山嶺隧道機械化大斷面法設計關鍵技術

劉 科

(中鐵二院成都勘察設計研究院有限責任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

隨著高速鐵路、公路在我國大范圍快速修建，隧道工程作為重要組成部分，其設計施工水平發(fā)展迅速,但與日本、意大利、挪威等典型的隧道建設強國相比，我國在隧道鉆爆法機械化施工方面有著較大差距[1]。例如： 北歐挪威隧道施工機械化程度極高，洞內(nèi)施工人員較少，整個掌子面開挖、支護作業(yè)人員僅3人，基于成熟的配套裝備，3個作業(yè)人員相互搭配共同完成鉆孔、裝藥、噴射混凝土、錨桿安裝及注漿等主要工序，一人多能，施工效率極高；南歐意大利等國針對軟巖地層，研究出基于高度機械化作業(yè)的“巖土控制變形分析法”，即“新意法”[2]，解決了機械化安全施工問題。而國內(nèi)山嶺隧道鉆爆法長期采用人工多臺階施工方法，貢獻大，犧牲更大。隨著國產(chǎn)裝備技術的發(fā)展，全工序機械化，即以機械作業(yè)為主、人工作業(yè)為輔的施工模式，是我國隧道施工未來的發(fā)展趨勢。

近年來，鐵路行業(yè)逐步推行隧道大型機械化配套施工，例如： 貴廣高鐵[3]、成蘭鐵路[4]等長大干線在隧道圍巖地質(zhì)較好段部分采用了機械化施工，但施工過程中所暴露出的超挖回填量大、造價高、應用條件局限等問題，阻礙了隧道施工機械化的推廣應用。對于隧道機械化施工，業(yè)內(nèi)人士一般認為可以采用鑿巖臺車代替人工氣動風槍鉆孔，此種看法較片面。因為相比傳統(tǒng)工法，機械化施工實質(zhì)是一種隧道建造工具和手段的改變，工具和手段改變引起隧道開挖及支護方法改變，隧道開挖及支護方法改變引起隧道穩(wěn)定性改變，隧道穩(wěn)定性改變又必然引起隧道相關基礎設計理論、支護體系及設計方法改變，隧道設計改變反過來又必然影響到隧道建造工具和手段，如此環(huán)環(huán)相扣。因此，充分認識隧道機械化修建方法是對傳統(tǒng)方法認識的系統(tǒng)改變，這是推動機械化修建技術應用的關鍵。

鉆爆法機械化施工現(xiàn)有研究成果多偏重于機械配套、具體施工本身，鮮有與機械化施工相配套的設計技術研究。本文依托鄭萬鐵路湖北段隧道機械化修建科研成果[5-8]及大量現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，探討山嶺隧道由小型裝備及工法修建轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮脱b備及新型工法修建亟待解決的問題，以及設計理念、荷載理論、新型施工工法及支護體系等問題，并提出機械化大斷面法設計關鍵技術。

1 機械化施工亟待解決的問題

1.1 工法設計問題

隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖傳統(tǒng)多臺階分部施工方法如三臺階七步作業(yè)法、臺階臨時仰拱法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導坑法等，盡管能解決隧道修建問題，但施工過程中問題較多，例如: 拱部錨桿施作困難，導致系統(tǒng)錨桿施工飽受詬病；鋼架節(jié)段劃分過多，且分階段拼裝導致整體支護力較低等。究其原因是缺少與施工工法相配套的機械設備，在機械化程度沒有明顯提高的情況下，隧道工法不可能有實質(zhì)性的進步。從國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可知，全電腦智能型鑿巖臺車、混凝土濕噴臺車、錨桿臺車、鋼架臺車、智能型襯砌臺車等一系列大型施工裝備，是隧道施工工具和手段的革新，過去化整為零的施工工法已經(jīng)不再適用，甚至是無法適用的。國內(nèi)當前面臨的最大問題是缺少基于大型機械作業(yè)的大斷面施工工法研究，尤其對于軟弱圍巖隧道。因此，研究與機械化施工相匹配的且適應能力較強的隧道快速開挖及支護方法是目前最為迫切的問題。

1.2 支護設計問題

1.2.1 支護設計理念

支護設計理念與支護結(jié)構、施工方法設計密切相關，且彼此應相互配套、相互適應。但目前國內(nèi)鐵路隧道設計常采用的“被動支護”與“分擔比”理念與機械化大斷面法施工總體而言不相適應。

