摘要：進行雙線高速鐵路隧道全斷面機械化開挖時對圍巖穩定性評價的要求較高，雖然大面積開挖對隧道受力特性及穩定性具有一定影響，但由于隧道采用全斷面機械化施工，初期支護的施作能夠及時封閉成環，圍巖仍具有一定自穩能力。而既有大斷面隧道在進行支護設計時未充分考慮圍巖自穩能力，因此需要就高鐵隧道全斷面機械化下圍巖穩定性及支護優化就行研究。首先，以黃(岡)黃(梅)高速鐵路劉元隧道為依托工程，通過巖石常規三軸試驗獲得準確可信的數值計算參數;其次，采用強度折減法，數值求解依托工程工況下的安全系數，以安全系數作為評價指標，評價依托工程工況下的圍巖穩定性;然后，以拱頂沉降位移及邊墻收斂位移作為評價圍巖穩定性的定量指標，對依托工程進行支護參數優化研究，得到適用于依托工程的合理初期支護參數;最后，通過現場監測數據對采用優化后支護參數段隧道圍巖穩定性進行驗證。結果表明：雙向高速鐵路隧道全斷面機械化開挖時具有良好的自穩能力，且在強度折減法分析中，拱頂沉降及邊墻收斂對折減系數變化敏感;可將拱頂沉降及邊墻收斂作為評價指標，得到適用于依托工程的優化支護參數;現場監測數據驗證了采用優化后參數段隧道的圍巖穩定性和優化參數的合理性。

　　關鍵詞：鐵路隧道;強度折減法;圍巖穩定性;支護優化;現場監測;全斷面機械作業

　　引言

　　高鐵隧道全斷面機械化作業具有開挖斷面大、工程風險高、技術難度大、建設工期緊等特點。一方面，隧道大面積開挖會對圍巖的變形和失穩造成一定影響，情況嚴重時將會增大隧道施工風險、危及人身安全;另一方面由于隧道采用全斷面機械化施工，初期支護的施作又能夠及時封閉成環，有利于圍巖穩定性。且隧道全斷面機械化施工明顯地改變了傳統以人工開挖、半機械化作業經驗所形成的設計施工規范及相應的圍巖分級標準，導致原有規范及標準的適用性降低，相關研究和工程案例可提供的施工經驗也較少。

　　目前，已有眾多學者對大斷面隧道的支護形式開展了大量研究。Kang等[1]以大斷面鐵路隧道為背景，采用DEA算法對初支厚度、錨桿長度及間距進行優化分析，得出在隧道埋深增加過程中，應相應增厚初支的厚度，以保證隧道圍巖的穩定性。Zhao等[2]提出了一種基于LSSVM/ABC的錨桿加固隧道的可靠性優化方法，對錨桿長度、數目及間距進行優化分析，研究表明該方法精度高、可靠性強、優化效率高。Kim等[3]針對大斷面隧道支護措施進行研究，通過改進鋼架連接及結構形式，改善了傳統格柵拱架的承載能力。

　　Rodríguez等[4]基于支護特性曲線及支護結構的變形協調性，推導得出大斷面隧道初支鋼架受力形式及初支噴混的應力形式，研究結果對支護結構的優化提供一定的理論依據。Choi等[5]針對軟巖大斷面隧道工程，利用現場監測及數值計算方法，研究了能確保圍巖穩定性的最佳支護施作時機。張全全[6]以淺埋大斷面隧道工程為背景，采用數值分析、理論計算等方法，研究大斷面隧道圍巖變形特征及支護參數優化，研究結論對控制大斷面隧道圍巖穩定提供依據。

　　劉大剛等[7]基于極限平衡法得出不同支護措施下掌子面穩定系數公式，并結合現場實測數據分析，建立大斷面機械化施工隧道支護模型，并將研究成果成功應用到鄭萬高鐵隧道工程。牛澤林等[8]以大斷面板巖隧道為背景，研究不同工法對圍巖穩定性的影響，表明兩臺階法施工較CD法對圍巖穩定性的影響小，并針對性的提出支護措施，保證了隧道施工中的安全。葉萬軍[9]等針對大斷面黃土隧道開展支護結構優化研究，通過數值計算及監測數據分析支護的受力特征，研究指出支護結構較為薄弱部位，提出相應加固措施。

　　李術才等[10]針對超大斷面軟巖隧道圍巖穩定問題開展研究，通過模型試驗真實再現大斷面隧道開挖過程，在分析開挖過程中圍巖變形及受力規律后，提出軟巖隧道大斷面開挖造成的圍巖擾動范圍為三倍洞徑，盡早施作支護可改善圍巖的穩定。綜上，雖然目前就大斷面隧道的受力形態和支護形式進行了一定的研究，但既有研究未充分考慮圍巖的自穩能力和大斷面隧道機械化作業時支護施作及時成環對圍巖穩定性的有利之處。綜上，本文以黃(岡)黃(梅)高速鐵路劉元隧道作為依托工程，運用強度折減法計算安全系數，定量分析圍巖穩定性，對初期支護進行優化設計，并結合現場監測數據，對初期支護優化設計效果進行驗證。

