田四明，吳克非，劉大剛，王明年，王志龍，董宇蒼

(1.中國鐵路經(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)，促使我國隧道修建技術(shù)上取得了較大進(jìn)步。21世紀(jì)以來，我國鐵路隧道工程發(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，以鄭萬高鐵湖北段工程為代表的鉆爆法隧道全工序機(jī)械化施工拉開帷幕，并通過鄭萬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)合我國隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，對高原地質(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)展過程中。以支護(hù)結(jié)構(gòu)(支護(hù)和襯砌)為對象的設(shè)計(jì)理論為例，其發(fā)展過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)鍵是對荷載的處理。初期階段襯砌按拱形構(gòu)造只考慮主動荷載(松弛荷載)作用，沒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)開始，對決定隧道設(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，即圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有約束作用。從20世紀(jì)60年代開始，隧道襯砌設(shè)計(jì)不僅考慮了主動荷載也考慮約束作用產(chǎn)生的被動荷載(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，對隧道承受的荷載本質(zhì)的認(rèn)識也發(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，以研究開挖后的圍巖動態(tài)和圍巖與支護(hù)的相互作用為對象形成的理論體系。

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)力軟巖大變形問題、高地應(yīng)力硬巖巖爆問題日漸突出。針對軟巖大變形問題，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)于硬巖巖爆問題，隨著桑珠嶺隧道、巴玉等隧道的修建，在巖爆的預(yù)測評價(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)生過度變形，導(dǎo)致支護(hù)侵限甚至開裂，嚴(yán)重危及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性。

而目前針對高地應(yīng)力條件下軟巖隧道大變形問題，國內(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)動圍巖的承載性能，對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“被動支護(hù)”為“主動支護(hù)”，充分調(diào)動和發(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)階段對于軟弱圍巖隧道變形的控制仍然是困擾我國隧道修建的瓶頸問題之一，主要表現(xiàn)為：①重視并強(qiáng)調(diào)支護(hù)的被動承載，忽視對圍巖自支護(hù)能力調(diào)動的設(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]給出了主動控制變形概念，對主動變形控制技術(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)定性評價(jià)研究一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。為了防止掌子面破壞，需要對掌子面進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，故國內(nèi)外學(xué)者提出了較多的理論和數(shù)值模型來預(yù)測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挖過程的成拱效果，通過數(shù)值模擬試驗(yàn)用成拱率來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)成拱率來描述成拱效果。

綜上分析，對掌子面穩(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)法是通過對具有類似圍巖條件、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，圍巖分級系統(tǒng)的建立是各國關(guān)于工程經(jīng)驗(yàn)類比法研究的重點(diǎn)。目前，國內(nèi)外常用的圍巖分類分級體系有：挪威的Q系統(tǒng)(圖1，ESR為開挖安全率)、南非的RMR系統(tǒng)、RMi系統(tǒng)、GSI系統(tǒng)以及我國圍巖分級方法等。

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)算簡便、設(shè)計(jì)原理明確的優(yōu)勢，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)算模型見圖2。目前，眾多學(xué)者針對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)力場對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；能反映隧道開挖和支護(hù)對圍巖及支護(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)解析的方法對隧道力學(xué)行為進(jìn)行分析預(yù)測，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)法是通過施工中的大量信息來指導(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)場監(jiān)測設(shè)計(jì)法或動態(tài)設(shè)計(jì)法，其設(shè)計(jì)流程見圖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)也涵蓋了施工過程中的修正設(shè)計(jì)，形成了完整的設(shè)計(jì)過程。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；制定合理的量測方法監(jiān)控隧道支護(hù)體系力學(xué)行為；根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測選擇合理的支護(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；而針對高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)方法較少，目前僅有通過對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較少，同時(shí)也沒有形成一個(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，國內(nèi)均有相應(yīng)的研究。針對巖爆發(fā)生過程中的能量轉(zhuǎn)化，陳旭光等[24]開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)果為巖爆過程中的量級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)克服巖爆動能的確定方法。汪波等[28]通過錨桿支護(hù)對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?？梢钥闯觯瑖鴥?nèi)針對沖擊荷載和巖爆支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究并沒有很好結(jié)合。我國主要采用荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[29]，但目前針對沖擊荷載和巖爆支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究，并沒有給出作用在支護(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)勘測資料，高原鐵路雅林段隧道穿越砂板巖、泥頁巖、千枚巖等軟質(zhì)巖段落長度為444 km(占比53%)，共有39座隧道存在不同程度的軟巖變形問題。勘察揭示軟巖隧道實(shí)測高爾寺隧道最大水平地應(yīng)力為44 MPa，模擬分析預(yù)測芒康山隧道最大水平地應(yīng)力為58 MPa。由此可見，高原鐵路隧道具有大變形段落長、地應(yīng)力高的特點(diǎn)，必然導(dǎo)致隧道修建過程中所面臨的大變形問題將更為嚴(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)巖長度為394 km(占比47%)，共有28座隧道存在不同程度的巖爆問題?？辈旖沂旧纠剿淼缹?shí)測最大水平地應(yīng)力為35 MPa，模擬預(yù)測拉月隧道最大水平地應(yīng)力為75 MPa?？梢钥闯觯咴F路雅林段的地應(yīng)力水平遠(yuǎn)超過現(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