1.2.1.1 被動支護

從圍巖變形控制角度來看，被動支護設計理念的核心是“硬扛”。這種理念在初期支護噴射混凝土、錨桿及鋼架設計中均有不同程度的體現(xiàn)，且對各支護構件的重要性認識欠缺。當圍巖自穩(wěn)性較差時，極重視型鋼鋼架在初期支護中的作用，認為無鋼架就不安全，每當圍巖變形較大時，習慣采用大剛度的型鋼鋼架抵抗變形；另外，其認為噴射混凝土的支護作用次之，目前絕大部分采用C25噴射混凝土，對早期強度的要求較低，不同圍巖條件下對噴射混凝土的強度要求也沒有差異性；錨桿的支護效果被嚴重低估，大量采用組合中空錨桿和砂漿錨桿等“被動式”錨桿，且對砂漿強度要求低，錨桿提供的支護力速度與圍巖變形速度不匹配，且因拱部錨桿鉆孔和安裝均較困難，以至于錨桿“形同虛設”。

1.2.1.2 分擔比

鐵路隧道復合式襯砌支護結(jié)構通常按圍巖壓力“分擔比”進行設計，也稱“承載比”。習慣上Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖段二次襯砌承擔的圍巖壓力“分擔比”分別采用約30%、50%、70%，對應初期支護承擔圍巖壓力“分擔比”則分別約為70%、50%、30%，相應支護參數(shù)也按此“分擔比”設計確定。但Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》要求，一般情況下二次襯砌的施作需滿足2條： 一是隧道凈空收斂速度明顯下降；二是相對位移量已達到總相對位移量的90%以上。按照該條文，要求初期支護變形達到基本穩(wěn)定后方可施作二次襯砌，這意味著變形基本穩(wěn)定的初期支護結(jié)構實質(zhì)上承擔了絕大部分圍巖壓力，并使圍巖變形達到基本穩(wěn)定。倘若僅按上述“分擔比”設計，則所設計出的初期支護結(jié)構屬于“過載承擔”，實際受力遠超其承載能力，甚至已破壞。因此，嚴格意義上，圍巖壓力“分擔比”的理念不準確，甚至自相矛盾。

1.2.2 支護設計方法

對于超前支護設計，設計者通常僅賦予超前支護較為單一的作用，即防止開挖后拱頂?shù)魤K，還未深刻認識到掌子面超前支護對于提升掌子面整體穩(wěn)定性的作用。同時，超前支護措施及支護參數(shù)設計仍采用基于經(jīng)驗的工程類比法確定。而洞身支護設計通常是基于TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》(簡稱《隧規(guī)》)的塌方荷載設計，其荷載值是根據(jù)塌方案例統(tǒng)計資料擬合而來的圍巖松散壓力計算結(jié)果。這種圍巖壓力計算方法實質(zhì)上忽略了圍巖本身的承載能力，所計算的圍巖壓力偏大，導致支護結(jié)構設計偏保守，一定程度上造成工程投資增大。

2 機械化大斷面法設計理念

2.1 圍巖變形規(guī)律

隧道開挖實質(zhì)上是圍巖應力三維動態(tài)調(diào)整的過程。結(jié)合文獻[9]及鄭萬高鐵現(xiàn)場實踐可知，采用機械化大斷面法開挖后的圍巖沿縱向的變形分區(qū)如圖1所示。該變形為拱頂沉降或者凈空收斂。開挖前預變形段位于掌子面前方1S～1.5S(S為隧道開挖寬度)，此段變形為總變形量的20%～30%，直接影響掌子面的安全穩(wěn)定；快速變形段位于掌子面后方1S～3S，此段變形為總變形的50%～60%，直接影響洞周安全穩(wěn)定；緩慢變形段位于掌子面后方3S～5S，此段變形為總變形的10%～15%，直接影響初期支護的可靠性；穩(wěn)定變形段位于掌子面后方大于5S范圍,變形量為總變形的5%～10%。

圖1 機械化大斷面法開挖后隧道圍巖縱向變形分區(qū)示意圖

由此可見，上述預變形、快速變形及緩慢變形階段占據(jù)了圍巖絕大部分變形量。當圍巖自穩(wěn)性較好時，上述變形總量較小；但圍巖自穩(wěn)性較差時，其總變形量較大。從確保掌子面、洞身穩(wěn)定以及施工安全的角度出發(fā)，機械化大斷面法設計應主要解決圍巖預變形、快速變形及緩慢變形3個階段的變形控制問題，尤其是前兩者。

