郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

王明年， 赵思光， 张 霄

(1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031)

0 引言

隧道位移控制基准的建立是新奥法施工的一项重要内容[1]，它既是确保施工安全、优化结构、节约成本的重要手段，又是指导隧道动态施工的重要环节。隧道位移控制基准一般应根据测点距开挖面的距离，由初期支护极限相对位移来确定。根据位移控制基准可以确定工程管理等级,进而采取应对措施[2]，见表1。

表1 位移控制基准及应对措施

注：Uz为位移控制基准。

目前，关于隧道位移控制基准，现行Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》[2]、TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[3]、JTG D70—2004《公路隧道设计规范》[4]均有相关规定，国内学者也进行了一定研究。朱永全[5]于2001年提出隧道稳定性可通过周边位移来体现和判别，其关键点和难点是围岩及支护结构周边位移极限值的确定；之后,于2005年与张素敏等[6]按铁路隧道衬砌标准设计采用的断面形式和材料参数，综合确定出一套铁路隧道位移判别的极限位移值标准。刘大刚等[7]通过对支护开裂、位移速率信息2个指标进行综合分析，提出4个位移监测管理水平及对应的位移控制基准值。王明年等[8]依据全站仪非接触量测获得初期支护三维绝对位移分布规律，通过统计分析，最终确定CRD法三维绝对位移控制基准。扈士民[9]通过调研兰渝铁路多座大断面黄土隧道，根据数值计算及现场实测制定了大断面黄土隧道深、浅埋位移控制基准。李晓红等[10]结合隧道工程实例，建立了以DGM(2，1)模型和 Verhulst模型为基础的围岩稳定性位移预测预报方法，并提出了围岩稳定性及可靠性位移判别准则。邢厚俊[11]认为，对于断面更大、形状更扁平的客运专线铁路隧道，如照搬普速铁路双线隧道的极限位移值标准，存在极大的安全风险。马士伟等[12]采用激光测距传感器测量位移，给出了防塌方预警基准值的确立原则和预警分级标准。谢军等[13]指出拱顶下沉应作为大跨度隧道稳定性判据的核心指标，并计算了双洞8车道隧道衬砌结构的极限状态，得到拱顶沉降的预警值。郭军[14]采用有限元方法，结合数理统计分析，按概率密度曲线98.75%的保证率确定最大值，以此作为隧道安全位移基准控制值。上述研究多是针对隧道极限位移，对基于距掌子面距离的各阶段位移控制基准研究很少，对于大断面(开挖断面面积>150 m2)高速铁路隧道特别是采用大型机械化大断面法施工(全断面法、微台阶法)的高速铁路隧道的位移控制基准的研究更少。

本文依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群，通过对Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道初期支护位移监控量测数据进行包络回归分析，拟合出Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法(全断面法、微台阶法)开挖下，沿隧道纵断面的初期支护位移函数模型及各工况下分段位移占极限位移的比值，最后结合Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值，给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值，研究成果对高速铁路隧道大型机械化施工具有重要的参考意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

郑万高铁是国家“十二五”规划郑渝铁路的重要组成部分，线路起于河南郑州，终于重庆万州，途径河南、湖北、重庆3个省市，全长818 km，设计速度为350 km/h。其中，湖北段工程起于襄阳、止于巴东，全长287 km，工程沿线共分布32.5座隧道，隧道总延长约167.7 km，隧线比约为58.4%，全线隧道均为双线大断面隧道，开挖断面面积约150 m2，隧道Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩占比约为67%，深埋隧道占比约为97.5%。

1.2 隧道机械化施工概况

郑万高铁湖北段的大多数隧道实现了机械化配套施工，按机械配置包括普通型机械化施工和加强型机械化施工。普通型机械化施工设备主要包括风动凿岩钻机、多功能钻爆作业台架、混凝土湿喷机、自行式仰拱栈桥、仰拱纵向滑模、混凝土输送车和整体移动式沟槽模板等。加强型机械化施工在普通型机械化施工的基础上增加了以下大型机械： 2台三臂凿岩台车、1台锚杆钻注一体机、1台自行式液压拱架安装台车、1台防水板作业台车、1台衬砌模板台车和1台移动式混凝土养护台架。郑万高铁湖北段采用加强型机械化施工的隧道有15座，普通型机械化施工的隧道有6座。

1.3 开挖方法及支护参数

郑万高铁湖北段隧道工程主要采用全断面法和微台阶法2种大断面工法施工。全断面法即含仰拱一次全环开挖，完成后初期支护立即闭合成环。微台阶法即分上下台阶2次开挖、2次支护，其中，根据下台阶高度不同，分为2种情况： 1)下台阶高度为仰拱高度称为微台阶Ⅰ法，见图1(a)； 2)下台阶高度3～4 m称为微台阶Ⅱ法，见图1(b)。开挖进尺： Ⅳ级围岩为3～4 m，Ⅴ级围岩为2～3 m。支护参数见表2。

(a) 微台阶Ⅰ法(b) 微台阶Ⅱ法

图1 微台阶法施工示意图

2 初期支护位移监控量测方案及分析方法

本次研究依托郑万高铁高家坪隧道、苏家岩隧道、保康隧道、新华隧道、向家湾隧道和荣家湾隧道6座隧道，开展初期支护位移现场监控量测。各隧道测试断面情况见表3，测点布置见图2。断面间距: Ⅳ级围岩为10～30 m，Ⅴ级围岩为5～10 m。

表3 隧道监测断面情况汇总

图2 隧道初期支护位移监控量测测点布置示意图

Fig. 2 Layout of monitoring points for primary support displacement

根据现场测试数据，分别对以上6种工况的测试断面进行包络，参照Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》，分别采用指数函数、对数函数和双曲线函数(见表4)对其进行拟合分析，选取最佳拟合函数对位移监测数据进行分段分析(部分曲线可分段拟合)，得到初期支护位移分布规律，进而得到距掌子面距离分别为1D、2D以及>2D(D为隧道开挖洞径，D=15 m)的位移值及其占极限位移的比值。

表4 位移拟合函数模型

注：y为位移值，mm；A、B为回归系数；l为测点距掌子面的相对距离。

3 Ⅳ级围岩初期支护位移监控量测数据分析

3.1 Ⅳ级深埋全断面法

Ⅳ级深埋全断面法工况共取22个稳定断面进行数据测试，分别对拱顶沉降、洞周水平收敛曲线进行包络回归分析，获得各洞身区段初期支护位移值大小及其占极限位移的比值。采用确定系数R2描述回归曲线的拟合程度，R2的值越接近1，说明回归曲线的拟合程度越好；R2的值越小，说明回归曲线的拟合程度越差。包络、回归结果见图3、图4和表5。

图3 Ⅳ级深埋全断面法隧道初期支护拱顶沉降监测结果

Fig. 3 Monitoring results of crown top settlement of primary support of deep-buried tunnel constructed by full-section method in Grade Ⅳ surrounding rock

图4 Ⅳ级深埋全断面法隧道初期支护洞周水平收敛监测结果

Fig. 4 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of deep-buried tunnel constructed by full-section method in Grade Ⅳ surrounding rock

表5 Ⅳ级深埋全断面法隧道初期支护位移监测数据统计

Table 5 Monitoring date statistics of displacement of primary support of deep-buried tunnel constructed by full-section method in Grade Ⅳ surrounding rock

距掌子面距离拱顶沉降位移/mm占比/%洞周水平收敛位移/mm占比/%1D20.286517.10602D28.089024.6587>2D31.2010028.50100

注： 占比指初期支护变形位移占极限位移的比值，下同。

监测结果表明： 1)郑万高铁Ⅳ级深埋全断面法隧道初期支护拱顶沉降随距掌子面距离的增大呈对数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为65%、90%及100%； 2)洞周水平收敛随距掌子面距离的增大呈双曲线、指数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为60%、87%及100%。拱顶沉降和洞周水平收敛呈现相似规律。

3.2 Ⅳ级深埋微台阶Ⅰ法

Ⅳ级深埋微台阶Ⅰ法工况共取17个稳定断面进行数据测试，分别对拱顶沉降、洞周水平收敛曲线进行包络回归分析，获得各洞身区段初期支护位移值大小及其占比特征。包络、回归结果见图5、图6和表6。

图5 Ⅳ级深埋微台阶Ⅰ法隧道初期支护拱顶沉降监测结果

Fig. 5 Monitoring results of crown top settlement of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅳ surrounding rock

图6 Ⅳ级深埋微台阶Ⅰ法隧道初期支护洞周水平收敛监测结果

Fig. 6 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅳ surrounding rock

表6 Ⅳ级深埋微台阶Ⅰ法隧道初期支护位移监测数据统计

Table 6 Monitoring date statistics of displacement of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅳ surrounding rock

距掌子面距离拱顶沉降位移/mm占比/%洞周水平收敛位移/mm占比/%1D12.45413592D17.5771777>2D22.810022100

监测结果表明： 1)郑万高铁Ⅳ级深埋微台阶Ⅰ法隧道初期支护拱顶沉降随距掌子面距离的增大呈指数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为54%、77%及100%； 2)洞周水平收敛随距掌子面距离的增大也呈指数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为59%、77%及100%。拱顶沉降和洞周水平收敛呈现相似规律。

3.3 Ⅳ级深埋微台阶Ⅱ法

Ⅳ级深埋微台阶Ⅱ法工况共取2个稳定断面进行数据测试，分别对拱顶沉降、洞周水平收敛曲线进行包络回归分析，获得各洞身区段初期支护位移值大小及其占比特征。包络、回归结果见图7、图8和表7。

图7 Ⅳ级深埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护拱顶沉降监测结果

Fig. 7 Monitoring results of crown top settlement of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

图8 Ⅳ级深埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护洞周水平收敛监测结果

Fig. 8 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

表7 Ⅳ级深埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护位移监测数据统计

Table 7 Monitoring date statistics of displacement of primary support of deep-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

距掌子面距离拱顶沉降位移/mm占比/%洞周水平收敛位移/mm占比/%1D367722762D41872690>2D4710029100

监测结果表明： 1)郑万高铁Ⅳ级深埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护拱顶沉降随距掌子面距离的增大呈指数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为77%、87%及100%； 2)洞周水平收敛随距掌子面距离的增大也呈指数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为76%、90%及100%。拱顶沉降和洞周水平收敛呈现相似规律。

3.4 Ⅳ级浅埋微台阶Ⅱ法

Ⅳ级浅埋微台阶Ⅱ法工况共取2个稳定断面进行数据测试，分别对拱顶沉降、洞周水平收敛曲线进行包络回归分析，获得各洞身区段初期支护位移值大小及其占比特征。包络、回归结果见图9、图10和表8。

图9 Ⅳ级浅埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护拱顶沉降监测结果

Fig. 9 Monitoring results of crown top settlement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

图10 Ⅳ级浅埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护洞周水平收敛监测结果

Fig. 10 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

表8 Ⅳ级浅埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护位移监测数据统计

Table 8 Monitoring date statistics of displacement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅳ surrounding rock

距掌子面距离拱顶沉降位移/mm占比/%洞周水平收敛位移/mm占比/%1D295520512D41773077>2D5310039100

监测结果表明： 1)郑万高铁Ⅳ级浅埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护拱顶沉降随距掌子面距离的增大呈指数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为55%、77%及100%； 2)洞周水平收敛随距掌子面距离的增大呈对数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为51%、77%及100%。拱顶沉降和洞周水平收敛呈现相似规律。

4 Ⅴ级围岩初期支护位移监控量测数据分析

4.1 Ⅴ级浅埋微台阶Ⅰ法

Ⅴ级浅埋微台阶Ⅰ法工况共取10个稳定断面进行数据测试，分别对拱顶沉降、洞周水平收敛曲线进行包络回归分析，获得各洞身区段初期支护位移值大小及其占比特征。包络、回归结果见图11、图12和表9。

图11 Ⅴ级浅埋微台阶Ⅰ法隧道初期支护拱顶沉降监测结果

Fig. 11 Monitoring results of crown top settlement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅴ surrounding rock

图12 Ⅴ级浅埋微台阶Ⅰ法隧道初期支护洞周水平收敛监测结果

Fig. 12 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅴ surrounding rock

表9 Ⅴ级浅埋微台阶Ⅰ法隧道初期支护位移监测数据统计

Table 9 Monitoring date statistics of displacement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 1 in Grade Ⅴ surrounding rock