軟巖隧道變形主動支護(hù)設(shè)計(jì)理念主要是通過主動提高圍巖力學(xué)參數(shù)或降低施工對圍巖力學(xué)參數(shù)的損傷影響，并且主動及時(shí)地提供有效支護(hù)力，調(diào)動圍巖的自穩(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)，掌子面通過后量測開始前的變形ui(初始變形)，以及量測開始后的變形um(量測變形)，即

u=uf+ui+um

(2)

全變形也就是隧道開挖后在有支護(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)，圍巖變形的增大會進(jìn)一步劣化圍巖的力學(xué)參數(shù)，其為動態(tài)循環(huán)過程。及早主動地對圍巖的變形進(jìn)行控制，對于遏制圍巖力學(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，對高地應(yīng)力軟巖隧道主動支護(hù)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行詳細(xì)說明，見圖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。故對掌子面加固，保證掌子面的穩(wěn)定性對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)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表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]，注漿對圍巖的黏聚力、彈性模量有所提高，而對圍巖內(nèi)摩擦角影響較小，掌子面注漿加固見圖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，見圖10。

圖10 掌子面加固設(shè)計(jì)流程

(6)算例分析

以V級圍巖為例，隧道半徑為7.5 m，原巖應(yīng)力為15 MPa，對掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行評價(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)見表3 。

表3 計(jì)算參數(shù)

① 初始開挖掌子面穩(wěn)定性評價(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)見表4。

表4 掌子面錨桿參數(shù)

③ 加固掌子面穩(wěn)定性評價(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。即軟巖剛度(彈性模量E)對圍壓較為敏感，隨圍壓增大，呈逐漸增大趨勢，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；而黏聚力呈逐漸增大趨勢。

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)，圍巖在隧道開挖后會產(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，則無法得到相應(yīng)的封閉解，針對塑性區(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，對其進(jìn)行求解。

結(jié)合深埋圓形隧道開挖后的基本力學(xué)特征，本文求解過程，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，不考慮巖體自重影響； 隧道開挖擾動過程視為平面應(yīng)變問題；隧道開挖前，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；i為第i環(huán)。

圖13 塑性區(qū)圍巖分層示意

(21)

通過上述的差分求解，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。通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可得到任意層處圍巖徑向應(yīng)變εr(i)、切向應(yīng)變εθ(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)果見圖14。

由圖14可見，在圍巖應(yīng)力、位移場及塑性區(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)變化過程，使計(jì)算過程更符合實(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Flac3D軟巖常規(guī)計(jì)算過程中無法考慮圍巖力學(xué)參數(shù)變化隨圍壓的變化過程，基于Fish語言，通過循環(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)自動更新過程；進(jìn)而，通過對采用數(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)力分布對比

同時(shí)，基于大量三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖17，采用麥夸特法及通用全局優(yōu)化法對圍巖縱向變形曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行擬合。擬合過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)特征曲線見圖18，以初始應(yīng)力場為靜水壓力場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(見圖18中AB段)。不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)塑性變形長度不同，如當(dāng)支護(hù)壓力到達(dá)或超過支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載能力時(shí)，鋼拱架會發(fā)生較大的塑性變形，但錨桿或噴射混凝土結(jié)構(gòu)會經(jīng)過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。

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。

對于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的評價(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)上的荷載不能超過支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載能力，且具有一定的安全儲備，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，對于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)，相應(yīng)地，采用兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(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，主要控制隧道開挖后洞周位移變化，隧道開挖后洞周位移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)控量測技術(shù)規(guī)程》[40]查表得到。

(5)算例分析

以Ⅳ級圍巖為例，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)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過穩(wěn)定性判定方法對初期支護(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)見表5。其中，計(jì)算中涉及到的隧道斷面幾何參數(shù)均來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)力硬巖隧道主動支護(hù)設(shè)計(jì)方法

3.2.1 設(shè)計(jì)理念

隧道開挖導(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，彈性勢能轉(zhuǎn)為動能，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(儲存彈性勢能)相關(guān)，故對于巖爆的控制，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，均可通過主動改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)來控制。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，通過能量分析，明確巖體中存儲的應(yīng)變能的大小，以及在其所釋放的能量中，有多少能夠轉(zhuǎn)化成爆塊動能。在發(fā)生巖爆時(shí)，儲存在巖體中的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化過程見圖23。

