隧道局部支护与系统支护判别标准及方法研究

肖明清，徐 晨

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，武汉 430063)

引言

支护结构为隧道开挖后施作，用于维持隧道稳定和耐久性的结构物，我国交通隧道一般采用复合式衬砌，容许围岩产生一定变形，而又充分发挥围岩自承能力，一般由初期支护、防水层和二次衬砌组合而成[1]。

GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》、GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》等规范给出了地下工程自稳能力的定性判断标准，对各级围岩按照开挖跨度进行了自稳时间及可能出现的塌方程度预测，但未能明确隧道开挖后是否需要支护、需要什么类型支护的问题[2-3]。我国铁路隧道与公路隧道各级围岩支护结构参考图中，仅对Ⅱ级围岩采用随机锚杆，喷层、钢架、二次衬砌等系统支护方式，同时对隧道拱部、边墙、仰拱区域进行了一定程度的不等强设计。Q法支护参数参考图根据横轴Q值(岩石质量)与纵轴S(等效尺寸)将支护参数表划分为9个不同类型的支护区，其中，第1类无需支护或局部锚杆、第2类局部锚杆、第3～5类采用系统锚杆+喷纤维混凝土、第6～7类喷混凝土钢筋肋+锚杆、第8类必要时采用模筑混凝土衬砌[4-5]。可见，一方面，国内外喷锚支护复合式衬砌以类比设计为主，缺乏对支护结构量化的设计方法；另一个方面，国内外对支护结构的研究以系统支护为主，在围岩自稳性能良好时，采用等刚度系统支护显然有悖经济性。

文献[6-7]论述了临界稳定断面概念，认为自稳裸洞与临界稳定断面之间的围岩起到承载结构的作用，当该部分围岩被开挖或者破坏，将对隧道的平衡状态产生影响导致围岩失稳，并根据围岩稳定性安全系数将隧道稳定性分为自稳无需支护和需补充工程支护措施两种，但对系统支护和局部支护判别缺少深入研究[6-7]。

基于隧道无支护开挖后的围岩破坏区分布特征，研究了局部支护和系统支护的划分标准与方法，可为隧道支护结构量化与优化设计提供帮助。

1 局部支护与系统支护判别标准及方法

当采用安全系数法对隧道结构进行设计时，以隧道接近或达到破坏阶段为研究对象，而结构接近破坏时，可近似采用无支护状态进行描述。因此，分析隧道无支护开挖后的围岩破坏区并进行相应分级和适当支护，对于支护的可靠性方面是偏于安全的。

1.1 基于有限元计算流程与计算方法

通过有限元分析软件实现围岩稳定性的计算分析与判别，步骤如下。

(1)建立有限元平面应变模型，为简化分析，忽略中间主应力σ2的影响，围岩采用弹塑性本构关系，采用莫尔-库伦破坏准则；将围岩物理力学参数按照式(1)、式(2)进行强度折减，折减系数取1.15；隧道与模型边界距离大于3～5倍的隧道跨度，通过位移和应力边界组合模拟初始地应力场。

c′=c/Fs

(1)

tanφ′=tanφ/Fs

(2)

式中，c′为折减后黏聚力；φ′为折减后内摩擦角；Fs为强度折减系数。

(2)求解隧道无支护开挖时的破坏区，一般情况下围岩的破坏形式主要有剪切破坏和受拉破坏[7]。

(3)建立基于围岩破坏区分布特征的支护方式划分标准，对围岩自稳、局部支护、分区不等强系统支护、等强系统支护4种支护状态进行判定与划分。

1.2 围岩破坏判据

1.2.1 基于极限剪应变的围岩破坏判据

图1 理想塑性本构应力-应变曲线

(3)

1.2.2 围岩张拉破坏判据

岩体抗拉强度指标一般难以直接测定，当采用莫尔库伦准则求解时往往会过高估计围岩的抗拉强度，见式(4)。Hoek-Brown准则考虑了节理裂隙对岩体强度的影响，E.Hoek等[8]对广义非线性Hoek-Brown准则与直线型M-C准则的拟合与换算关系进行了研究，如图2所示，当阴影部分面积最小时，M-C直线与H-B曲线差异性最小。

图2 广义H-B准则与等效M-C准则拟合

(4)

根据Hoek-Brown准则，建立岩体压拉强度比值关系，即

(5)

式中，σc为岩体抗压强度；σt为岩体抗拉强度；mi为岩块的Hoek-Brown常数；GSI为地质强度指标；s、a为取决于岩体特征常数；D为扰动权重系数。

由式(5)可知，当围岩完成性较好时，即GSI=100，岩体与组成岩体岩块的物理力学特性一致，压拉强度比等于岩块的Hoek-Brown常数mi；当岩体被存在的节理裂隙分割时，岩体压拉强度比相对于完整岩块将有一定折减，折减系数为η，与GSI、D相关。以上参数可根据文献[9-10]结合隧道场地综合条件选取。

1.3 基于破坏区分布特征的支护判别标准

采用有限元计算，隧道无支护开挖后采用极限剪应变判定围岩的稳定性，需考虑极限应变的围压约束效应。提取隧道开挖后洞周小主应力σ3近似等效为径向力，大主应力σ1则近似等效为切向应力。需要说明的是，平面应变模型忽略了中间主应力σ2的影响，计算结果略为保守。按照式(3)计算小主应力σ3作用下的岩体允许极限应变值，如该值小于围岩最大剪应变的计算结果，则判定该部分围岩已进入破坏状态，圆形隧洞围岩松动区内滑裂面为一对对数螺线[11]，如图3所示。图3中，λ为侧压力系数；R0为隧道开挖半径；h0为破坏区高度。

图3 隧道滑移破坏区(λ=1)

当隧道开挖后洞周形成拉破坏区，破坏区围岩全部质量将由支护结构承担。

因此，隧道开挖后，洞周围岩根据受力形态形成了一系列潜在的塌方区，破坏区的形成是隧道支护力的来源，也是需要支护的对象。

TB10003—2016《铁路隧道设计规范》[11]、JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范第一册土建工程》[12]中指出，塌方高度大于6 m，塌方体积大于100 m3的塌方称为大塌方；塌方体积在30～100 m3，塌方高度介于3～6 m称为中塌方；塌方体积小于30 m3，塌方高度小于3 m称为小塌方。判定围岩失稳破坏的临界深度与断面大小及围岩条件等有关，本次做了简化分析，假设边墙破坏区域的最大深度超过1 m，拱顶破坏区域的最大深度超过0.5 m，则判定围岩失稳，隧底破坏区域原则上不会对隧道的稳定性带来影响，不作为失稳条件。

研究确定将隧道开挖后边墙区域深度大于1 m、拱部深度大于0.5 m破坏区作为隧道潜在塌方区域，并将此作为支护对象。可根据隧道无支护开挖后潜在塌方区域的分布特征对工程支护方式进行分类，如图4所示。

图4 隧道支护方案划分示意

(1)当隧道无潜在塌方区域时，隧道自稳(设计断面小于临界稳定断面)，无需支护。

(2)拱墙潜在塌方区域的弧长与总弧长之比小于30%，可采用局部支护方案。

(3)拱墙潜在塌方区域的弧长与总弧长之比在30%～60%，可采用分区不等强支护。

(4)当拱墙潜在塌方区域的弧长与总弧长之比在60%以上时，需采用等强系统支护。

2 计算案例

开挖轮廓面形状对围岩稳定性的影响较为显著，研究选取时速350 km高速铁路双线隧道的断面形状进行研究，开挖跨度14.70 m，高度12.38 m，高跨比0.84，如图5所示。

图5 350 km/h双线铁路隧道断面(单位：cm)

隧道开挖稳定性与地质条件、埋深、断面形状和断面大小等因素强相关。为简化分析，案例分析中以Ⅲ级围岩为例，着重对隧道埋深与断面大小2个因素进行研究。

Ⅲ级围岩物理力学参数参考TB10003—2016《铁路隧道设计规范》的建议范围值，取下1/3分位值[1]，如表1所示。

表1 Ⅲ级围岩物理力学参数取值

2.1 不同开挖跨度影响

以400 m埋深为例，逐渐扩挖隧道断面，保持开挖断面与图5断面形状几何相似、中心埋深相同。采用上文所述计算方法，对无支护开挖后的破坏区范围与相应的支护方式进行分析。

图6为不同开挖跨度(无支护状态)下破坏区分布特征。破坏区深度与开挖跨度关系如图7所示。深埋隧道(Ⅲ级围岩)开挖后破坏区以压剪破坏为主，开挖跨度越大，破坏区深度与范围均增大。