　　1工程概況

　　本文以黃(岡)黃(梅)高速鐵路劉元隧道作為依托工程。劉元隧道隧址區位于武穴市大金鎮境內，為單洞雙線隧道，采用全斷面機械化作業施工。隧道全長605m。隧道進出口里程分別為：DK90+660、DK91+265;所處地區為丘陵地貌，隧道最大埋深89m，隧道區主要巖性為石英片巖，全~弱風化，單軸飽和抗壓強度平均值為39.79MPa，地表水無腐蝕性、弱發育。劉元隧道典型里程段(DK90+60~DK90+80)為IV級圍巖，埋深30m，隧道跨度14.7m。原設計依據圍巖分級及工程類比法[11]。

　　2圍巖力學特性實驗

　　本文利用巖石常規三軸試驗測定依托工程圍巖力學參數，以獲得準確、可信的依托工程圍巖力學參數，用于后續數值計算研究。

　　2.1試樣參數

　　本次巖石常規三軸試驗所用標準試件均取自黃黃鐵路HHZQ3標劉元隧道DK90+060080里程現場掌子面，取樣方法為現場鉆芯，隨后用現場實驗室切石機進行加工。試樣為天然狀態下石英片巖，直徑50mm，高100mm。

　　2.2試驗結果分析

　　2.2.1巖石抗剪強度指標計算

　　2.2.2巖石應力應變關系

　　依據巖石常規三軸試驗獲得石英片巖達到峰值應力之后的應力—應變全過程曲線可知[1214]：此次試樣曲線并沒有表現出明顯的壓密階段，隨著圍壓的增大，巖石試樣峰值強度逐漸增大，超過峰值強度后，此時巖石試樣內部裂隙繼續發展，最后可以觀察到峰值強度后的殘余應變和殘余強度曲線。

　　2.2.3圍巖物理力學參數的確定

　　利用HoekBrown強度準則，可將上述由常規三軸試驗得到的巖石物理力學參數轉化為現場巖體的物理力學參數。

　　3基于強度折減法的隧道穩定性分析

　　鄭穎人、胡文清、張黎明等人[1821]利用強度折減法，將安全系數的概念引入巖質隧道的穩定性分析。安全系數具有一定的力學意義，可以作為隧道穩定性評價的定量指標。因此本文利用強度折減法，求出毛洞隧道圍巖的安全系數，以此定量評價圍巖的穩定性。

　　3.1強度折減法原理及失穩判據

　　強度折減法是通過不斷的折減圍巖的內摩擦角及黏聚力，在此過程中分析特征點變化規律，直到所分析的指標表明圍巖達到失穩極限狀態。

　　使用強度折減法計算隧道工程的安全系數時，關鍵在于選用合理失穩判據確定隧道圍巖處于臨界極限平衡狀態，現有的判據有以下幾種：(1)塑性區貫通。一般來說，塑性區貫通是隧道失穩的必要不充分條件。若單單只以塑性區是否貫通作為判據會導致求得圍巖的安全系數F偏小。(2)計算不收斂。以此為判據需人為設定計算精度及步數等，具有一定的主觀性，計算結果也未必準確。同時計算模型網格、計算軟件對計算的收斂性也具有一定影響。(3)特征點位移突變。在強度折減計算過程中，圍巖及結構特征點位移會隨著折減系數Fs而變化，當在某一Fs下位移發生突變，即可認為該Fs為安全系數F。

　　隨著折減進行，當圍巖強度降低到某一臨界值時，隧道會產生破壞�，F場施工過程中，施工人員常利用隧道特征點(拱頂、洞周、仰拱)監測數據以此判斷是否穩定。因此，以此作為隧道圍巖失穩的判據是可行的。綜上，以特征點位移突變作為隧道圍巖失穩的主要判據最為直觀且最易判斷[22]，因此本文選擇特征點(拱頂、拱腰、拱肩、仰拱等部位)位移是否發生突變為隧道圍巖失穩的主要判據。

　　4初期支護優化研究

　　根據第3節中無支護狀態下隧道各測點位移隨折減系數的變化特點，由于拱頂豎向位移以及邊墻水平位移對折減系數的變化較為敏感，本文以隧道拱頂沉降位移以及邊墻收斂位移作為評價不同初期支護工況下圍巖穩定性的指標，作為初期支護優化研究的依據，從初期支護中涉及的初期支護厚度、鋼架縱向間距及錨桿長度三方面進行數值模擬優化研究。數值計算時采用計算的模型尺寸，采用實體單元模擬初支，采用Beam單元模擬鋼拱架，采用Cable單元模擬錨桿，并施加80kPa的預應力;開挖過程選用全斷面開挖。

