關角隧道碳質板巖段洞室支護體系綜合評價指標研究

李志平，韓現民

（1.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009；2.石家莊鐵道大學土木學院，河北石家莊 050043）

關角隧道碳質板巖段洞室支護體系綜合評價指標研究

李志平1，韓現民2

（1.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009；2.石家莊鐵道大學土木學院，河北石家莊 050043）

關角隧道9＃斜井工區為高地應力軟巖區段，開挖后洞室變形較大、穩定性差。文章首先根據理論公式分析了影響洞室變形和塑性區大小的主要因素，而后針對碳質板巖段，采用數值計算的方法具體分析了巖體變形、強度參數、地應力特征、開挖斷面形式以及支護剛度等因素對洞室變形的影響；最后結合不同開挖斷面形式和不同支護剛度的現場試驗，提出了考慮地質環境、洞室形狀和支護特征的隧道洞室支護體系評價指標F，并采用該指標對碳質板巖段支護體系進行了評價，其結果與變形等級有較好的對應關系。該指標對于設計階段隧道支護體系的評價有一定的參考價值。

關角隧道；碳質板巖；洞室穩定性；支護體系；綜合評價指標

0 引言

由于業主需求、本地傳統和設計者的工程經驗不同，在隧道加固和襯砌設計方面差別較大，至今仍未有一個公認的隧道穩定性或者設計者可接受的評價標準，工程判斷和經驗常常在隧道加固和襯砌設計中起著重要的作用。

廣義上講，隧道的支護體系不但包括施加的具體加固和支護結構，而且還包括圍巖本身的自穩支護作用。因此，評價隧道洞室穩定性因素時不但要涉及圍巖的性質、地應力特征和地下水環境，而且還要考慮隧道洞室大小、形狀、支護剛度、支護時機以及施工方法和措施等，故要對隧道洞室穩定性進行整體評價是相當復雜的，評價指標要涵蓋影響洞室穩定性的多種因素。

隧道圍巖的變形是洞室穩定性最直觀、最外在的一種表現方式。因此在實際隧道施工中，常根據現場量測到隧道變形特征（變形量和變形速率）來判定隧道的穩定性，并制定相應的位移管理基準［1-2］。但基于變形的洞室穩定性判斷是一種“事后”的手段，對如何在工程設計階段，根據前期地勘資料、地應力測試結果、巖石力學性質的室內試驗結果以及擬采用的支護手段，綜合考慮影響洞室穩定性的各種因素來對洞室穩定性進行評價的研究極為少見。

在隧道結構穩定評價研究方面，周盛全等［3］利用人工神經網絡，選取了巖石質量指標、巖石單軸飽和抗壓強度、巖石完整性系數、結構面強度系數和地下水滲水量4個因素，對圍巖進行了分級和穩定性評價；蘇永華等［4］基于Hoek-Brown巖體失效準則，推導了任意斷面形狀隧道松散荷載確定方法，并采用收斂-約束原理構建了聯合支護體結構穩定性系數的計算方法；楊小禮等［5］根據圍巖超欠挖量、隧道穩定性系數、地震烈度和隧道偏壓比，根據信息優化理論建立原始數據信息與偏壓隧道結構穩定性關系，對結構穩定性進行評價；蔣金泉等［6］根據跨采巷道的礦山壓力特點，建立了反映巷道具體穩定性狀態的圍巖結構穩定性指標——綜合強度因素和礦山壓力因素，采用模糊聚類分析方法得到跨采巷道結構穩定性分類模式，提供了跨采巷道結構穩定性實用分類與錨桿支護參數設計的實用方法；劉志春等［7］以烏鞘嶺隧道為例，考慮了圍巖的相對變形、強度應力比、原始地應力和彈性模量等指標，提出了擠壓性圍巖隧道變形綜合評價系數，并給出了相應的評價標準。但是這些研究考慮的主要因素是隧（巷）道的地質環境，且考慮的地質因素也不夠全面，特別是沒有很好地把開挖斷面的幾何特征和支護剛度等因素考慮進去，存在一定的缺陷。

