机械化施工大断面高铁隧道围岩压力测试及分布特征研究

于 丽， 王志龙， 杨 涅

(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

随着我国经济的快速发展，交通基础设施建设方兴未艾。隧道工程数量在不断增加，隧道长度占线路总长的比例也在不断攀升，长大隧道工程不断涌现，进一步加大了隧道的设计难度，其中最主要的是围岩压力的设计，这也是隧道界研究的热门课题。国内外学者提出很多围岩压力的计算方法，如关宝树[1]、Bhawani等[2]、Jiang等[3]提出隧道围岩压力的理论计算公式、经验公式和太沙基理论，但由于隧道工程的特点以及复杂的地质条件，这些理论公式并没有得到很好的推广。现行的《铁路隧道设计规范》[4]和《公路隧道设计规范》[5]，由于缺乏系统理论的指导，按照经验公式进行隧道工程支护设计过于保守，造成经济成本的增加，并且在某些特殊条件下，如高地应力、挤压性围岩条件下，因围岩压力考虑不充分，支护结构设计参数偏小，造成安全事故。对此，国内较多学者针对不同地质条件隧道进行了现场围岩压力测试，如偏压滑坡隧道[6]、软弱围岩隧道[7]和黄土隧道[8]等，并与设计围岩压力进行对比分析。王英学等[6]通过对现场围岩压力的测试，证明了通过埋设元件了解围岩的地质状况，并进行隧道支护措施设计的合理性；李鹏飞等[9]和伍冬[10]将国内典型隧道现场围岩压力测试数据进行系统性的分析，得到目前理论上围岩压力的计算方法存在较大的安全储备，进一步证明了现场围岩压力的测试对隧道支护结构设计的重要性。

目前，围岩压力现场测试及分析多针对分部开挖法[11-24]，而关于大断面隧道全断面开挖法的围岩压力研究较少。全断面开挖方法的优点有： 1)工序少，相互干扰相对减少，便于施工组织管理； 2)全断面开挖有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度； 3)全断面一次成型，对围岩的扰动次数减少，利于隧道的围岩稳定。分析大断面开挖方法下隧道围岩压力的分布规律，对大断面开挖法的推广具有重要的意义，并且可为分析隧道围岩压力作用机制和完善支护结构设计方法提供参考。因此，有必要开展对大断面隧道全断面开挖法下围岩压力分布规律和分布特征的研究。

本文依托郑万高速铁路湖北段大断面机械化隧道群，针对其隧道开挖断面面积大(约为150 m2)、软弱围岩占比高(Ⅳ级和Ⅴ级围岩总占比约为67%)、采用大断面法施工(全断面法和微台阶法)的特点，进行现场围岩压力监测，并与TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》要求的荷载进行对比，研究围岩压力的变化规律和分布特征。

1 工程概况

郑万高铁湖北段隧道开挖断面面积约为150 m2，属双线大断面隧道，全线隧道采用大断面施工方法。全长约287 km，新建车站6座，隧道32.5座(香树湾隧道跨重庆和湖北2省，计为0.5座)，设计速度为350 km/h，隧道总延长约167.7 km，全线10 km以上隧道7座，隧线比约为58.4%。

郑万高铁湖北段隧道围岩主要为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，其中Ⅳ级和Ⅴ级软弱破碎围岩总占比约为67%，如图1所示。

图1 围岩级别比例

郑万高铁湖北段隧道采用大型机械化施工工法，主要配套机械为三臂凿岩台车、自行式多功能作业台车、防水板作业台架、钢筋绑扎作业台车、衬砌模板台车、移动式混凝土养生台架，部分机械如图2和图3所示。

图2 钢筋绑扎作业台车

图3 衬砌模板台车

郑万高铁湖北段隧道工程主要采用2种大断面工法施工，即全断面法和微台阶法。全断面法即含仰拱一次全环开挖，完成后初期支护立即闭合成环，见图4。微台阶法分上下台阶2次开挖、2次支护，其中根据下台阶高度不同，可分为2种情况，即下台阶高度为仰拱高度称为微台阶Ⅰ法，见图5(a); 下台阶高度3～4 m称为微台阶Ⅱ法，见图5(b)。