2.2 設計理念與施工原則

機械化大斷面法設計理念可理解為： 借助大型機械裝備在隧道開挖前及開挖后主動、及時采取一系列措施，輔助掌子面前方及后方一定影響范圍內(nèi)的圍巖形成以圍巖自身為主體的“圍巖-支護”承載體系(“支護”一般指初期支護)，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，在主動使圍巖變形可控的同時，能確保掌子面穩(wěn)定安全。其核心要點是“快挖、快支、主動支、快封閉”，強調(diào)“快”與“主動”。1)“快挖”既指大幅縮短開挖循環(huán)時間，在短時間內(nèi)完成開挖工序施工，也指整個隧道斷面一次性開挖成型，而非分部成型； 2)“快支”指快速施作管棚、錨桿、噴射混凝土等支護構件，在圍巖快速變形階段及時提供支護力； 3)“主動支”既指開挖前主動對掌子面前方圍巖進行預支護，確保掌子面穩(wěn)定，也指開挖后主動輔助圍巖形成“圍巖-支護”承載體系； 4)“快封閉”既指開挖斷面在縱、橫斷面方向的快速閉合，也指初期支護結(jié)構在縱、橫斷面方向的快速封閉成環(huán)，圍巖越不穩(wěn)定時，“快封閉”對于變形控制越重要。

2.3 支護理念

若繼續(xù)遵循傳統(tǒng)被動支護理念，在大進尺、大斷面機械化開挖施工過程中，掌子面及洞周圍巖變形則難以控制，直接影響工法成敗和施工安全。因此，機械化大斷面法初期支護設計應遵循“變被動為及時主動，且少擾動，使圍巖主體承載并松弛有度”的原則。從成本貢獻率角度來看，初期支護各構件支護效果排位中錨桿是第1位，噴射混凝土是第2位，鋼架是第3位；從支護主動性與及時性角度來看，錨桿也是最重要的構件，可“即時”提供支護力。

基于此，實質(zhì)上可以得出比圍巖壓力“分擔比”理論更適宜的結(jié)論，即采用機械化大斷面法施工的復合式襯砌隧道，初期支護和圍巖共同承受施工期間的荷載，隨著隧道修建完成并投入運營，圍巖、初期支護和二次襯砌共同承受運營期間的外荷載。二次襯砌承擔荷載的前提是： 因運營期圍巖本身及初期支護劣化導致“圍巖-初期支護”承載體系承載力降低甚至達到極限而不能自穩(wěn)時，則由二次襯砌分擔其超限荷載。因此，應堅持二次襯砌在初期支護及圍巖協(xié)調(diào)變形穩(wěn)定后再施作的原則，避免過早承載。故可將整個隧道開挖支護工序與襯砌工序獨立開來，也即嚴格意義上就不存在所謂的二次襯砌安全步距問題，甚至是全隧貫通后再澆筑二次襯砌也不是不可能實現(xiàn)的。但為了滿足不施作二次襯砌就不安全的心理壓力問題，將二次襯砌緊跟掌子面的距離由幾十m擴大至幾百m，以滿足各工序大型施工裝備的布置。

3 機械化大斷面工法設計

與傳統(tǒng)臺階法相比，機械化大斷面法的實質(zhì)是隧道施工全工序尤其是開挖、支護工序采用高效率大型機械代替人工作業(yè)或者以小型機械作業(yè)為前提，在除特殊不良地質(zhì)以外的隧道處，根據(jù)開挖后圍巖不同自穩(wěn)能力狀態(tài)，針對性地主動采取合理、可靠、經(jīng)濟可控且可接受的掌子面超前干預措施與洞身支護措施來確保掌子面附近的圍巖穩(wěn)定，為大型機械作業(yè)提供作業(yè)空間的同時，實現(xiàn)安全、快速、高質(zhì)量、少人化甚至是無人化作業(yè)。因此，將機械化大斷面法(large cross-section mechanized method)定義為采用大型機械化配套設備并按設計斷面一次開挖成型的施工方法，包括全斷面法(不帶仰拱)、全斷面法(帶仰拱)、微臺階法。其施工工序示意如圖2所示。圖中長度l根據(jù)監(jiān)控量測分析、現(xiàn)場設備配置和作業(yè)空間需求確定。

(a) 全斷面法(不帶仰拱)

全斷面法是指整個隧道斷面一次整體開挖、一次全環(huán)支護；而微臺階法的本質(zhì)是將掌子面設置為臺階狀，上下部斷面(含仰拱)同步向前掘進與支護，為同時滿足掌子面穩(wěn)定與作業(yè)空間要求，應將上臺階長度限制在3～5 m，上臺階距離拱頂?shù)拈_挖高度一般為設計斷面高度的1/2～2/3。從確保掌子面穩(wěn)定方面，還可適當將掌子面設置為具有一定坡度的斜面或一定曲率的曲面，一般斜面掌子面適用于硬巖地段，曲面掌子面適用于軟質(zhì)巖地段，一定程度上可改善掌子面擠出變形問題。在選擇機械化工法時，還受環(huán)境條件、地質(zhì)條件、斷面大小、經(jīng)濟性、設備配置等因素影響，其一般適用范圍如表1所示。