西格二線關角隧道為單線雙洞高原隧道，9＃斜井工區隧道埋深約200 m，為高地應力軟巖區段。其中存在約1 000 m的石炭系碳質板巖段，巖石呈灰白色、灰黑色，呈薄層狀、板狀構造，板理發育，巖體受構造影響嚴重，節理、裂隙發育，泥質充填，巖體破碎，巖質較軟，巖體呈碎塊狀松散結構，層間結合力弱，自穩能力差，屬Ⅴ級圍巖，隧道開挖后易發生大變形、拱部掉塊和坍塌現象［8-9］。

為了更全面地評價隧道支護體系（圍巖+支護）穩定性，使評價結果更具說服力，在以往研究的基礎上，在穩定性評價中又考慮了隧道開挖形狀、支護參數等因素。本文首先基于圓形隧道變形的解析解，對影響隧道變形的因素進行了分析，并采用數值模擬對西（寧）格（爾木）二線關角隧道9＃井碳質板巖段洞室變形特征進行了多因素分析；在此基礎上結合不同洞室開挖形狀、不同支護參數下的變形量測結果提出了既考慮到圍巖性質和地質環境特點，又兼顧洞室幾何特征和支護剛度等因素的洞室支護體系綜合評價指標，對板巖段洞室穩定性進行了評價，并與常用的位移管理基準進行了比較。

1 隧道洞室變形影響因素分析

1.1 洞周位移影響因素分析

考慮支護作用的圓形均質地層洞室周邊徑向位移理論公式：

從式（1）可以看出：洞室周邊位移的大小與圍巖的彈性模量E成線性反比例關系；洞周的徑向位移隨地應力的增大而變大；洞室周邊位移與圍巖塑性區半徑的平方成正比關系，說明洞室位移對塑性區大小敏感性較高；支護抗力pi與洞周位移呈反比關系。

1.2 塑性區范圍影響因素分析

靜水壓條件下均質地層圓形洞室的塑性區半徑計算公式：

2 關角隧道9＃井碳質板巖段圍巖變形影響因素分析

2.1 圍巖巖體力學參數與地應力水平綜合分析

對關角隧道9＃斜井碳質板巖段巖體性質分別采用取樣室內試驗、圍巖參數的位移反分析、工程類比法、地應力場實測及反演和圍巖壓力測試等方法進行了研究，但各種測試方法都有其局限性。綜合各種試驗及分析手段，并結合鐵路隧道規范建議及現場隧道施工實踐，確定板巖段圍巖物理力學參數的建議值，如表1所示。

2.2 板巖段隧道變形影響因素分析

1）地應力水平p0。為了了解碳質板巖段地應力水平對隧道變形的影響規律，采用有限元數值模擬（Phase 2D）手段，模擬隧道采用3臺階開挖，計算了側壓力系數為0.8時，大曲率邊墻、似圓形斷面隧道（毛洞）洞壁變形與埋深之間的關系。圖1為隧道毛洞在不同埋深時拱頂下沉和墻腰水平變形規律，圖2為埋深200 m時隧道洞壁變形圖。

從圖1得隧道變形（拱頂下沉、拱腰水平收斂）隨埋深增大呈非線性遞增的規律；關角隧道板巖段隧道埋深約200 m，似圓形斷面形式下毛洞的拱頂下沉量為28.4 cm，墻腰水平位移為36.3 cm。

表1 圍巖物理力學參數及地應力綜合分析表Table 1 Geostress and physical and mechanical parameters of surrounding rock

圖1 隧道洞周位移與埋深關系曲線Fig.1 Relationship between displacement and cover depth of tunnel

圖2 埋深200 m時隧道（毛洞）洞壁變形圖Fig.2 Deformation of tunnel under 200 m depth

2）側壓力系數λ。為分析碳質板巖地層似圓形斷面隧道變形與側壓力系數之間的關系，模擬了埋深200 m時不同側壓力系數下隧道變形規律，如圖3所示。圖4為λ＝1.1時隧道周邊（毛洞）變形圖。

