山岭隧道机械化大断面法设计关键技术

刘 科

(中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

随着高速铁路、公路在我国大范围快速修建，隧道工程作为重要组成部分，其设计施工水平发展迅速,但与日本、意大利、挪威等典型的隧道建设强国相比，我国在隧道钻爆法机械化施工方面有着较大差距[1]。例如： 北欧挪威隧道施工机械化程度极高，洞内施工人员较少，整个掌子面开挖、支护作业人员仅3人，基于成熟的配套装备，3个作业人员相互搭配共同完成钻孔、装药、喷射混凝土、锚杆安装及注浆等主要工序，一人多能，施工效率极高；南欧意大利等国针对软岩地层，研究出基于高度机械化作业的“岩土控制变形分析法”，即“新意法”[2]，解决了机械化安全施工问题。而国内山岭隧道钻爆法长期采用人工多台阶施工方法，贡献大，牺牲更大。随着国产装备技术的发展，全工序机械化，即以机械作业为主、人工作业为辅的施工模式，是我国隧道施工未来的发展趋势。

近年来，铁路行业逐步推行隧道大型机械化配套施工，例如： 贵广高铁[3]、成兰铁路[4]等长大干线在隧道围岩地质较好段部分采用了机械化施工，但施工过程中所暴露出的超挖回填量大、造价高、应用条件局限等问题，阻碍了隧道施工机械化的推广应用。对于隧道机械化施工，业内人士一般认为可以采用凿岩台车代替人工气动风枪钻孔，此种看法较片面。因为相比传统工法，机械化施工实质是一种隧道建造工具和手段的改变，工具和手段改变引起隧道开挖及支护方法改变，隧道开挖及支护方法改变引起隧道稳定性改变，隧道稳定性改变又必然引起隧道相关基础设计理论、支护体系及设计方法改变，隧道设计改变反过来又必然影响到隧道建造工具和手段，如此环环相扣。因此，充分认识隧道机械化修建方法是对传统方法认识的系统改变，这是推动机械化修建技术应用的关键。

钻爆法机械化施工现有研究成果多偏重于机械配套、具体施工本身，鲜有与机械化施工相配套的设计技术研究。本文依托郑万铁路湖北段隧道机械化修建科研成果[5-8]及大量现场实践经验，探讨山岭隧道由小型装备及工法修建转变为大型装备及新型工法修建亟待解决的问题，以及设计理念、荷载理论、新型施工工法及支护体系等问题，并提出机械化大断面法设计关键技术。

1 机械化施工亟待解决的问题

1.1 工法设计问题

隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩传统多台阶分部施工方法如三台阶七步作业法、台阶临时仰拱法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等，尽管能解决隧道修建问题，但施工过程中问题较多，例如: 拱部锚杆施作困难，导致系统锚杆施工饱受诟病；钢架节段划分过多，且分阶段拼装导致整体支护力较低等。究其原因是缺少与施工工法相配套的机械设备，在机械化程度没有明显提高的情况下，隧道工法不可能有实质性的进步。从国内外发展现状可知，全电脑智能型凿岩台车、混凝土湿喷台车、锚杆台车、钢架台车、智能型衬砌台车等一系列大型施工装备，是隧道施工工具和手段的革新，过去化整为零的施工工法已经不再适用，甚至是无法适用的。国内当前面临的最大问题是缺少基于大型机械作业的大断面施工工法研究，尤其对于软弱围岩隧道。因此，研究与机械化施工相匹配的且适应能力较强的隧道快速开挖及支护方法是目前最为迫切的问题。

1.2 支护设计问题

1.2.1 支护设计理念

支护设计理念与支护结构、施工方法设计密切相关，且彼此应相互配套、相互适应。但目前国内铁路隧道设计常采用的“被动支护”与“分担比”理念与机械化大断面法施工总体而言不相适应。

1.2.1.1 被动支护

从围岩变形控制角度来看，被动支护设计理念的核心是“硬扛”。这种理念在初期支护喷射混凝土、锚杆及钢架设计中均有不同程度的体现，且对各支护构件的重要性认识欠缺。当围岩自稳性较差时，极重视型钢钢架在初期支护中的作用，认为无钢架就不安全，每当围岩变形较大时，习惯采用大刚度的型钢钢架抵抗变形；另外，其认为喷射混凝土的支护作用次之，目前绝大部分采用C25喷射混凝土，对早期强度的要求较低，不同围岩条件下对喷射混凝土的强度要求也没有差异性；锚杆的支护效果被严重低估，大量采用组合中空锚杆和砂浆锚杆等“被动式”锚杆，且对砂浆强度要求低，锚杆提供的支护力速度与围岩变形速度不匹配，且因拱部锚杆钻孔和安装均较困难，以至于锚杆“形同虚设”。

1.2.1.2 分担比

铁路隧道复合式衬砌支护结构通常按围岩压力“分担比”进行设计，也称“承载比”。习惯上Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩段二次衬砌承担的围岩压力“分担比”分别采用约30%、50%、70%，对应初期支护承担围岩压力“分担比”则分别约为70%、50%、30%，相应支护参数也按此“分担比”设计确定。但Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》要求，一般情况下二次衬砌的施作需满足2条： 一是隧道净空收敛速度明显下降；二是相对位移量已达到总相对位移量的90%以上。按照该条文，要求初期支护变形达到基本稳定后方可施作二次衬砌，这意味着变形基本稳定的初期支护结构实质上承担了绝大部分围岩压力，并使围岩变形达到基本稳定。倘若仅按上述“分担比”设计，则所设计出的初期支护结构属于“过载承担”，实际受力远超其承载能力，甚至已破坏。因此，严格意义上，围岩压力“分担比”的理念不准确，甚至自相矛盾。

1.2.2 支护设计方法

对于超前支护设计，设计者通常仅赋予超前支护较为单一的作用，即防止开挖后拱顶掉块，还未深刻认识到掌子面超前支护对于提升掌子面整体稳定性的作用。同时，超前支护措施及支护参数设计仍采用基于经验的工程类比法确定。而洞身支护设计通常是基于TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》(简称《隧规》)的塌方荷载设计，其荷载值是根据塌方案例统计资料拟合而来的围岩松散压力计算结果。这种围岩压力计算方法实质上忽略了围岩本身的承载能力，所计算的围岩压力偏大，导致支护结构设计偏保守，一定程度上造成工程投资增大。

2 机械化大断面法设计理念

2.1 围岩变形规律

隧道开挖实质上是围岩应力三维动态调整的过程。结合文献[9]及郑万高铁现场实践可知，采用机械化大断面法开挖后的围岩沿纵向的变形分区如图1所示。该变形为拱顶沉降或者净空收敛。开挖前预变形段位于掌子面前方1S～1.5S(S为隧道开挖宽度)，此段变形为总变形量的20%～30%，直接影响掌子面的安全稳定；快速变形段位于掌子面后方1S～3S，此段变形为总变形的50%～60%，直接影响洞周安全稳定；缓慢变形段位于掌子面后方3S～5S，此段变形为总变形的10%～15%，直接影响初期支护的可靠性；稳定变形段位于掌子面后方大于5S范围,变形量为总变形的5%～10%。

图1 机械化大断面法开挖后隧道围岩纵向变形分区示意图

由此可见，上述预变形、快速变形及缓慢变形阶段占据了围岩绝大部分变形量。当围岩自稳性较好时，上述变形总量较小；但围岩自稳性较差时，其总变形量较大。从确保掌子面、洞身稳定以及施工安全的角度出发，机械化大断面法设计应主要解决围岩预变形、快速变形及缓慢变形3个阶段的变形控制问题，尤其是前两者。

2.2 设计理念与施工原则

机械化大断面法设计理念可理解为： 借助大型机械装备在隧道开挖前及开挖后主动、及时采取一系列措施，辅助掌子面前方及后方一定影响范围内的围岩形成以围岩自身为主体的“围岩-支护”承载体系(“支护”一般指初期支护)，充分发挥围岩自身承载能力，在主动使围岩变形可控的同时，能确保掌子面稳定安全。其核心要点是“快挖、快支、主动支、快封闭”，强调“快”与“主动”。1)“快挖”既指大幅缩短开挖循环时间，在短时间内完成开挖工序施工，也指整个隧道断面一次性开挖成型，而非分部成型； 2)“快支”指快速施作管棚、锚杆、喷射混凝土等支护构件，在围岩快速变形阶段及时提供支护力； 3)“主动支”既指开挖前主动对掌子面前方围岩进行预支护，确保掌子面稳定，也指开挖后主动辅助围岩形成“围岩-支护”承载体系； 4)“快封闭”既指开挖断面在纵、横断面方向的快速闭合，也指初期支护结构在纵、横断面方向的快速封闭成环，围岩越不稳定时，“快封闭”对于变形控制越重要。

2.3 支护理念

若继续遵循传统被动支护理念，在大进尺、大断面机械化开挖施工过程中，掌子面及洞周围岩变形则难以控制，直接影响工法成败和施工安全。因此，机械化大断面法初期支护设计应遵循“变被动为及时主动，且少扰动，使围岩主体承载并松弛有度”的原则。从成本贡献率角度来看，初期支护各构件支护效果排位中锚杆是第1位，喷射混凝土是第2位，钢架是第3位；从支护主动性与及时性角度来看，锚杆也是最重要的构件，可“即时”提供支护力。

基于此，实质上可以得出比围岩压力“分担比”理论更适宜的结论，即采用机械化大断面法施工的复合式衬砌隧道，初期支护和围岩共同承受施工期间的荷载，随着隧道修建完成并投入运营，围岩、初期支护和二次衬砌共同承受运营期间的外荷载。二次衬砌承担荷载的前提是： 因运营期围岩本身及初期支护劣化导致“围岩-初期支护”承载体系承载力降低甚至达到极限而不能自稳时，则由二次衬砌分担其超限荷载。因此，应坚持二次衬砌在初期支护及围岩协调变形稳定后再施作的原则，避免过早承载。故可将整个隧道开挖支护工序与衬砌工序独立开来，也即严格意义上就不存在所谓的二次衬砌安全步距问题，甚至是全隧贯通后再浇筑二次衬砌也不是不可能实现的。但为了满足不施作二次衬砌就不安全的心理压力问题，将二次衬砌紧跟掌子面的距离由几十m扩大至几百m，以满足各工序大型施工装备的布置。

3 机械化大断面工法设计

与传统台阶法相比，机械化大断面法的实质是隧道施工全工序尤其是开挖、支护工序采用高效率大型机械代替人工作业或者以小型机械作业为前提，在除特殊不良地质以外的隧道处，根据开挖后围岩不同自稳能力状态，针对性地主动采取合理、可靠、经济可控且可接受的掌子面超前干预措施与洞身支护措施来确保掌子面附近的围岩稳定，为大型机械作业提供作业空间的同时，实现安全、快速、高质量、少人化甚至是无人化作业。因此，将机械化大断面法(large cross-section mechanized method)定义为采用大型机械化配套设备并按设计断面一次开挖成型的施工方法，包括全断面法(不带仰拱)、全断面法(带仰拱)、微台阶法。其施工工序示意如图2所示。图中长度l根据监控量测分析、现场设备配置和作业空间需求确定。

(a) 全断面法(不带仰拱)

全断面法是指整个隧道断面一次整体开挖、一次全环支护；而微台阶法的本质是将掌子面设置为台阶状，上下部断面(含仰拱)同步向前掘进与支护，为同时满足掌子面稳定与作业空间要求，应将上台阶长度限制在3～5 m，上台阶距离拱顶的开挖高度一般为设计断面高度的1/2～2/3。从确保掌子面稳定方面，还可适当将掌子面设置为具有一定坡度的斜面或一定曲率的曲面，一般斜面掌子面适用于硬岩地段，曲面掌子面适用于软质岩地段，一定程度上可改善掌子面挤出变形问题。在选择机械化工法时，还受环境条件、地质条件、断面大小、经济性、设备配置等因素影响，其一般适用范围如表1所示。

表1 各级围岩机械化大断面法适用范围

受施工装备影响，Q/CR 9604—2015《高速铁路隧道工程施工技术规程》中规定开挖循环进尺一般不大于3.5 m。但机械化施工中，增大开挖循环进尺完全可行。因为一方面机械化施工采用了高效率大型机械设备，钻孔开挖及支护工序作业效率大幅提升，同时掌子面附近的作业人员数量大幅减少；另一方面，采用本文中提出的高性能主动支护体系，既提升了掌子面及洞身的稳定性，又提升了施工作业的安全性；且凿岩台车机械臂钻杆长度一般在5 m以上。具体开挖循环进尺建议如表2所示。

表2 各级围岩开挖循环进尺适用表

4 主动支护体系设计

有效可靠的支护手段强调“主动干预”，而非“被动承受”，其设计内容包括掌子面超前主动支护设计与洞身主动支护设计2部分。

4.1 掌子面超前主动支护设计

4.1.1 体系组成

机械化大断面法施工一次开挖断面面积是多台阶法的数倍，受尺度效应影响，相同围岩条件下全断面开挖掌子面整体稳定性大幅降低。传统意义上认为隧道超前支护仅指超前小导管或管棚，涵盖范围较小，无法解决机械化大断面法开挖隧道掌子面整体稳定性的问题。为确保掌子面整体稳定，本文提出的掌子面超前主动支护体系实质上包含掌子面喷射混凝土、掌子面超前管棚、掌子面锚杆、掌子面预注浆等对掌子面开挖后影响范围内的前方围岩主动进行变形干预的组合体系，也即广义超前支护。

4.1.2 设计方法及计算

为形成一套可供定量计算的掌子面超前支护参数设计方法，采用基于极限平衡法计算的经典楔形体模型[6]，将掌子面滑移楔形体作为研究对象，建立掌子面力学分析模型，如图3所示。

(a) 掌子面楔形体模型

采用极限平衡法分析，引入掌子面计算稳定系数K，其计算公式如下。

(1)

通过掌子面滑移体静力平衡条件及式(1)，推导出掌子面稳定性系数K，其计算公式如下。

(2)

(3)

(4)

(5)

Fq=qB(Dcotθ0+le) 。

(6)

(7)

(8)

(9)

式(2)—(9)中：B为掌子面跨度;c为围岩黏聚力；φ为内摩擦角；γ为围岩重度。

4.1.2.1 掌子面喷射混凝土支护力p1

采用数值模拟方法分析掌子面喷射混凝土受力模式，得到掌子面喷射混凝土受力云图如图4所示。

蓝色为受力较大处； 红色为受力较小处。

根据图4，掌子面MN测线与OP测线方向的挤出荷载均呈现出中间大、两侧小的形态。为简化计算，将掌子面喷射混凝土板简化为宽B、高D、厚t，两端固定，受三角形荷载的梁，其受力模型如图5所示。喷射混凝土达到极限状态时一般受拉破坏，根据其抗拉强度R1推导出喷射混凝土支护力p1，计算公式如下。

(10)

图5 喷射混凝土简化受力模型

4.1.2.2 掌子面锚杆支护力p2

掌子面锚杆一般采用GFRP强化玻璃纤维锚杆，其作用是有效减小掌子面附近围岩的第三主应力，提高抗剪强度、刚度等，增强掌子面稳定性。掌子面锚杆受力简化计算模型如图6所示。

图6 掌子面锚杆受力简化计算模型

掌子面锚杆提供的支护力

(11)

式中p2i为第i排掌子面锚杆支护合力。

4.1.2.3 超前管棚支护下掌子面前方扰动段竖向形变压力折减系数α1

由于管棚致使围岩作用在掌子面楔形体顶部的压力减小，其折减系数α1计算采用变基床系数弹性地基梁模型，如图7所示。首先,将长度为lp的管棚离散为n个长度为Δlp的微元和n+1个节点；然后，基于有限差分法、Winkler弹性地基梁及增量法，得到第j开挖步、第i节点管棚地基反力Rqij；进而叠加得到掌子面前方滑移体范围内管棚总地基反力Rq。其中，采用初期支护变基床系数计算公式考虑喷射混凝土龄期；采用掌子面前方扰动段围岩变基床系数计算公式考虑掌子面挤出变形效应。则折减系数

(12)

式中:Sp为管棚间距,m;lplap为管棚搭接长度。

图7 掌子面超前管棚变基床系数弹性地基梁模型

4.1.2.4 掌子面预注浆加固后围岩黏聚力增大系数α2

掌子面注浆主要提高围岩的黏聚力，而对围岩内摩擦角影响较小，因此仅考虑掌子面全断面注浆对围岩黏聚力的影响。掌子面注浆加固示意如图8所示。采用体积等效法，注浆后掌子面滑移体内围岩黏聚力等于掌子面滑移体内浆体黏聚力与浆体体积的乘积与注浆前围岩黏聚力与掌子面滑移体围岩体积的乘积之和除以掌子面滑移体体积。则增大系数

(13)

式中:cg为掌子面预注浆体黏聚力；ξ为掌子面预注浆填充率，参考《铁路工程设计技术手册(隧道)》表2-7选取;lg为掌子面预注浆范围。

图8 掌子面注浆加固示意图

超前支护设计步骤为： 首先，拟定掌子面超前支护措施及设计参数；然后，采用式(2)得出掌子面计算稳定系数K，并与掌子面设计稳定系数或掌子面最小稳定系数[K]相比。当K≥[K]时，可认为满足掌子面稳定要求；当K<[K]时，应加强掌子面超前支护措施。其中,[K]值参考GB 50068—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》取1.15。超前支护参数设计流程如图9所示。

需要注意的是，尽管在理论上喷射混凝土可以作为掌子面超前支护措施设计内容之一，但是通过掌子面喷射混凝土提供较强的支护力代价是巨大的。以郑万高铁时速350 km的双线隧道Ⅴ级围岩Ⅴa型衬砌断面为例，其开挖断面积约为152.4 m2，掌子面喷射混凝土设计厚度为6 cm，假定每循环开挖进尺为2 m，若通过全断面喷射混凝土提供支护力，则每延米增加的喷射混凝土数量约为4.6 m3，每延米造价增加超过3 500元。考虑到喷射混凝土对掌子面整体稳定的贡献程度较低，成本较高，投入产出比值过大，经济性较差，在实际设计过程中，一般仅将喷射混凝土作为掌子面局部掉块或局部不稳定时的封闭措施，可在开挖后初喷时顺带施作。上述其余掌子面超前支护措施中，根据其施工难易程度、支护贡献率及经济性等因素，当掌子面暂时稳定或不稳定时，宜优先采用超前管棚、掌子面锚杆或二者互相结合的支护措施，而掌子面预注浆则是在通过上述措施后掌子面仍难以稳定时辅助采用。

4.2 洞身主动支护设计

4.2.1 含义及体系组成

先锚后注式系统锚杆+高性能喷射混凝土+高强度全环格栅/型钢钢架(必要时设置)等构件组成的高性能主动支护体系，一方面充分借助支护构件本身材料、构造等性能及其作用优势，另一方面配合大型施工装备的高效率优势，在开挖前主动干预改善围岩承载条件，或在开挖后的快速变形期间从围岩内部或外部主动提供支护力，充分发挥围岩的自支护特性，并形成有效可靠的“围岩-支护”承载体系，有效控制围岩变形，满足支护所需的各项功能需求。其根本目的是充分发挥围岩在“围岩-支护”承载体系中的主体作用，从而减小支护结构的承载负担，使经济化设计成为可能。

4.2.1.1 先锚后注式系统锚杆

与喷射混凝土、钢架不同的是，锚杆是唯一从围岩内部改善围岩物理承载特性的一种支护构件，也是唯一不需要扩大隧道开挖面积即可提供支护力的构件。与传统的组合中空锚杆或砂浆锚杆等系统锚杆不同，先锚后注式锚杆实质为低预应力锚杆，其包括涨壳式预应力中空注浆锚杆(其结构如图10所示)、树脂锚杆、摩擦型锚杆等。其原理是分先行锚固+后期注浆2阶段提供支护力，第1阶段是根据不同锚杆类型在极短时间内通过钢制涨壳头、树脂卷或快硬水泥卷、高压水涨等方式提供支护力，主要作用是强化锚杆早期支护力的及时性，“即时”支护围岩；第2阶段是通过注浆填充浆液硬化形成强度以提供支护力，此过程是围岩变形逐渐缓慢与浆液强度逐渐提升的“此消彼长”过程，主要作用是强化后期支护力。另外，为尽快形成强度，应采用快硬早强注浆材料，强度等级不低于M20。

1—中空杆体； 2—连接套； 3—涨壳锚固件； 4—垫板； 5—螺母。

不同的先锚后注式锚杆应用范围不尽相同，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩及部分Ⅴ级围岩硬质岩地段可采用涨壳式预应力中空注浆锚杆；而Ⅴ级围岩软质岩地段围岩对钢制机械涨壳头挤压反力过小，致使其初始锚固效果不佳，因此机械涨壳式锚杆不适用于该地段[10]，而一般采用树脂锚杆、摩擦型锚杆。同时，考虑到采用机械化大断面法开挖后围岩早期变形较快，且围岩应力释放在短期内完成，先锚后注式系统锚杆应在初喷工序完成后进行，而不应在复喷后进行。

4.2.1.2 高性能喷射混凝土

喷射混凝土作为一种高自由度、高机动性的支护构件，其在辅助围岩共同形成的“围岩-支护”承载体系中主要起“承载作用”与“封闭作用”。围岩自身条件越好，喷射混凝土的封闭作用越强，承载作用越不明显；而围岩自稳性较差时，其同时表现强承载作用与强封闭作用。根据本文前述的机械化大断面法开挖后未支护段内围岩呈现出快速变形的特征可知，围岩一般在24 h内即可释放大部分应力，也伴随大部分的收敛变形，因此，高性能喷射混凝土在洞身主动支护体系中的核心性能是其早龄期强度性能(如8、16、24 h龄期强度)，其早龄期强度越高，对围岩初期变形发展控制越有利。

以郑万高铁时速350 km的双线隧道Ⅳ级围岩复合式衬砌为例，采用的喷射混凝土强度等级为C25，假定在隧道开挖后的24 h围岩应力释放率[11]为70%，采用FLAC3D有限差分软件计算分析支护结构变形及受力。计算分析结果表明，当C25喷射混凝土抗压强度按照《隧规》最低要求取10 MPa时，喷射混凝土最小主应力已经超过了10 MPa；同时，在围岩应力释放率为100%时，在部分工况下采用C25喷射混凝土围岩变形也超标。

因此，为防止机械化大断面法施工在早期快速变形阶段引起喷射混凝土开裂甚至破坏，必须提高喷射混凝土早期强度。按照上述方法计算可知，Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用机械化大断面法开挖后对喷射混凝土的强度需求为： 应当采用C30强度等级以上的高性能喷射混凝土，且24 h龄期强度应至少达到15 MPa以上，相比目前《隧规》要求的12 MPa提高25%以上，更能使喷锚支护尽快与围岩形成“围岩-支护”承载体系，共同发挥承载能力。同时，考虑到喷射混凝土早龄期强度越高，其实现成本也越高，综合考虑早龄期强度与经济性要求，认为8 h龄期强度宜为6～10 MPa。但在Ⅱ、Ⅲ级围岩段喷射混凝土主要起封闭作用，而非承载作用，因此，可直接采用常规的C25喷射混凝土。

此外，需要注意的是，围岩变形对喷射混凝土早期强度的需求与尺度效应也有关，即对喷射混凝土早期强度的要求应结合其开挖断面积大小综合考虑，不应片面提高。相同围岩条件下，隧道断面越大，变形控制对喷射混凝土早期强度要求越高，反之亦然。

4.2.1.3 高强度全环格栅/型钢钢架

在锚喷支护不足以辅助围岩形成可靠的“围岩-支护”承载体系时，钢架则是加劲构件。常用的Q235钢架屈服强度较低，在围岩变形较大时易屈服，对围岩变形控制不利。单纯提高钢架截面尺寸，造成开挖断面积不得不扩大，以至喷射混凝土量增大，支护结构自重加大，而其对增大围岩支护力有限，且不经济。因此，应综合权衡其材质强度、截面尺寸等因素，采用小尺寸的Q345以上的高强度格栅/型钢钢架，必要时采用高强度H型钢，使初期支护薄壁化和轻量化。同时，为提升钢架安装台车(架)的施工性能，将钢架设计为3段式，并在单元间设置铰接旋转轴，实现钢架折叠运输、展开安装，方便快捷，减少台车安装反复定位过程，减少单元数，并可以提升钢架整体承载力。3段式可伸缩高强度钢架如图11所示。

(a) 旋转接头

4.2.2 设计方法

4.2.2.1 围岩压力类型确定

隧道开挖引起围岩应力的二次调整，并导致围岩由外向内依次出现弹性、塑性硬化、塑性软化及塑性流动4个区域，并与岩石应力-应变曲线中的弹性阶段、塑性硬化阶段、塑性软化阶段及塑性流动破坏阶段一一对应，围岩4类区域分布如图12所示。岩石受荷应力-应变曲线如图13所示。

图12 围岩4类区域分布图

图13 岩石受荷应力-应变曲线

根据支护力的大小不同时围岩所处的不同状态，将围岩压力分为形变压力和松散压力。1)当支护力及时或较大使得围岩呈现弹塑性阶段时，一般产生围岩形变压力，其指隧道开挖后围岩发生变形但因支护的约束作用而处于弹塑性状态，此时作用在支护上的力即为形变压力，其量值与围岩特性、支护类型及刚度、支护时机、断面大小及埋深等因素有关。2)当支护力过小使得围岩出现塑性流动阶段时，可认为其作用于支护结构上的压力是松散体重力形式的松散压力，也即当前《隧规》中所采用的围岩压力类型，除此以外均可认为产生的是形变压力。采用机械化大断面法施工真正实现“快挖、快支、主动支、快封闭”的同时，配合掌子面超前主动支护体系与洞身高性能主动支护体系，强调超前干预，及时、主动与围岩形成联合承载体系，可将围岩应力状态控制在塑性软化阶段之内，避免出现围岩松动破坏。因此，根据郑万高铁湖北段隧道现场围岩松动区监测结果可知，采用机械化大断面法施工的隧道，围岩作用于支护上的力按形变压力考虑更为适宜。

4.2.2.2 形变压力计算方法

为得到形变压力计算公式，通过郑万高铁湖北段大量现场实测数据并结合资料调研，获取2000—2018年修建的分布在华东、华中、华南、西南及华北地区的54座隧道共205个形变压力监测数据样本，在剔除异常数据后最终选定179个形变压力监测数据样本。将样本数据按照面积等效原则分解为竖向压力、水平压力进行分析，并通过围岩重度γ、围岩级别s、隧道跨度b等多因素非线性回归分析方法及理论方法推导了6种竖向形变压力计算公式，最终选取其中相关系数最高的作为竖向形变压力计算公式，如式(14)—(17)所示，其计算示意如图14所示。

q=γ·h。

(14)

h=0.33w·e0.6s。

(15)

w=0.2+0.1b。

(16)

e=λq。

(17)

式中:q、e分别为竖向、水平形变压力;h为等效形变压力高度值;w为隧道跨度修正系数;λ为侧压力系数; e为自然常数2.72。

图14 深埋隧道形变压力计算图示

侧压力系数λ统计值近似服从正态分布，根据其概率密度函数得到各级围岩侧压力系数λ值，如表3所示。

表3 侧压力系数表

与《隧规》松散压力计算公式中的侧压力系数相比，相同围岩级别条件下，形变压力侧压力系数值λ更大，原因在于两者围岩压力类型不同。

需要注意的是，形变压力计算公式也有适用条件，如下：

1)适用于一般地质条件的深埋隧道，浅埋隧道按照《隧规》现有方法计算；

2)适用于Ⅲ—Ⅴ级围岩隧道；

3)适用于跨度为8～16 m的隧道；

4)适用于采用机械化大断面法作业并采用相应掌子面超前支护措施的隧道。

4.2.2.3 初期支护设计

形变压力是围岩与初期支护相互作用、协调变形所产生的压力，其主要表现为与喷射混凝土的接触压力。根据本文前述结论，初期支护和围岩共同承受施工期间的荷载，Ⅳ、Ⅴ级围岩段初期支护应按承载结构设计。具体参数设计时，根据不同围岩级别采用工程类比等方法拟定参数后，通过“荷载-结构”法进行安全系数验算，外荷载采用形变压力计算公式确定，且将所有形变压力荷载施加在结构之上。根据《隧规》要求，施工阶段强度验算时考虑采用“主要荷载+附加荷载”模式，并考虑采用折减系数0.9确定初期支护安全系数验算控制值，验算结果如表4所示。

表4 初期支护的安全系数控制值

Ⅱ、Ⅲ级围岩自稳能力较好，初期支护主要起封闭作用，其结构尺寸较小，可按构造设计，具体参数可直接根据工程类比法确定。

4.2.2.4 二次衬砌设计

考虑围岩劣化及初期支护锚杆、钢架锈蚀逐渐失效和喷射混凝土强度损失所致系统荷载增量由二次衬砌承担，采用数值方法计算得到因支护失效导致的衬砌荷载增大系数的具体范围，结果如表5所示。据此，建议采用机械化大断面法施工的深埋隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩地段作用在二次衬砌上的围岩压力分别按40%～60%、55%～70%的形变压力计算，围岩条件越差其值越大，并按此荷载通过“荷载-结构”法进行二次衬砌内力计算、截面强度及配筋计算。

表5 考虑长期效应的二次衬砌荷载增大系数及建议储备系数

5 结论与建议

5.1 结论

本文分析了隧道机械化施工的实质内涵，阐述了山岭隧道机械化施工亟待解决的问题，总结了隧道机械化大断面法设计理念、施工工法设计、隧道主动支护体系组成及具体设计方法等。主要结论如下：

1)山岭隧道由传统人工台阶法施工转变为大型机械化施工，不仅是施工装备的改变，而是一种由隧道修建工具和手段的改变所引起的隧道基础理论、设计理念、设计方法及施工工法的系统性变化。

2)采用机械化大断面法开挖后围岩在短期内变形迅速，支护结构及时提供支护力对围岩变形控制至关重要。现行被动支护设计理念及措施、围岩压力“分担比”、围岩松散压力计算方法与机械化大断面法施工不相适应。

3)适应于大型机械化作业施工的方法不再是分割断面分部开挖，而是积极干预补强围岩的大断面化零为整的开挖方法，包括全断面法与微台阶法，其内涵是一次开挖、一次支护成型。

4)掌子面整体稳定是机械化大断面法成功实施的前提，掌子面喷射混凝土、掌子面超前管棚、掌子面锚杆、掌子面预注浆等掌子面超前主动支护体系是确保掌子面整体稳定的重要手段，参数设计应采用定量化计算方法代替传统工程类比方法。

5)高性能主动支护体系是适应于机械化安全快速施工的最佳支护体系，“主动”的内涵是基于大型施工装备的高效率优势，依靠支护结构材料与构造性能，及时、主动辅助围岩快速形成“围岩-支护”承载体系，充分发挥围岩自支护特性的支护手段，其核心是以先锚后注式系统锚杆、高性能喷射混凝土为主，必要时设置高强度格栅/型钢钢架的初期支护结构。

6)采用机械化大断面法施工并配合采用主动支护体系的隧道，围岩作用于支护结构上的压力按形变压力确定更为适宜，支护结构既可靠，又经济。

5.2 建议

1)本文的主动支护体系及计算方法忽略了超前支护措施对洞身开挖后未支护段稳定性的积极贡献作用，也忽略了洞身支护措施对掌子面超前核心岩土体稳定性的提升作用，将两者独立进行参数设计，偏于保守。因此，如何将掌子面超前支护措施与洞身开挖后未支护段的支护措施进行联合协同设计，有待进一步研究。

2)在处理软弱围岩大变形不良地质问题时，预应力锚索具有至关重要的作用，而本文的主动支护体系中未包括预应力锚索这一主动支护手段。因机械化大断面法是一种替代传统施工方法的普遍性方法，而非处理不良地质问题的针对性方法，故是否考虑以预应力锚索为代表的其余主动支护手段，有待进一步深入研究。