圖23 能量轉(zhuǎn)化過程

其次，確定爆塊塊體大小與速度。通過對已有巖爆工程的發(fā)生特征進(jìn)行調(diào)研，可以得到不同等級巖爆的爆塊形態(tài)及塊體大小等特征。在爆塊的動能已知的前提下，采用動能計(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，因此也就沒有荷載作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上。

通過以上分析可以看出，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)，從而對其安全性有一個(gè)定量判斷。對安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求的或者雖滿足要求但安全儲備較小的支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以對其支護(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)過程見圖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)爆塊動能

通過上述對巖石破壞過程能量變化過程的分析可知，儲存在巖體中的能量并不會完全以動能釋放，有一部分能量會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)化為動能，并以巖爆的方式釋放出來。

釋放動能大小的計(jì)算包括兩個(gè)過程，首先是外力做功，將能量蓄積在巖體內(nèi)，在這個(gè)過程中，會有一部分能量用來拓展劣化圍巖間的裂隙，在達(dá)到臨界條件時(shí)才會發(fā)生巖爆，在釋放能量的過程中，該部分能量不會再被釋放，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，而不是全部以動能釋放。下面針對這兩個(gè)過程分別分析，最終確定巖爆發(fā)生時(shí)所能釋放的動能。

第一個(gè)過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)測試曲線見圖25。

圖25 Wet測試曲線

文獻(xiàn)[42]給出的不同等級巖爆對應(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)過程中釋放的所有彈性應(yīng)變能中動能所占的比例，巖石剪切破壞過程釋放的各種能量中動能所占的比例和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系，見圖26。

圖26 釋放動能占比與內(nèi)摩擦角關(guān)系

由圖26可知，釋放的能量中動能所占的比例以內(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，可按照圖26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)長的橢圓片體，爆裂型巖爆巖體多為塊體。一般來說，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)爆坑中會有不止一塊爆塊彈射出來，并且有的塊體落地后會碎裂為幾塊。綜合考慮，從爆坑的角度分析計(jì)算爆塊大小會更合理，而爆坑以V型最為常見。

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

表7 巖爆影響深度

選取不同巖爆等級的影響深度，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)量見表8。

表8 爆塊質(zhì)量

計(jì)算得到的爆塊速度見表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，即可得到動荷因數(shù)為

(54)

式中：K為動荷因數(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，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]對現(xiàn)場的巖爆發(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)爆塊邊長的一半。荷載施加示意圖見圖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，施工過程中，巖爆多動頻繁。在平導(dǎo)K261+820—K261+940之間120 m的長度內(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。開挖掘進(jìn)至K261+909時(shí)，發(fā)生較嚴(yán)重巖爆活動，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，對圍巖灑水、應(yīng)力解除等輔助措施未進(jìn)行充分考慮。

通過以上分析，可知該研究仍有一定不足，但鑒于目前國內(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備。

4 高原鐵路隧道主動支護(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題尤為突出，本文主要針對高地應(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)及施工問題展開分析，其中相較于軟巖大變形隧道，巖爆隧道施工安全性問題更為明顯，故本節(jié)將結(jié)合大型機(jī)械化配置對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，對施工人員安全造成一定威脅，且會造成小型機(jī)械設(shè)備被砸壞、錨桿鉆機(jī)受損等，對工序影響較大。

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，對施工人員安全及心理造成嚴(yán)重影響，且易造成施工臺架砸壞、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，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，對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，減少巖爆對工程進(jìn)度影響，對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，隨著我國高速鐵路的發(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)問題突出，施工時(shí)間對保證隧道穩(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，見圖29，故大型機(jī)械化施工對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)效對比分析

圍巖參數(shù)與洞周變形關(guān)系曲線見圖30，圍巖塑性去隨支護(hù)力變化見圖31，不同支護(hù)剛度下圍巖塑性區(qū)變化見圖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、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。施工擾動問題及支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作速度均可通過機(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)力的提供問題則可通過早高強(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)一步說明了大型機(jī)械化施工、高性能主動支護(hù)構(gòu)件施作對于保證隧道穩(wěn)定性的重要性。故隧道施工過程中應(yīng)對高性能主動支護(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)械化配套配置超長距離取芯鉆機(jī)(千米級)；開挖作業(yè)線配置三臂鑿巖臺車，混裝炸藥設(shè)備兩臺；大坡度長斜井工區(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、防水板自動鋪設(shè)臺車、智能化模板臺車、養(yǎng)護(hù)作業(yè)臺車、溝槽臺車等設(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)；開挖作業(yè)線配置兩臺三臂鑿巖臺車；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車、溝槽臺車等低投入機(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，實(shí)現(xiàn)了大斷面隧道機(jī)械化施工的空間屬性、過程信息、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、平臺化，并對輕量化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，見圖34。

圖34 隧道信息化管理平臺

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)境下隧道主動支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算模型，主要結(jié)論如下：

(1)通過對現(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，故提出了對大型機(jī)械化隧道施工過程中高性能支護(hù)構(gòu)件施作合理性及質(zhì)量保證的要求。