從圖3可得似圓形斷面隧道的拱頂下沉和墻腰水平變形隨側壓力系數增大而增大，成正比例關系；墻腰水平變形隨側壓力系數增大而緩慢增大；拱頂下沉在側壓力系數λ＜0.7時，隨側壓系數變大而增長緩慢，而在側壓力系數λ＞0.7后，拱頂下沉增長速率明顯變大；λ＝1.2為墻腰和拱頂變形量相對大小的分界點。

圖3 隧道洞周變形與側壓力系數關系曲線Fig.3 Deformation of tunnel Vs.lateral pressure coefficient

圖4 λ為1.1時隧道洞壁變形圖Fig.4 Deformation of tunnel whenλ＝1.1

3）開挖洞室形狀。不同地應力特征下隧道開挖后變形特征差異較大，故隧道斷面形狀的選擇要依據地應力特征來定。已有文獻對此進行了一些研究和探討［10-11］。為了研究碳質板巖段隧道開挖斷面形式對洞室的穩定性影響，進行了圓形、大曲率邊墻似圓形、馬蹄形和直墻拱斷面形狀下洞室變形和支護受力計算。數值計算中洞室埋深取200 m，側壓力系數取0.8，全斷面開挖，在應力釋放率達30%時全斷面噴射厚30 cm的C25混凝土。各種斷面形式下洞室變形和支護受力情況如表2所示。圖5為馬蹄形斷面時洞壁變形圖。

表2 各種開挖斷面形狀下洞室變形及支護受力情況Table 2 Deformation of tunnel and stress of supportunder different cross-section shapes

從表2可知：①在控制洞室變形方面，從洞壁總位移和墻腰水平位移數據得出的次序為圓形斷面最優，其次為似圓形、馬蹄形和直墻拱形式，但從控制拱頂下沉來看，其優劣次序正好相反；②從支護結構受力來看，基本上遵循著圓形、似圓形、馬蹄形、直墻拱受力由小到大的順序。因此碳質板巖段地層斷面形式越接近于圓的形狀，洞室變形和支護受力越小、越合理。

圖5 馬蹄形斷面洞壁變形圖Fig.5 Deformation of tunnelwith horseshoe-shaped cross-section

4）圍巖強度Rb及強度應力比Rb/p0。埋深200 m、側壓力系數為0.8時，似圓形斷面形狀隧道在不同的圍巖強度或強度應力比下洞壁的變形特征如圖6所示。

從圖6可得，隧道周邊變形隨著圍巖強度或強度應力比的增大而呈非線性減小；在圍巖強度應力比Rb/p0＜1時，洞壁的變形變化速率較大，在強度應力比Rb/p0＞1后，洞壁變形隨圍巖強度增大其變形速率明顯放緩，且逐漸趨于穩定。這是因為在一定的地應力水平作用下，隨著圍巖強度增大，塑性區范圍會變小，洞壁的變形也隨之減小。

圖6 隧道洞壁變形與圍巖強度關系曲線Fig.6 Relationship between deformation of tunnel and strength of surrounding rock

5）圍巖變形參數E。埋深200 m的似圓形斷面形式的隧道周邊變形與圍巖變形參數（彈性模量）之間的關系如圖7所示。

圖7 隧道周邊變形與圍巖彈性模量關系曲線Fig.7 Relationship between deformation of tunnel and elastic modulus of surrounding rock

從圖7可得，隧道周邊變形隨著圍巖彈性模量增大呈冪函數減小，隧道變形與圍巖彈性模量成反比關系；隧道變形速率隨著圍巖彈性模量增大呈現出逐漸減小的趨勢。

6）支護模量Ec與支護圍巖模量比Ec/E。為了研究方便，采用有限元軟件對板巖段進行了全斷面開挖、支護的數值模擬，得到了不同支護模量下隧道洞壁的變形規律，如圖8所示。

從圖8中可以看出，當支護圍巖模量比Ec/E＞15時，隨著支護模量減小洞壁變形變化較平緩；當Ec/E＜15后，隨著支護模量減小洞壁變形變化較大，變形對支護模量的敏感性增強。

