗力系數(shù)為例，取值范圍為1～100 MPa/m，繪制管棚撓度隨彈抗系數(shù)的變化曲線，如圖15所示。

圖15 不同開挖進(jìn)尺時(shí)管棚撓度隨彈性抗力系數(shù)變化曲線Fig.15 Variation curves of pipe shed deflection with elastic resistance coefficient under different excavation footage

從圖15可以看出：初期支護(hù)作為管棚的彈性地基梁基礎(chǔ)，當(dāng)彈性抗力系數(shù)大于7 MPa/m時(shí)，初期支護(hù)能給管棚提供足夠的支撐剛度，掌子面后方管棚支座不會(huì)發(fā)生大幅度的沉降，撓度變化曲線走勢(shì)相對(duì)平緩，最優(yōu)開挖進(jìn)尺均為1.5 m，基本不受彈性抗力系數(shù)變化的影響；當(dāng)彈性抗力系數(shù)小于7 MPa/m時(shí)，撓度變化曲線呈現(xiàn)陡降的趨勢(shì)，彈性抗力系數(shù)對(duì)最優(yōu)開挖進(jìn)尺的影響十分顯著，施工過程中應(yīng)采取有效措施增強(qiáng)初期支護(hù)的彈性抗力系數(shù)，如加強(qiáng)鎖腳錨桿、加大初支厚度、縮小鋼架間距等措施。

4 結(jié)論與建議

本文以青島市構(gòu)造帶塊狀碎裂巖地層為工程地質(zhì)背景，以14.6 m跨度隧道為工程算例，僅考慮松散圍巖壓力，對(duì)不同管棚支護(hù)參數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下。

(1) 不同直徑管棚支護(hù)下最優(yōu)開挖進(jìn)尺隨著管徑的增大而增大，當(dāng)不同管徑對(duì)應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺相同時(shí)，宜優(yōu)先考慮小直徑管棚。

(2) 最優(yōu)開挖進(jìn)尺對(duì)管棚壁厚的變化不敏感，建議優(yōu)先選擇8～12 mm中等壁厚管棚，可實(shí)現(xiàn)最大的最優(yōu)開挖進(jìn)尺2.0 m。

(3) 管棚布置環(huán)距以0.35～0.45 m較為合理，能起到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)開挖進(jìn)尺施工與充分發(fā)揮管棚防護(hù)局部掉塊的雙重作用。

(4) 最優(yōu)開挖進(jìn)尺隨計(jì)算荷載高度的降低而逐漸增大，其值間于1.5～3.0 m，建議采取可靠措施減小圍巖松弛、離散程度，以期進(jìn)一步擴(kuò)大最優(yōu)開挖進(jìn)尺。

(5) 以BC段初期支護(hù)彈性抗力系數(shù)7 MPa/m為分水嶺值，高于此值時(shí)最優(yōu)開挖進(jìn)尺均為1.5 m，小于此值時(shí)最優(yōu)開挖進(jìn)尺則急速減小，需選擇合理的初支剛度并嚴(yán)格控制施工質(zhì)量以保證彈性抗力系數(shù)不低于分水嶺值。

城市地鐵工程周邊環(huán)境復(fù)雜，事故輿情態(tài)勢(shì)容易失控、搶救困難?？紤]到工程建設(shè)安全，青島市地鐵施工常用的開挖進(jìn)尺僅有0.5 m，遠(yuǎn)小于本文研究結(jié)論和成果(即便是采用直徑42 mm超前小導(dǎo)管@0.4 m布置環(huán)距，考慮塌方高度均值7 m時(shí)允許的最大開挖進(jìn)尺也能達(dá)到1.0 m)，說明現(xiàn)狀施工采用的開挖進(jìn)尺存在較大的保守余量。建議通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)建立不同地層條件下的圍巖壓力-時(shí)間變化曲線的大數(shù)據(jù)交互平臺(tái)，精準(zhǔn)量化圍巖松散壓力數(shù)值，以期數(shù)據(jù)化、信息化指導(dǎo)工程人員尋找合理、安全、經(jīng)濟(jì)的超前管棚支護(hù)參數(shù)以及相應(yīng)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺。