郑万高铁隧道大型机械化施工支护优化

金强国

(武九铁路客运专线湖北有限责任公司， 湖北 武汉 430200)

0 引言

隧道开挖后，为有效约束和控制围岩变形，保证施工、运营阶段隧道的整体稳定性，需要施作必要的支护结构[1-3]。目前隧道支护结构设计多采用工程类比法和经验法，对于地质条件较好的隧道，支护结构安全储备较大，造成资源浪费； 而对于地质条件复杂的隧道，支护参数的取值不准确，容易造成安全事故[4-6]。在建郑万高铁湖北段隧道，软弱围岩占比大，开挖面积大，采用大断面、大型机械化施工，对隧道支护结构参数的合理性提出了更高的要求。

针对隧道支护参数优化问题，国内许多专家、学者做了大量的工作。如： 彭立敏等[7]和黄小华等[8]采用不等式约束法以及罚函数法等对隧道整体式衬砌结构优化设计问题进行研究； 黄波等[9]对浅埋偏压公隧道的初期支护进行数值模拟，分析不同锚杆横向间距和长度下地表和拱顶沉降以及墙腰收敛的变化规律，并给出锚杆参数值； 沈才华等[10]采用弹塑性非线性有限元方法模拟卵砾石层浅埋公路隧道的开挖和支护全过程，提出卵砾石层斜坡中浅埋大跨扁平公路隧道支护设计和施工的优化方案； 胡建敏等[11]基于乌鞘岭隧道几种典型断面优化的结果，运用有限差分程序，对支护结构的锚杆参数(包括锚杆的最优长度、横向间距和纵向间距等)进一步优化。以往的相关研究多数仅限于对支护结构中的某一个方面进行优化，所采用的优化方法也大多只是根据工程经验，缺乏全面性、系统性和经济性，而且关于大型机械化施工条件下的大断面隧道支护优化研究相对较少。

本文首先基于通用设计图A开展支护结构应力应变现场测试，根据测试结果对支护结构进行安全性评价，采用荷载-结构模型[12-14]判断支护结构的安全储备，为支护结构的优化设计提供数据支撑； 然后对支护结构安全储备较大的项目进行参数优化，生成优化设计图B； 最后采用荷载-结构模型对优化方案进行安全性评价，进而确定优化方案的可行性，并将优化设计图B应用到现场工程中，进行支护结构应力应变监控量测，验证优化方案的合理性。

1 工程概况

1.1 隧道地质条件

郑万高铁湖北段工程全长约287 km，设计速度为350 km/h，隧道32.5座(香树湾隧道跨重庆、湖北省界，计为0.5座)，隧线比约为58.4%，全线10 km以上隧道7座，隧道开挖断面平均面积约150 m2，属双线大断面隧道，采用机械化大断面施工工法。隧道Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩占比较大，具体围岩占比如表1所示。

表1郑万高铁湖北段隧道围岩级别占比

Table 1 Proportions of surrounding rock grades in tunnels on Hubei Section of Zhengwan High-speed Railway

郑万高铁湖北段Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩主要涵盖页岩、灰岩、白云岩、砂岩、泥岩、变质砂岩、辉绿岩7种主要岩性，共计15种类型，其中页岩、灰岩、白云岩、砂岩、泥岩5种岩性总占比为88.8%。

1.2 施工工法

郑万高铁湖北段工程隧道主要采用2种大断面工法施工，即全断面法和微台阶法。全断面法为含仰拱一次开挖(见图1)，完成后初期支护立即闭合成环，随后在安全步距范围内施作二次衬砌。微台阶法采用上下台阶2次开挖，分为2种情况： 1)微台阶Ⅰ法，下台阶高度为仰拱高度，如图2(a)所示； 2)微台阶Ⅱ法，台阶高3～4 m，如图2(b)所示。

(a) 微台阶Ⅰ法

(b) 微台阶Ⅱ法

1.3 通用设计图A支护参数

根据郑万高铁湖北段隧道地质情况，依据通用设计图A选择其对应的支护参数进行施工。通用设计图A支护参数如表2所示。

2 支护结构参数优化

支护结构参数优化研究思路如图3所示。

2.1 支护结构应力应变测试及安全性评价

2.1.1 现场测试概况

现场对6座隧道共30个初期支护断面的应力应变进行测试，根据围岩级别、埋深条件和施工工法分为5种工况，各工况信息如表3所示。

各断面初期支护监测项目包括围岩压力、锚杆轴力和喷射混凝土应力，二次衬砌监测项目包括初期支护与二次衬砌间接触压力以及二次衬砌混凝土应力，各监测项目及其对应元器件如表4所示。

各监测断面采用6点监测，分别为左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙和仰拱，各测点布置如图4所示。

表2 通用设计图A支护参数

图3 支护结构参数优化研究思路

2.1.2 支护结构安全性评价

2.1.2.1 评价方法

支护结构安全性评价主要根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[15](简称为“规范”)，采用2种评价方法进行，一是应力法，二是安全系数法。支护结构中各构件采用的安全评价方法及其安全控制基准值如表5所示。