距掌子面距离拱顶沉降位移/mm占比/%洞周水平收敛位移/mm占比/%1D7356402D12601173>2D2010015100

监测结果表明： 1)郑万高铁Ⅴ级浅埋微台阶Ⅰ法隧道初期支护拱顶沉降随距掌子面距离的增大呈对数、双曲线函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为35%、60%及100%； 2)洞周水平收敛随距掌子面距离的增大呈指数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为40%、73%及100%。拱顶沉降和洞周水平收敛呈现相似规律。

4.2 Ⅴ级浅埋微台阶Ⅱ法

Ⅴ级浅埋微台阶Ⅱ法工况共取2个稳定断面进行数据测试，分别对拱顶沉降、洞周水平收敛曲线进行包络回归分析，获得各洞身区段初期支护位移值大小及其占比特征。包络、回归结果见图13、图14和表10。

图13 Ⅴ级浅埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护拱顶沉降监测结果

Fig. 13 Monitoring results of crown top settlement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade V surrounding rock

图14 Ⅴ级浅埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护洞周水平收敛监测结果

Fig. 14 Monitoring results of tunnel surrounding convergence of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅴ surrounding rock

表10 Ⅴ级浅埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护位移监测数据统计

Table 10 Monitoring date statistics of displacement of primary support of shallow-buried tunnel constructed by micro-bench method No. 2 in Grade Ⅴ surrounding rock

距掌子面距离拱顶沉降位移/mm占比/%洞周水平收敛位移/mm占比/%1D10 208282D23471552>2D4910029100

监测结果表明： 1)郑万高铁Ⅴ级浅埋微台阶Ⅱ法隧道初期支护拱顶沉降随距掌子面距离的增大呈对数、指数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为20%、47%及100%； 2)洞周水平收敛随距掌子面距离的增大呈双曲线、对数函数规律变化，距掌子面距离为1D、2D以及>2D时，其占极限位移的比值分别为28%、52%及100%。拱顶沉降和洞周水平收敛呈现相似规律。

5 初期支护安全位移控制基准建议

我国现行Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》中已制定相应支护变形安全位移控制基准，主要包括极限位移值U0和各分段位移控制比例2方面内容。

鉴于郑万高铁隧道虽然采用大断面法施工，但是支护体系未有变化，故本文极限位移值U0仍沿用相关规范要求制定，仅针对分段位移控制比例进行研究和确定。

根据对各工况条件下初期支护位移进行包络拟合分析得到的各区段支护变形位移值占比特征，统计得到在现有支护参数条件下郑万高铁隧道大型机械化施工的支护安全位移控制基准，为便于使用对控制基准值进行简化，见表11。

表11郑万高铁大型机械化施工隧道初期支护位移控制基准建议值

Table 11 Recommended values of displacement control criterion for primary support of mechanized construction of tunnels on Zhengzhou-Wanzhou High-speed Railway

围岩级别埋深施工方法距掌子面距离0～1D拱顶沉降洞周水平收敛1D～2D拱顶沉降洞周水平收敛>2D拱顶沉降洞周水平收敛极限位移值U0/mm拱顶沉降洞周水平收敛Ⅳ深埋深埋深埋浅埋全断面法65%U060%U090%U085%U0100%U0100% U0微台阶Ⅰ法50%U055%U075%U075%U0100%U0100%U0微台阶Ⅱ法75%U075%U085%U090%U0100%U0100%U0微台阶Ⅱ法55%U050%U075%U075%U0100%U0100%U0114951149511495121100Ⅴ浅埋浅埋微台阶Ⅰ法35%U040%U060%U070%U0100%U0100%U0微台阶Ⅱ法20%U025%U045%U050%U0100%U0100%U0140115140115

6 结论与讨论

本文依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群，开展了初期支护位移现场监控量测，对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析，得到结论如下。

1)郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法(全断面法、微台阶法)开挖时，按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大，现行Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理，建议按照本文给出的初期支护位移控制基准指导郑万高铁隧道大型机械化施工。

2)在隧道围岩级别、埋深及开挖方法相同时，拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。

由于部分工况样本数量较少，且未涵盖所有围岩级别，需根据现场施工情况进一步收集数据，以期形成整套高速铁路隧道大型机械化大断面法施工位移控制基准，来指导类似工程的设计和施工。