图6 隧道破坏区分布与跨度关系

图7 隧道破坏区最大深度与跨度关系

隧道洞周潜在塌方区域分布范围占隧道拱墙轮廓长度比值与隧道开挖跨度的关系如图8所示，可知：

图8 洞周潜在塌方区域比例与跨度关系

(1)隧道开挖潜在塌方区域比值与隧道开挖跨度近似呈指数函数，先快速增大后缓慢减小，直至洞周形成贯通的破坏区；

(2)隧道开挖跨度小于11.8 m时，无支护开挖状态洞周无潜在塌方区域，隧道自稳，无须支护，但应对围岩进行及时封闭，以防止围岩劣化降低其自承载能力；

(3)当开挖跨度为11.8～13.0 m时，潜在塌方区域比值小于30%，且主要位于隧道侧壁，仅需局部支护；

(4)当隧道开挖跨度为13.0～15.7 m时，潜在塌方区域比值介于30%～60%，主要位于侧壁与两侧拱腰，为满足经济性要求，可采用分区不等强系统支护，重点对破坏区进行加固和支护。

(5)当隧道开挖跨度大于15.7 m，隧道潜在塌方区域范围较大，需采用等强系统支护。

2.2 不同隧道埋深影响

当不考虑构造应力场时，隧道埋深增大，自重应力越大，隧道开挖后洞周围岩稳定性越差。以图5为例，图9为Ⅲ级围岩不同埋深条件下的破坏区分布特征，图10为隧道洞周最大破坏区深度与埋深的关系曲线。

图9 隧道破坏区分布与埋深关系

图10 隧道破坏区最大深度与埋深关系

隧道洞周潜在塌方区域分布范围占隧道拱墙轮廓长度比值与隧道埋深的关系如图11所示，可知：

图11 洞周潜在塌方区域比例与埋深关系

(1)隧道开挖潜在的塌方区域比值与隧道开挖跨度近似呈正比关系；

(2)隧道埋深小于130 m时，无支护开挖状态洞周无潜在塌方区域，隧道自稳，无须支护，但应对围岩进行及时封闭，以防止围岩劣化降低其自承载能力；

(3)当隧道埋深为130～295 m时，潜在塌方区域比值小于30%，且主要位于隧道侧壁，仅需局部锚杆支护；

(4)当隧道埋深为295～450 m时，潜在塌方区域比值介于30%～60%，主要位于侧壁与两侧拱腰，为满足经济性要求，可采用分区不等强系统支护，重点对破坏区进行加固和支护。

(5)当隧道埋深大于450 m，隧道潜在塌方区域范围较大，占比大于60%，需采用等强系统支护。

3 结论

基于隧道无支护开挖后的围岩破坏区分布特征，研究了局部支护和系统支护的划分标准与方法，得到以下结论。

(1)当采用安全系数法对隧道结构进行设计时，以隧道接近或达到破坏阶段为研究对象，结构接近破坏时，可近似采用无支护状态进行描述。分析隧道无支护开挖后的围岩破坏区并进行相应分级和适当支护，对于支护结构设计的可靠性方面是偏于安全的。

(2)建议将隧道开挖后边墙区域深度大于1 m、拱部深度大于0.5 m的破坏区作为隧道潜在塌方区域，并将此作为支护对象。

(3)隧道支护方式划分标准如下：

①当隧道无潜在塌方区域时，隧道自稳(设计断面小于临界稳定断面)，无需支护；

②拱墙潜在塌方区域占比小于30%，可采用局部支护方式；

③拱墙潜在塌方区域占比在30%～60%时，可采用分区不等强系统支护；

④当拱墙潜在塌方区域占比在60%以上时，需采用等强系统支护。

(4)研究了隧道断面大小与埋深2种因素对支护类别的影响，结果如下：

①以Ⅲ级围岩、400 m埋深为基准，研究开挖跨度影响(开挖断面与350 km/h双线铁路隧道几何相似、中心埋深相同)，围岩自稳、局部支护、不等强系统支护、等强系统支护类别划分的临界开挖跨度分别为11.8，13.0，15.7 m；

②以Ⅲ级围岩、350 km/h双线铁路隧道开挖断面为基准，研究隧道埋深影响，围岩自稳、局部支护、不等强系统支护、等强系统支护类别划分的临界隧道埋深分别为130，295，450 m。