　　考慮到雙線高鐵隧道全斷面機械化施工中開挖與支護施作存在間隔時間，支護施作難免存在滯后的情況，本文在數值模擬中將初期支護的施作落后開挖一個循環(一次開挖進尺4m);文獻[25]中研究了噴射混凝土彈性模量隨時間發展規律，結果表明：在噴射混凝土施作后2小時內，噴射混凝土彈性模量僅為2.043GPa，在24小時內噴射混凝土彈性模量迅速增長，并在28天內發展達到終值23GPa。因此，本文通過模擬噴射混凝土彈性模量的發展，考慮初支強度發展。在數值模擬中噴射混凝土剛剛施作時，認為其彈性模量僅發揮10%，至下一循環恢復100%。

　　5基于現場監測數據的圍巖穩定性分析

　　如前文所述，拱頂沉降位移及邊墻收斂位移對折減系數變化敏感，因此本文以拱頂沉降位移及邊墻收斂位移作為評價圍巖穩定性的定量指標。為了現場驗證優化方案的安全性和可行性，本節通過對采用由第4節中確定的優化支護參數的依托工程DK90+060~DK90+080里程段進行拱頂沉降、水平收斂現場監測，進而評價采取支護優化方案后的隧道圍巖穩定性。

　　DK90+060里程段現場監測拱頂沉降穩定后最終值為4.92mm，數值模擬值為2.65mm，相差2.27mm;水平收斂穩定后最終值為0.73mm，數值模擬值為0.33mm，相差0.40mm。整體上來看，實測數據相比數值計算結果具有一定偏差，造成這一結果的原因可能有以下幾點：

　　(1)數值計算時并未考慮地下水、節理裂隙等對最終計算結果的影響;(2)實際工程中采用光面爆破開挖，模擬時暫沒有考慮該因素的影響;(3)模擬時支護得以及時的進行施作，在實際施工中，由于種種原因，支護的施作或多或少有一定的滯后性。盡管現場監測數據較數值計算結果具有一定偏差，但現場監測結果均處于正常安全結果以內，因此現場監測結果仍能夠證明支護優化參數的安全性和合理性。

　　6結論與討論

　　(1)本工程中的石英片巖在試驗過程中未表現出明顯的壓密階段，隨著圍壓的增大，巖石試樣峰值強度逐漸增大。結合HoekBrown強度準則以及MohrCoulomb強度準則對三軸試驗結果進行修正，得到現場巖體的物理力學參數。

　　(2)以位移突變為判據，采用強度折減法，就高鐵隧道全斷面機械化作業條件下無支護狀態隧道圍巖穩定性進行分析，計算得出無支護狀態隧道圍巖的安全系數為2.02，具有良好的自穩能力。在強度折減法分析中，拱頂沉降及邊墻收斂對折減系數變化敏感，應在監測過程中加強對拱頂沉降及邊墻收斂的監測，以保證隧道圍巖穩定性。

　　(3)將拱頂沉降及邊墻收斂作為評價圍巖穩定性的定量指標，對全斷面機械作業雙線高鐵隧道進行初期支護優化研究，得到適用于劉元隧道的合理初期支護參數：初支噴射C30混凝土20cm，選用I18鋼拱架縱向間距2.0m，錨桿長4.5m，環向間距1.0m，縱向間距2.0m。可為同類工程的設計施工提供參考和依據。

　　(4)通過現場監測數據的分析，隧道拱頂沉降最終值為4.92mm，自監測之日起，27d后拱頂沉降速率小于0.15mm/d，隧道拱頂沉降達到穩定;水平收斂最終值為0.73mm，自監測之日起，27d后收斂速率趨于穩定并小于0.2mm/d，水平收斂達到穩定。表明圍巖變形得到有效控制，驗證優化后支護參數的安全性和合理性，工程效益顯著。

　　(5)本文在基于圍巖穩定性進行初期支護優化研究時僅從初期支護中涉及的初期支護厚度、鋼架縱向間距及錨桿長度三方面進行了初期支護優化研究，針對初期支護參數優化方面的研究不夠深入。后續可進行進一步的研究，如考慮隧道埋深及開挖進尺對圍巖穩定性的影響，對初期支護參數優化進行更深入的研究。

　　參考文獻(References)：

　　[1]KangKN,AnJS,KimBC,etal.OptimizationoftunnelsupportpatternsusingDEA[J].JournalofKoreanTunnellingandUndergroundSpaceAssociation,2018,20(1):211.

　　[2]ZhaoH,RuZ,ZhuC.Reliabilitybasedsupportoptimizationofrocboltreinforcementaroundtunnelsinrockmasses[J]..PeriodicaPolytechnicaCivilEngineering,2018,62(1):250.

　　[3]KimHJ,BaeGJ,KimDG.Evaluationoftheperformanceforthereformedlatticegirders[J].JournalofKoreanTunnellingandUndergroundSpaceAssociation,2013,15(3):201.

　　[4]RodríguezR,DíazAguadoMB.Deductionanduseofananalyticalexpressionforthecharacteristiccurveofasupportbasedonyieldingsteelribs[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2013,33:159.

　　作者：劉雨萌1，張俊儒1，*，何冠男2，燕波1，王智勇1