3 關角隧道板巖段變形測試及支護體系穩定評價系數

3.1 關角隧道板巖段變形控制現場試驗及變形分級標準

為研究高地應力條件下軟巖變形控制技術，在關角隧道板巖段地層進行了三臺階開挖方式下不同斷面形式、不同支護剛度的現場試驗。隧道變形統計數據如表3和表4所示［8］。根據隧道變形統計規律得出的板巖段位移分級標準如表5［8］所示。

圖8 隧道洞壁變形與支護模量（或支護圍巖模量比）關系曲線Fig.8 Rationship between deformation of tunnel and support modulus（or ratio of support to surrounding rock）

從表3可看出，相同支護參數時，大曲率邊墻、似圓形開挖斷面下的水平收斂變形、拱頂下沉在累計變形量和變形速率方面明顯小于馬蹄形斷面下的洞室變形。這表明在水平構造應力發育的情況下，采用跨高比較大的似圓形開挖斷面形狀可有效控制隧道的變形。

從表4可看出，在相同開挖斷面形式的前提下，增大支護剛度對隧道內空變形控制有較明顯的效果。對于似圓形斷面，相比較2榀/m的格柵支護結構，支護結構為3榀/2 m的I20a、2榀/m的I20a時洞室變形分別降低了15%～35%、35%～38%；比較表1與表2中馬蹄形開挖斷面形式下洞室變形特征，2榀/m的I20a支護下洞室變形要小于2榀/m的I16支護時的變形。

表3 9＃斜井板巖段不同斷面形式下變形指標統計表Table 3 Statistics of deformation of tunnel sectionswith different cross-section shapes in slate strata in the 9th inclined shaftwork area

表4 9＃斜井板巖段不同斷面形式及支護強度下變形量測技術指標統計表Table 4 Statistics of deformation of tunnel sectionswith different cross-section shapes and differentsupport strengths in slate strata in the9th inclined shaftwork area

表5 關角隧道板巖段變形分級標準Table 5 Deformation classification criterion of slate section of Guanjiao tunnel

3.2 隧道支護體系評價系數F及應用

1）考慮到洞室穩定性隨著Rb/σv增大而增強，洞室變形隨著巖體的彈性模量E和支護結構模量Ec的增大而減小，故提出綜合評價系數

式中：Rb為巖體的單軸抗壓強度；σv為原始地應力；λ為側壓力系數；f(λ)為與λ相適應的洞室斷面形狀特征系數。

評價系數F不但涵蓋了圍巖變形和強度參數、地應力水平及側壓力系數，而且還考慮了開挖洞室的幾何特征和支護剛度，比較全面地考慮了影響隧道穩定性的主要因素。

從式（5）可看出，評價系數F值越大，表明隧道支護體系的穩定性越好；反之，F值越小，支護體系穩定性越差。可用來比較不同圍巖條件下不同支護強度下隧道體系的穩定性。

在此定義隧道開挖斷面的形狀系數α為隧道的跨高比。鐵路單線隧道常用斷面形狀變形特征系數f(λ)與側壓力系數λ對應關系如表6所示。其中f(λ)為拱頂變形和邊墻變形兩者中較小值與較大值之比，反映一定地應力特征下，隧道不協調變形特征。表6中數值為數值計算結果。

其他側壓力系數λ對應的f(λ)值可通過線性插值得到。

根據板巖段巖體特征、地應力水平以及洞室幾何特征、支護形式，綜合評價系數F值范圍及相對定性評價如表7所示。

2）板巖段支護體系評價。根據綜合評價指標F的計算公式，對板巖段不同斷面形式、不同支護強度下洞室支護體系穩定性計算如表8所示。

表6 f(λ)與λ對應關系表Table 6 Relationship between f(λ)andλ

表7 板巖段綜合評價指標范圍及定性評價Table 7 Qualitative evaluation and range of comprehensive evaluation index of slate stratum

表8 板巖段洞室支護體系評價指標計算及評價Table 8 Calculation and evaluation of comprehensive evaluation index of tunnel in slate strata