表1 各級圍巖機械化大斷面法適用范圍

受施工裝備影響，Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術規(guī)程》中規(guī)定開挖循環(huán)進尺一般不大于3.5 m。但機械化施工中，增大開挖循環(huán)進尺完全可行。因為一方面機械化施工采用了高效率大型機械設備，鉆孔開挖及支護工序作業(yè)效率大幅提升，同時掌子面附近的作業(yè)人員數(shù)量大幅減少；另一方面，采用本文中提出的高性能主動支護體系，既提升了掌子面及洞身的穩(wěn)定性，又提升了施工作業(yè)的安全性；且鑿巖臺車機械臂鉆桿長度一般在5 m以上。具體開挖循環(huán)進尺建議如表2所示。

表2 各級圍巖開挖循環(huán)進尺適用表

4 主動支護體系設計

有效可靠的支護手段強調(diào)“主動干預”，而非“被動承受”，其設計內(nèi)容包括掌子面超前主動支護設計與洞身主動支護設計2部分。

4.1 掌子面超前主動支護設計

4.1.1 體系組成

機械化大斷面法施工一次開挖斷面面積是多臺階法的數(shù)倍，受尺度效應影響，相同圍巖條件下全斷面開挖掌子面整體穩(wěn)定性大幅降低。傳統(tǒng)意義上認為隧道超前支護僅指超前小導管或管棚，涵蓋范圍較小，無法解決機械化大斷面法開挖隧道掌子面整體穩(wěn)定性的問題。為確保掌子面整體穩(wěn)定，本文提出的掌子面超前主動支護體系實質(zhì)上包含掌子面噴射混凝土、掌子面超前管棚、掌子面錨桿、掌子面預注漿等對掌子面開挖后影響范圍內(nèi)的前方圍巖主動進行變形干預的組合體系，也即廣義超前支護。

4.1.2 設計方法及計算

為形成一套可供定量計算的掌子面超前支護參數(shù)設計方法，采用基于極限平衡法計算的經(jīng)典楔形體模型[6]，將掌子面滑移楔形體作為研究對象，建立掌子面力學分析模型，如圖3所示。

(a) 掌子面楔形體模型

采用極限平衡法分析，引入掌子面計算穩(wěn)定系數(shù)K，其計算公式如下。

(1)

通過掌子面滑移體靜力平衡條件及式(1)，推導出掌子面穩(wěn)定性系數(shù)K，其計算公式如下。

(2)

(3)

(4)

(5)

Fq=qB(Dcotθ0+le) 。

(6)

(7)

(8)

(9)

式(2)—(9)中：B為掌子面跨度;c為圍巖黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；γ為圍巖重度。

4.1.2.1 掌子面噴射混凝土支護力p1

采用數(shù)值模擬方法分析掌子面噴射混凝土受力模式，得到掌子面噴射混凝土受力云圖如圖4所示。

藍色為受力較大處； 紅色為受力較小處。

根據(jù)圖4，掌子面MN測線與OP測線方向的擠出荷載均呈現(xiàn)出中間大、兩側(cè)小的形態(tài)。為簡化計算，將掌子面噴射混凝土板簡化為寬B、高D、厚t，兩端固定，受三角形荷載的梁，其受力模型如圖5所示。噴射混凝土達到極限狀態(tài)時一般受拉破壞，根據(jù)其抗拉強度R1推導出噴射混凝土支護力p1，計算公式如下。

(10)

圖5 噴射混凝土簡化受力模型

4.1.2.2 掌子面錨桿支護力p2

掌子面錨桿一般采用GFRP強化玻璃纖維錨桿，其作用是有效減小掌子面附近圍巖的第三主應力，提高抗剪強度、剛度等，增強掌子面穩(wěn)定性。掌子面錨桿受力簡化計算模型如圖6所示。

圖6 掌子面錨桿受力簡化計算模型

掌子面錨桿提供的支護力

(11)

式中p2i為第i排掌子面錨桿支護合力。

4.1.2.3 超前管棚支護下掌子面前方擾動段豎向形變壓力折減系數(shù)α1

由于管棚致使圍巖作用在掌子面楔形體頂部的壓力減小，其折減系數(shù)α1計算采用變基床系數(shù)彈性地基梁模型，如圖7所示。首先,將長度為lp的管棚離散為n個長度為Δlp的微元和n+1個節(jié)點；然后，基于有限差分法、Winkler彈性地基梁及增量法，得到第j開挖步、第i節(jié)點管棚地基反力Rqij；進而疊加得到掌子面前方滑移體范圍內(nèi)管棚總地基反力Rq。其中，采用初期支護變基床系數(shù)計算公式考慮噴射混凝土齡期；采用掌子面前方擾動段圍巖變基床系數(shù)計算公式考慮掌子面擠出變形效應。則折減系數(shù)

(12)

