中老鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道合理支護時機研究

【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)與掌子面推進距離間的關(guān)系，形成合理支護時機確定方法?；诘貞?yīng)力實測結(jié)果，采用有限差分軟件對不同圍巖等級條件下高地應(yīng)力軟巖隧道開挖過程進行模擬，分析圍巖位移演化規(guī)律及圍巖安全系數(shù)變化規(guī)律，確定合理支護時機。研究結(jié)果表明：（1）III級圍巖條件下，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;（2）各級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）各級圍巖條件下整體變形趨勢相同，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級圍巖條件下，合理支護時機分別為掌子面通過目標(biāo)斷面12.5 m，0.5 m，V級圍巖則需超前支護確保隧道圍巖穩(wěn)定。研究成果可為高地應(yīng)力軟巖隧道合理的支護方案設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】高地應(yīng)力； 安全系數(shù)； 位移完成系數(shù)； 支護時機； 有限差分

【中圖分類號】U455.7【文獻標(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。選擇合理支護時機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。

目前，針對高地應(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結(jié)構(gòu)施作時機問題進行了大量研究工作。楊鑫等［1］針對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)場測試分析掌握了高地應(yīng)力軟巖圍巖松動圈范圍以及隧道大變形特征。進而提出了優(yōu)化斷面形式、超前支護、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，對隧道變形特征、致災(zāi)因素以及力學(xué)破壞模式進行了研究，提出了包含掌子面排水、超前支護等措施在內(nèi)的“內(nèi)外結(jié)合”的主動控制理念。譚忠盛等［4］采用室內(nèi)外試驗和數(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)整支護結(jié)構(gòu)參數(shù)等針對性控制措施。周子寒等［5］基于DP準(zhǔn)則，建立了確定支護結(jié)構(gòu)體系支護時機的力學(xué)模型，分別對圍巖級別、埋深條件下的支護時機進行了計算分析。

綜上所述，許多學(xué)者對高地應(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行了研究。針對隧道合理支護時機也有一定研究成果，但大多從結(jié)構(gòu)的安全性入手，并未考慮支護時機與圍巖變形趨勢的互饋關(guān)系。基于此，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時機研究。基于摩爾-庫倫準(zhǔn)則提出評價巖體安全狀態(tài)的方法，進而建立圍巖安全系數(shù)與支護時機的關(guān)系?；诮Y(jié)合實測地應(yīng)力條件，對不同圍巖等級隧道合理支護時機進行計算和分析。

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級圍巖段落占隧道長度的80%，圍巖“強度應(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，進行了水壓致裂原地應(yīng)力測量，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。

1.2 數(shù)值模型

為了減小荷載邊界效應(yīng)的影響，計算模型邊界條件設(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算工況的模型圖1所示。

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

1.3 計算參數(shù)選取

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

2 支護時機確定方法

2.1 巖體安全系數(shù)評價方法

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的應(yīng)力狀態(tài)與強度包絡(luò)線的距離，如圖2所示。

將強度包絡(luò)線向下平移，即對應(yīng)儲備安全裕度，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時機研究

可見，隨掌子面推進，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。為表征不同圍巖條件下的變形演化規(guī)律，對變形曲線進行歸一化處理，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，對隧道開挖應(yīng)力釋放過程進行數(shù)值模擬。得到不同應(yīng)力釋放率對應(yīng)的圍巖的位移以及安全系數(shù)。

計算目標(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）

分別計算各應(yīng)力釋放率對應(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）

分別計算各應(yīng)力釋放率對應(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 合理支護時機確定方法

合理的支護時機確定方法應(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)評價方法，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)確定對應(yīng)的相對掌子面距離x，該x值即為合理支護位置（時機）。

3 計算結(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至距監(jiān)測斷面25 m處時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)可以方便對比不同圍巖條件下的圍巖變形情況。

可以看出，各級圍巖條件下整體變形趨勢相同。當(dāng)掌子面距離監(jiān)測斷面-10 m時，三條曲線基本重合，之后開始出現(xiàn)明顯差異，當(dāng)掌子面到達監(jiān)測斷面時，III級圍巖已產(chǎn)生的變形量與最終變形量的比值最小，為34.3%，IV級圍巖、V級圍巖分別為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 支護時機確定

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

III級圍巖自穩(wěn)性好，掌子面通過監(jiān)測斷面12.5 m時，圍巖整體安全系數(shù)下降至1.0，在此之前是支護的最佳時機。同理，按上述方法確定IV、V級圍巖條件下的合理支護時機，如圖7、圖8所示。IV級圍巖情況下，圍巖自穩(wěn)性差，掌子面通過監(jiān)測斷面0.5 m時，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，以保證圍巖穩(wěn)定。而V級圍巖條件下，在掌子面距離監(jiān)測斷面還有7.5 m時，安全系數(shù)便已不能滿足要求，表明需要采用超前支護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，提出了合理支護時機確定方法?；诘貞?yīng)力實測結(jié)果，采用有限差分軟件對高地應(yīng)力軟巖隧道情況下，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級的圍巖條件下合理支護時機進行了研究。研究結(jié)果表明：

（1）III級圍巖條件下，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。

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

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

參考文獻

［1］ 楊鑫， 王建軍， 周波， 等. 中老鐵路沙嫩山隧道施工變形特征及控制技術(shù)［J］.人民長江， 2022， 53（S2）： 109-112.

［2］ 劉千里， 王永順， 王建軍， 等. 中老鐵路沙嫩山隧道大變形區(qū)段松動圈發(fā)展規(guī)律及控制技術(shù)［J］. 鐵道建筑， 2022， 62（11）： 103-106.

［3］ 袁青， 陳世豪， 肖靖， 等. 淺埋富水軟巖隧道大變形機理與控制研究［J］. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報， 2022， 42（4）： 723-731.

［4］ 譚忠盛， 李松濤， 王建軍， 等. 中老鐵路隧道軟弱圍巖大變形特征試驗研究［J］.中國鐵道科學(xué)， 2021， 42（4）： 98-106.

［5］ 周子寒， 何川， 陳子全， 等. 基于圍巖變形主動控制理念的隧道支護時機虛擬支撐力法［J］. 中國鐵道科學(xué)， 2022， 43（6）：76-88.

［基金項目］高鐵聯(lián)合基金（項目編號：U1934213）

［作者簡介］馬有良（1972—），男，本科，高級工程師，研究方向為鐵路工程施工及建設(shè)管理。

［通信作者］張志強（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。