表3 各工况信息

表4 监控量测项目

2.1.2.2 初期支护安全性评价

对各工况下现场实测数据进行整理和分析，得到各工况下的时程曲线和包络图，如图5—10所示，图中锚杆轴力、钢拱架应力和喷射混凝土应力均以受拉为正、受压为负。

图4 测点布设示意图

构件名称及材料评价方法安全评价基准值锚杆(HRB400)应力法210 MPa钢拱架(Q235)应力法130 MPa 钢拱架+喷射混凝土(C25)支护结构安全系数法1.8(受拉)、1.53(受压)

图5 锚杆轴力时程曲线

图6 锚杆轴力包络图(单位： kN)

图7 钢拱架应力时程曲线

图8 钢拱架应力包络图(单位： MPa)

图9 喷射混凝土应力时程曲线

图10 喷射混凝土应力包络图(单位： MPa)

根据上述现场实测数据，运用安全评价控制基准对各工况下初期支护的安全性进行评价，评价结果如表6所示。

表6 初期支护各监测项目安全性评价

2.1.3 围岩接触压力特征分析

对各工况条件下围岩接触压力值进行计算，按照围岩级别、埋深条件进行包络分析，结果如图11所示，图中围岩压力以受压为正、受拉为负。

根据规范中围岩接触压力面积等效原则，将实测围岩荷载转换为规范中均布荷载模式，并将实测结果与规范值进行比较，结果如表7所示。

通过对各工况条件下围岩接触压力特征进行分析可知，接触压力实测值小于规范值。深埋条件下，竖向荷载实测值约为规范值的20%； 水平荷载在Ⅳ级围岩工况下实测值约为规范值的80%，Ⅴ级工况下实测值约为规范值的30%； 实测侧压力系数约为0.8～1.0。

(a) Ⅳ级、深埋 (b) Ⅴ级、深埋 (c) Ⅴ级、浅埋

围岩级别埋深条件实测荷载值/kPa竖向水平规范荷载值/kPa竖向水平实测值/规范值竖向水平实测样本量ⅣⅤ深埋27.6228.32153.7234.600.180.827深埋44.6434.04264.54105.810.170.3210浅埋28.1717.23480.04173.830.060.101

2.2 初期支护参数优化分析

2.2.1 研究思路

初期支护结构参数优化研究思路如图12所示。

2.2.2 初期支护喷射混凝土+钢架结构参数优化

2.2.2.1 喷射混凝土+钢架结构安全性分析

结合郑万高铁隧道初期支护设计实际情况，依据围岩级别、埋深条件等因素，本次优化分析工况分为3种，如表8所示。由于Ⅴ级浅埋工况样本量较小，所以本次优化分析工况仅针对Ⅳ级深埋和Ⅴ级深埋2种进行。

采用荷载-结构模型，通过数值计算方式，分析2种荷载(规范荷载、实测接触压力荷载)下各工况支护结构的安全性，结果如表9所示。由表9可知： 2种计算荷载下，计算结果均满足规范控制要求，表明支护结构处于安全状态，且具有一定程度的优化空间。

图12 初期支护结构参数优化研究思路

Fig. 12 Research idea of parameter optimization of primary support structure

表8 优化分析工况

表9 支护结构安全性计算结果

将计算得到的最小安全系数与实测最小安全系数进行对比，结果如表10所示。由表10可知： 采用荷载-结构模型计算得到的最小安全系数与实测最小安全系数大小相近，Ⅴ级深埋条件下隧道受力不利位置相同，表明实测围岩荷载监测数据较准确，可以作为优化方案的计算荷载。

表10实测与计算安全系数对比

Table 10 Comparison between measured and calculated safety factors

围岩级别埋深条件类型最小安全系数不利部位Ⅳ深埋Ⅴ深埋计算3.27(受拉)边墙实测2.26(受压)拱顶计算4.41(受压)边墙实测3.20(受压)边墙

2.2.2.2 喷射混凝土+钢架结构参数优化方案

拟定的各工况条件下喷射混凝土+钢拱架支护结构参数优化方案如下：

1)Ⅳ级深埋格栅支护，优先调整格栅间距均增至1.4 m，再减小喷混凝土厚度;

2)Ⅳ级深埋型钢支护，优先调整型钢间距均增至1.4 m，再减小喷混凝土厚度或降低型钢型号。

3)Ⅴ级深埋型钢支护，调整型钢间距增至1.2 m，减小喷混凝土厚度至0.27 m。

根据上述优化方案设计思路，确定初期支护优化方案及其参数，如表11所示。

表11 初期支护优化方案

2.2.2.3 喷射混凝土+钢架结构优化方案结构安全性分析

采用荷载-结构模型，通过数值计算，对实测荷载下各优化工况支护结构的安全性进行分析，结果如表12所示。由表12可知，各优化方案的安全系数仍满足规范要求。

2.2.3 二次衬砌结构参数优化分析

2.2.3.1 二次衬砌结构安全性分析

结合郑万高铁隧道二次衬砌设计实际情况，依据围岩级别、埋深条件等因素，本次优化分析工况共包括5种，如表13所示。

基于TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》确定荷载，根据《铁路工程设计基础手册 隧道》(1995)，Ⅳ级围岩二次衬砌承载比为50%，Ⅴ级围岩二次衬砌承载比为70%，采用荷载-结构模型对现阶段二次衬砌各工况条件下结构安全性进行分析，用钢筋混凝土计算二次衬砌安全系数，各工况条件下二次衬砌结构安全性分析结果如表14所示。由表14可知： 现阶段二次衬砌结构设计方案安全系数较大，均具有一定程度的优化空间，可进行参数优化。