式中:Sp為管棚間距,m;lplap為管棚搭接長度。

圖7 掌子面超前管棚變基床系數(shù)彈性地基梁模型

4.1.2.4 掌子面預注漿加固后圍巖黏聚力增大系數(shù)α2

掌子面注漿主要提高圍巖的黏聚力，而對圍巖內(nèi)摩擦角影響較小，因此僅考慮掌子面全斷面注漿對圍巖黏聚力的影響。掌子面注漿加固示意如圖8所示。采用體積等效法，注漿后掌子面滑移體內(nèi)圍巖黏聚力等于掌子面滑移體內(nèi)漿體黏聚力與漿體體積的乘積與注漿前圍巖黏聚力與掌子面滑移體圍巖體積的乘積之和除以掌子面滑移體體積。則增大系數(shù)

(13)

式中:cg為掌子面預注漿體黏聚力；ξ為掌子面預注漿填充率，參考《鐵路工程設計技術手冊(隧道)》表2-7選取;lg為掌子面預注漿范圍。

圖8 掌子面注漿加固示意圖

超前支護設計步驟為： 首先，擬定掌子面超前支護措施及設計參數(shù)；然后，采用式(2)得出掌子面計算穩(wěn)定系數(shù)K，并與掌子面設計穩(wěn)定系數(shù)或掌子面最小穩(wěn)定系數(shù)[K]相比。當K≥[K]時，可認為滿足掌子面穩(wěn)定要求；當K<[K]時，應加強掌子面超前支護措施。其中,[K]值參考GB 50068—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》取1.15。超前支護參數(shù)設計流程如圖9所示。

需要注意的是，盡管在理論上噴射混凝土可以作為掌子面超前支護措施設計內(nèi)容之一，但是通過掌子面噴射混凝土提供較強的支護力代價是巨大的。以鄭萬高鐵時速350 km的雙線隧道Ⅴ級圍巖Ⅴa型襯砌斷面為例，其開挖斷面積約為152.4 m2，掌子面噴射混凝土設計厚度為6 cm，假定每循環(huán)開挖進尺為2 m，若通過全斷面噴射混凝土提供支護力，則每延米增加的噴射混凝土數(shù)量約為4.6 m3，每延米造價增加超過3 500元。考慮到噴射混凝土對掌子面整體穩(wěn)定的貢獻程度較低，成本較高，投入產(chǎn)出比值過大，經(jīng)濟性較差，在實際設計過程中，一般僅將噴射混凝土作為掌子面局部掉塊或局部不穩(wěn)定時的封閉措施，可在開挖后初噴時順帶施作。上述其余掌子面超前支護措施中，根據(jù)其施工難易程度、支護貢獻率及經(jīng)濟性等因素，當掌子面暫時穩(wěn)定或不穩(wěn)定時，宜優(yōu)先采用超前管棚、掌子面錨桿或二者互相結(jié)合的支護措施，而掌子面預注漿則是在通過上述措施后掌子面仍難以穩(wěn)定時輔助采用。

4.2 洞身主動支護設計

4.2.1 含義及體系組成

先錨后注式系統(tǒng)錨桿+高性能噴射混凝土+高強度全環(huán)格柵/型鋼鋼架(必要時設置)等構件組成的高性能主動支護體系，一方面充分借助支護構件本身材料、構造等性能及其作用優(yōu)勢，另一方面配合大型施工裝備的高效率優(yōu)勢，在開挖前主動干預改善圍巖承載條件，或在開挖后的快速變形期間從圍巖內(nèi)部或外部主動提供支護力，充分發(fā)揮圍巖的自支護特性，并形成有效可靠的“圍巖-支護”承載體系，有效控制圍巖變形，滿足支護所需的各項功能需求。其根本目的是充分發(fā)揮圍巖在“圍巖-支護”承載體系中的主體作用，從而減小支護結(jié)構的承載負擔，使經(jīng)濟化設計成為可能。

4.2.1.1 先錨后注式系統(tǒng)錨桿

與噴射混凝土、鋼架不同的是，錨桿是唯一從圍巖內(nèi)部改善圍巖物理承載特性的一種支護構件，也是唯一不需要擴大隧道開挖面積即可提供支護力的構件。與傳統(tǒng)的組合中空錨桿或砂漿錨桿等系統(tǒng)錨桿不同，先錨后注式錨桿實質(zhì)為低預應力錨桿，其包括漲殼式預應力中空注漿錨桿(其結(jié)構如圖10所示)、樹脂錨桿、摩擦型錨桿等。其原理是分先行錨固+后期注漿2階段提供支護力，第1階段是根據(jù)不同錨桿類型在極短時間內(nèi)通過鋼制漲殼頭、樹脂卷或快硬水泥卷、高壓水漲等方式提供支護力，主要作用是強化錨桿早期支護力的及時性，“即時”支護圍巖；第2階段是通過注漿填充漿液硬化形成強度以提供支護力，此過程是圍巖變形逐漸緩慢與漿液強度逐漸提升的“此消彼長”過程，主要作用是強化后期支護力。另外，為盡快形成強度，應采用快硬早強注漿材料，強度等級不低于M20。