從表8可以看出，利用支護體系綜合評價指標F可對不同開挖斷面形式和不同支護剛度下洞室穩定性作出較合理的評價，并與洞室的變形分級有較好的對應關系。

洞室的穩定性還受到許多其他因素的影響，如一次開挖進尺、支護時機、施工工法、開挖方法和仰拱封閉距離等。但是把這些因素統一到一個綜合評價指標中來對洞室的穩定性進行評價是一個復雜的難題。本次只是針對關角隧道板巖段，在其他施工參數確定的情況下，提出一個考慮地質環境、開挖斷面形狀及支護強度等多因素的評價指標，是對洞室穩定性評價指標研究的一次探索。

4 結論與體會

隧道洞室穩定性影響因素眾多，既有隧道修建環境因素，包括地層力學指標、巖體結構特征、地應力水平與特征和水文地質特征等，又有人為因素，如開挖斷面形狀、施工參數、支護參數及施作時機等，找到一個涵蓋多因素的綜合指標來預判隧道穩定性仍存在一定困難，本文是朝這個方向進行了一次有益的探索，有著積極的理論意義。

通過對關角隧道高地應力碳質板巖段洞室穩定性評價指標進行研究，得到如下結論與體會：

1）關角隧道板巖段洞室穩定性的數值計算表明，洞室變形與地應力水平和側壓力系數成正比關系；采用似圓形開挖斷面形狀較合理；當圍巖強度應力比小于1時，洞室變形對圍巖強度的敏感性增強；洞室變形與圍巖彈模成非線性反比關系；洞室變形在支護圍巖模量比小于15后，敏感性增強。

2）以理論分析為基礎，以數值分析結果和現場試驗結果為依托，提出了關角隧道板巖洞室支護結構體系綜合評價指標F，并對板巖段不同開挖斷面形狀、不同支護剛度下隧道支護體系進行了綜合評價；通過與大變形等級進行比較，證明了此評價方法的合理性。該方法對設計階段的隧道支護結構體系評價有一定的推廣意義。

3）相對于前人研究的穩定性判定指標，本文提出的指標增加了隧道斷面形狀和支護剛度等影響指標，考慮的因素更全面一些；本文只考慮了形變壓力產生的變形，未計其他原因產生的變形，故只應用于以形變壓力為主的隧道；文章大多結果是基于數值計算，其可靠性需進一步借用類似工程的現場變形測試數據來印證。

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Study on Comprehensive Evaluation Index of Support System
of Guanjiao Tunnel in Carbonaceous Slate Stratum

LIZhiping1，HAN Xianmin2

（1.China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China；
2.Civil Engineering College，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，Hebei，China）

There exists some 1 000m carbonaceous slate stratum under high geostress in the9th inclined shaftwork area of Guanjiao tunnel.The slate rock mass isweak，which would result in large deformation after excavation.Firstly，themain factors influencing the deformation of the tunnel and the plasticized zone of the surrounding rock are generally analyzed based on theoretical formula；Secondly，factors influencing the stability of the slate tunnel section，such as the parameters of the deformation and the strength of the rock mass，the geostress characteristics，the cross-section shapes and the support rigidity，are analyzed in detail bymeans of numerical simulation；Finally，a comprehensive evaluation index F is proposed based on the above analysis and the field experiments on the different cross-section shapes and different support rigidities.The index，which comprises geological condition，excavation cross-section shapes and support rigidity，is applied to evaluate the support of the tunnel in carbonaceous slate.The evaluation results coincide wellwith the deformation grade.The index can provide reference for the support system evaluation in the tunnel design stage.

Guanjiao tunnel；carbonaceous slate；tunnel stability；support system；comprehensive evaluation index

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.03.005

U 45

A

1672-741X（2015）03-0220-07

2014-11-19；

2015-01-20

李志平（1977—），男，山西陽城人，2000年畢業于武漢測繪科技大學，測量工程專業，本科，高級工程師，從事隧道及地下工程結構施工技術管理和研究工作。