表12 优化方案支护结构安全性计算结果

表13 二次衬砌计算工况

表14 二次衬砌安全性计算

2.2.3.2 二次衬砌参数优化方案

拟定的各工况条件下二次衬砌结构参数优化设计研究方案如下：

1)Ⅲ级围岩深埋，单侧贴面配筋；

2)Ⅳ级围岩，拱墙及仰拱厚度均减小5 cm，构造配筋；

3)Ⅴ级围岩，拱墙及仰拱厚度均减小10 cm，构造配筋。

根据上述优化方案设计思路，确定二次衬砌优化方案及其参数，如表15所示。

2.2.3.3 二次衬砌参数优化后结构安全性分析

将优化的结构视为素混凝土结构，采用荷载-结构模型，通过不断调整衬砌承担荷载的比例，分析优化方案结构满足规范要求最小安全系数值时对应的极限承载比例，结果如表16所示。

表15 二次衬砌优化方案

2.2.4 锚杆参数优化分析

根据上述对现场实测数据的处理，将不同工况下锚杆轴力实测值进行汇总，结果如表17所示。

根据表17锚杆轴力汇总，分析不同工况条件下锚杆轴力的分布情况，结果如图13所示。由图13可知：锚杆在Ⅳ级深埋条件下受力较小，Ⅴ级深埋和浅埋条件下受力较大。因此提出优化方案： Ⅳ级围岩条件下可适当增大锚杆间距，Ⅴ级围岩条件下仍采用原设计参数。

2.2.5 超前支护参数优化分析

郑万高铁隧道在超前支护措施保护下，基于掌子面稳定性观察及掌子面稳定性分类判定，各级围岩所表现出的掌子面稳定性状态特征如表18所示。

表16 优化方案荷载计算结果

表17 实测锚杆轴力统计

图13 锚杆轴力分布图

根据表18可知：Ⅳ级围岩条件下，共有2种稳定性状态，即A稳定和B局部掉块； Ⅴ级围岩条下，共有3种稳定性状态，即A稳定、B局部掉块和C上半断面不稳定。因此提出优化方案： 较好Ⅳ级围岩条件时超前支护可减弱，较差Ⅳ级围岩及Ⅴ级围岩条件时建议不优化。

2.2.6 优化设计图B支护参数

根据上述通用设计图A支护结构安全性评价以及支护参数优化后对支护结构安全性的分析，最终得到优化设计图B，具体支护参数如表19所示。

表18 掌子面稳定状态特征

表19 优化设计图B支护参数

注： ※表示钢筋混凝土。

2.3 优化设计图B支护结构安全性评价

对现场实施优化支护结构参数的工点进行断面数据监测，所测断面信息如表20所示。

表20 测试断面信息统计

对现场设计参数优化后实测断面各支护结构的安全性进行分析，结果如表21所示。由表21可知： 初期支护结构整体处于安全状态，说明优化设计图B支护参数在实际实施中仍然是安全的。同时，支护优化后，节约了工程成本，提高了材料利用率，减少了现场作业人员的劳动量。

表21现场优化后支护结构安全性计算结果

Table 21 Calculation results of support structure after site optimization

围岩级别埋深条件工法类型锚杆轴力最大值/kN部位钢拱架应力最大值/MPa部位喷射混凝土安全系数最大值部位Ⅳ深埋微台阶Ⅰ法47.36右边墙22.79左边墙2.0(受拉)右边墙安全性评价安全安全安全

3 结论与讨论

1)郑万高铁湖北段隧道通用设计图A支护结构安全系数较大，均具有一定的安全储备，可以进行优化设计。

2)深埋条件下，实测围岩压力竖向荷载约为规范值的20%，水平荷载在Ⅳ级围岩条件下约为规范值的80%，Ⅴ级围岩条件下约为规范值的30%； 实测侧压力系数为0.8～1.0。通过对有限元模型计算的安全系数与实测安全系数进行比较，得到现场实测荷载数据较准确，可以作为优化方案的计算荷载。

3)通过对现场优化设计参数后实测断面数据的分析可知，优化设计图B初期支护结构整体处于安全状态，说明优化后初期支护在施工过程中是安全的，支护参数优化是合理的。

本文提出的支护优化过程可行，提高了大断面法施工的安全性和经济性，实现了支护结构的动态设计，可为类似隧道工程支护结构设计提供参考，对机械化大断面开挖法的推广具有重要的意义。但也存在一些不足，诸如存在工况未考虑地层产状、岩性，二次衬砌在支护体系中的定位不够明确等问题，这些问题有待进一步研究。