1—中空桿體； 2—連接套； 3—漲殼錨固件； 4—墊板； 5—螺母。

不同的先錨后注式錨桿應用范圍不盡相同，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖及部分Ⅴ級圍巖硬質(zhì)巖地段可采用漲殼式預應力中空注漿錨桿；而Ⅴ級圍巖軟質(zhì)巖地段圍巖對鋼制機械漲殼頭擠壓反力過小，致使其初始錨固效果不佳，因此機械漲殼式錨桿不適用于該地段[10]，而一般采用樹脂錨桿、摩擦型錨桿。同時，考慮到采用機械化大斷面法開挖后圍巖早期變形較快，且圍巖應力釋放在短期內(nèi)完成，先錨后注式系統(tǒng)錨桿應在初噴工序完成后進行，而不應在復噴后進行。

4.2.1.2 高性能噴射混凝土

噴射混凝土作為一種高自由度、高機動性的支護構件，其在輔助圍巖共同形成的“圍巖-支護”承載體系中主要起“承載作用”與“封閉作用”。圍巖自身條件越好，噴射混凝土的封閉作用越強，承載作用越不明顯；而圍巖自穩(wěn)性較差時，其同時表現(xiàn)強承載作用與強封閉作用。根據(jù)本文前述的機械化大斷面法開挖后未支護段內(nèi)圍巖呈現(xiàn)出快速變形的特征可知，圍巖一般在24 h內(nèi)即可釋放大部分應力，也伴隨大部分的收斂變形，因此，高性能噴射混凝土在洞身主動支護體系中的核心性能是其早齡期強度性能(如8、16、24 h齡期強度)，其早齡期強度越高，對圍巖初期變形發(fā)展控制越有利。

以鄭萬高鐵時速350 km的雙線隧道Ⅳ級圍巖復合式襯砌為例，采用的噴射混凝土強度等級為C25，假定在隧道開挖后的24 h圍巖應力釋放率[11]為70%，采用FLAC3D有限差分軟件計算分析支護結(jié)構變形及受力。計算分析結(jié)果表明，當C25噴射混凝土抗壓強度按照《隧規(guī)》最低要求取10 MPa時，噴射混凝土最小主應力已經(jīng)超過了10 MPa；同時，在圍巖應力釋放率為100%時，在部分工況下采用C25噴射混凝土圍巖變形也超標。

因此，為防止機械化大斷面法施工在早期快速變形階段引起噴射混凝土開裂甚至破壞，必須提高噴射混凝土早期強度。按照上述方法計算可知，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段采用機械化大斷面法開挖后對噴射混凝土的強度需求為： 應當采用C30強度等級以上的高性能噴射混凝土，且24 h齡期強度應至少達到15 MPa以上，相比目前《隧規(guī)》要求的12 MPa提高25%以上，更能使噴錨支護盡快與圍巖形成“圍巖-支護”承載體系，共同發(fā)揮承載能力。同時，考慮到噴射混凝土早齡期強度越高，其實現(xiàn)成本也越高，綜合考慮早齡期強度與經(jīng)濟性要求，認為8 h齡期強度宜為6～10 MPa。但在Ⅱ、Ⅲ級圍巖段噴射混凝土主要起封閉作用，而非承載作用，因此，可直接采用常規(guī)的C25噴射混凝土。

此外，需要注意的是，圍巖變形對噴射混凝土早期強度的需求與尺度效應也有關，即對噴射混凝土早期強度的要求應結(jié)合其開挖斷面積大小綜合考慮，不應片面提高。相同圍巖條件下，隧道斷面越大，變形控制對噴射混凝土早期強度要求越高，反之亦然。

4.2.1.3 高強度全環(huán)格柵/型鋼鋼架

在錨噴支護不足以輔助圍巖形成可靠的“圍巖-支護”承載體系時，鋼架則是加勁構件。常用的Q235鋼架屈服強度較低，在圍巖變形較大時易屈服，對圍巖變形控制不利。單純提高鋼架截面尺寸，造成開挖斷面積不得不擴大，以至噴射混凝土量增大，支護結(jié)構自重加大，而其對增大圍巖支護力有限，且不經(jīng)濟。因此，應綜合權衡其材質(zhì)強度、截面尺寸等因素，采用小尺寸的Q345以上的高強度格柵/型鋼鋼架，必要時采用高強度H型鋼，使初期支護薄壁化和輕量化。同時，為提升鋼架安裝臺車(架)的施工性能，將鋼架設計為3段式，并在單元間設置鉸接旋轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)鋼架折疊運輸、展開安裝，方便快捷，減少臺車安裝反復定位過程，減少單元數(shù)，并可以提升鋼架整體承載力。3段式可伸縮高強度鋼架如圖11所示。

(a) 旋轉(zhuǎn)接頭

4.2.2 設計方法

4.2.2.1 圍巖壓力類型確定

隧道開挖引起圍巖應力的二次調(diào)整，并導致圍巖由外向內(nèi)依次出現(xiàn)彈性、塑性硬化、塑性軟化及塑性流動4個區(qū)域，并與巖石應力-應變曲線中的彈性階段、塑性硬化階段、塑性軟化階段及塑性流動破壞階段一一對應，圍巖4類區(qū)域分布如圖12所示。巖石受荷應力-應變曲線如圖13所示。

圖12 圍巖4類區(qū)域分布圖

圖13 巖石受荷應力-應變曲線

根據(jù)支護力的大小不同時圍巖所處的不同狀態(tài)，將圍巖壓力分為形變壓力和松散壓力。1)當支護力及時或較大使得圍巖呈現(xiàn)彈塑性階段時，一般產(chǎn)生圍巖形變壓力，其指隧道開挖后圍巖發(fā)生變形但因支護的約束作用而處于彈塑性狀態(tài)，此時作用在支護上的力即為形變壓力，其量值與圍巖特性、支護類型及剛度、支護時機、斷面大小及埋深等因素有關。2)當支護力過小使得圍巖出現(xiàn)塑性流動階段時，可認為其作用于支護結(jié)構上的壓力是松散體重力形式的松散壓力，也即當前《隧規(guī)》中所采用的圍巖壓力類型，除此以外均可認為產(chǎn)生的是形變壓力。采用機械化大斷面法施工真正實現(xiàn)“快挖、快支、主動支、快封閉”的同時，配合掌子面超前主動支護體系與洞身高性能主動支護體系，強調(diào)超前干預，及時、主動與圍巖形成聯(lián)合承載體系，可將圍巖應力狀態(tài)控制在塑性軟化階段之內(nèi)，避免出現(xiàn)圍巖松動破壞。因此，根據(jù)鄭萬高鐵湖北段隧道現(xiàn)場圍巖松動區(qū)監(jiān)測結(jié)果可知，采用機械化大斷面法施工的隧道，圍巖作用于支護上的力按形變壓力考慮更為適宜。

4.2.2.2 形變壓力計算方法

為得到形變壓力計算公式，通過鄭萬高鐵湖北段大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)并結(jié)合資料調(diào)研，獲取2000—2018年修建的分布在華東、華中、華南、西南及華北地區(qū)的54座隧道共205個形變壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本，在剔除異常數(shù)據(jù)后最終選定179個形變壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本。將樣本數(shù)據(jù)按照面積等效原則分解為豎向壓力、水平壓力進行分析，并通過圍巖重度γ、圍巖級別s、隧道跨度b等多因素非線性回歸分析方法及理論方法推導了6種豎向形變壓力計算公式，最終選取其中相關系數(shù)最高的作為豎向形變壓力計算公式，如式(14)—(17)所示，其計算示意如圖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分別為豎向、水平形變壓力;h為等效形變壓力高度值;w為隧道跨度修正系數(shù);λ為側(cè)壓力系數(shù); e為自然常數(shù)2.72。

圖14 深埋隧道形變壓力計算圖示

側(cè)壓力系數(shù)λ統(tǒng)計值近似服從正態(tài)分布，根據(jù)其概率密度函數(shù)得到各級圍巖側(cè)壓力系數(shù)λ值，如表3所示。

表3 側(cè)壓力系數(shù)表

與《隧規(guī)》松散壓力計算公式中的側(cè)壓力系數(shù)相比，相同圍巖級別條件下，形變壓力側(cè)壓力系數(shù)值λ更大，原因在于兩者圍巖壓力類型不同。

需要注意的是，形變壓力計算公式也有適用條件，如下：

1)適用于一般地質(zhì)條件的深埋隧道，淺埋隧道按照《隧規(guī)》現(xiàn)有方法計算；

2)適用于Ⅲ—Ⅴ級圍巖隧道；

3)適用于跨度為8～16 m的隧道；

4)適用于采用機械化大斷面法作業(yè)并采用相應掌子面超前支護措施的隧道。

4.2.2.3 初期支護設計

形變壓力是圍巖與初期支護相互作用、協(xié)調(diào)變形所產(chǎn)生的壓力，其主要表現(xiàn)為與噴射混凝土的接觸壓力。根據(jù)本文前述結(jié)論，初期支護和圍巖共同承受施工期間的荷載，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段初期支護應按承載結(jié)構設計。具體參數(shù)設計時，根據(jù)不同圍巖級別采用工程類比等方法擬定參數(shù)后，通過“荷載-結(jié)構”法進行安全系數(shù)驗算，外荷載采用形變壓力計算公式確定，且將所有形變壓力荷載施加在結(jié)構之上。根據(jù)《隧規(guī)》要求，施工階段強度驗算時考慮采用“主要荷載+附加荷載”模式，并考慮采用折減系數(shù)0.9確定初期支護安全系數(shù)驗算控制值，驗算結(jié)果如表4所示。

表4 初期支護的安全系數(shù)控制值

Ⅱ、Ⅲ級圍巖自穩(wěn)能力較好，初期支護主要起封閉作用，其結(jié)構尺寸較小，可按構造設計，具體參數(shù)可直接根據(jù)工程類比法確定。

4.2.2.4 二次襯砌設計

考慮圍巖劣化及初期支護錨桿、鋼架銹蝕逐漸失效和噴射混凝土強度損失所致系統(tǒng)荷載增量由二次襯砌承擔，采用數(shù)值方法計算得到因支護失效導致的襯砌荷載增大系數(shù)的具體范圍，結(jié)果如表5所示。據(jù)此，建議采用機械化大斷面法施工的深埋隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段作用在二次襯砌上的圍巖壓力分別按40%～60%、55%～70%的形變壓力計算，圍巖條件越差其值越大，并按此荷載通過“荷載-結(jié)構”法進行二次襯砌內(nèi)力計算、截面強度及配筋計算。

表5 考慮長期效應的二次襯砌荷載增大系數(shù)及建議儲備系數(shù)

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

本文分析了隧道機械化施工的實質(zhì)內(nèi)涵，闡述了山嶺隧道機械化施工亟待解決的問題，總結(jié)了隧道機械化大斷面法設計理念、施工工法設計、隧道主動支護體系組成及具體設計方法等。主要結(jié)論如下：

1)山嶺隧道由傳統(tǒng)人工臺階法施工轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮蜋C械化施工，不僅是施工裝備的改變，而是一種由隧道修建工具和手段的改變所引起的隧道基礎理論、設計理念、設計方法及施工工法的系統(tǒng)性變化。

2)采用機械化大斷面法開挖后圍巖在短期內(nèi)變形迅速，支護結(jié)構及時提供支護力對圍巖變形控制至關重要。現(xiàn)行被動支護設計理念及措施、圍巖壓力“分擔比”、圍巖松散壓力計算方法與機械化大斷面法施工不相適應。

3)適應于大型機械化作業(yè)施工的方法不再是分割斷面分部開挖，而是積極干預補強圍巖的大斷面化零為整的開挖方法，包括全斷面法與微臺階法，其內(nèi)涵是一次開挖、一次支護成型。

4)掌子面整體穩(wěn)定是機械化大斷面法成功實施的前提，掌子面噴射混凝土、掌子面超前管棚、掌子面錨桿、掌子面預注漿等掌子面超前主動支護體系是確保掌子面整體穩(wěn)定的重要手段，參數(shù)設計應采用定量化計算方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)工程類比方法。

5)高性能主動支護體系是適應于機械化安全快速施工的最佳支護體系，“主動”的內(nèi)涵是基于大型施工裝備的高效率優(yōu)勢，依靠支護結(jié)構材料與構造性能，及時、主動輔助圍巖快速形成“圍巖-支護”承載體系，充分發(fā)揮圍巖自支護特性的支護手段，其核心是以先錨后注式系統(tǒng)錨桿、高性能噴射混凝土為主，必要時設置高強度格柵/型鋼鋼架的初期支護結(jié)構。

6)采用機械化大斷面法施工并配合采用主動支護體系的隧道，圍巖作用于支護結(jié)構上的壓力按形變壓力確定更為適宜，支護結(jié)構既可靠，又經(jīng)濟。

5.2 建議

1)本文的主動支護體系及計算方法忽略了超前支護措施對洞身開挖后未支護段穩(wěn)定性的積極貢獻作用，也忽略了洞身支護措施對掌子面超前核心巖土體穩(wěn)定性的提升作用，將兩者獨立進行參數(shù)設計，偏于保守。因此，如何將掌子面超前支護措施與洞身開挖后未支護段的支護措施進行聯(lián)合協(xié)同設計，有待進一步研究。

2)在處理軟弱圍巖大變形不良地質(zhì)問題時，預應力錨索具有至關重要的作用，而本文的主動支護體系中未包括預應力錨索這一主動支護手段。因機械化大斷面法是一種替代傳統(tǒng)施工方法的普遍性方法，而非處理不良地質(zhì)問題的針對性方法，故是否考慮以預應力錨索為代表的其余主動支護手段，有待進一步深入研究。