图4 全断面法施工示意图

2 围岩压力现场测试

2.1 测试断面概况

从郑万高铁在建隧道中选取保康隧道、向家湾隧道、荣家湾隧道、高家坪隧道和新华隧道共计5座隧道进行隧道洞身段围岩接触压力的监测，并选取其中20个具有代表性的监测断面围岩压力进行统计分析，各监测断面信息如表1所示。

(a) 微台阶Ⅰ法

(b) 微台阶Ⅱ法

表1 各监测断面信息

2.2 测试元件

现场采用土压力盒对围岩压力进行测试，采用YT-200A型振弦式高精度双膜压力盒，测试范围为0～2 MPa，计算公式为

p=K×(fi2-f02)/1 000。

(1)

式中：K为标定系数，kPa/Hz2；p为压力，kPa；fi为本次读数，Hz；f0为初始读数，Hz。

土压力盒及其现场安装如图6和图7所示。

2.3 测点布置

各监测断面布置5个测点，拱顶为1个监测点，由拱顶向左右拱墙分别每6 m布置1个测点，具体布置如图8所示。

图6 土压力盒

图7 土压力盒现场安装

图8 测点布置示意图(单位： m)

3 围岩压力分析

3.1 围岩压力分析思路

将选取的监测断面按照围岩级别、埋深条件分为不同的工况，研究在大断面机械化施工条件下围岩压力的分布规律和分布特征； 通过对同种工况下围岩压力值的包络，得到围岩压力的分布规律，进而与规范荷载进行比较，分析其分布特征。主要研究思路如图9所示。

图9 围岩压力研究思路流程图

3.2 围岩压力测试数据统计

将现场实测围岩压力数据按照不同围岩级别、埋深和开挖方法进行统计和分析，分别为Ⅳ深埋微台阶Ⅰ法、Ⅳ深埋全断面法、Ⅴ深埋微台阶Ⅰ法和Ⅴ深埋微台阶Ⅱ法，共计4种工况，选取典型断面围岩压力时程曲线进行围岩压力变化规律分析，如图10所示。

图10 围岩接触压力时程曲线

Fig. 10 Time-history curves of contact pressures of surrounding rock

将各监测断面信息、围岩压力最大值及稳定时间汇总，如表2所示。

根据图10和表2可知：

1)围岩压力变化大致分为快速增长、缓慢增长和稳定3个阶段。当围岩接触压力增长率不超过1%时，即可认为围岩压力值达到稳定。根据表2对各监测断面围岩压力稳定时间的统计，得到最终围岩压力从21～27 d开始稳定，Ⅳ级围岩压力稳定时间较Ⅴ级围岩接触压力稳定时间早。

2)围岩压力沿隧道开挖轮廓分布较为离散，同一断面对称各测点围岩接触压力有较大差距；不同断面围岩接触压力最大值出现在不同位置。

3)同一围岩级别条件下，隧道采用不同的施工工法对围岩压力最大值及稳定时间没有较明显的影响。

3.3 围岩压力分布形式分析

3.3.1 分析方法

为了解大断面机械化施工隧道围岩压力分布特征，将Ⅳ级和Ⅴ级深埋条件下围岩压力值进行包络，并与现行TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》中深埋隧道荷载计算围岩压力值进行对比分析，进而得到现场实测围岩压力分布特征。

1)规范荷载值采用现行《铁路隧道设计规范》中深埋隧道荷载计算方法进行计算。

2)将现场实测断面围岩压力值按照不同的围岩级别进行整理和分析，并做出各围岩级别条件下实测围岩压力包络图。其中，在Ⅳ级围岩条件下有部分监测断面岩性为志留系下统罗惹坪组页岩夹砂岩，岩层产状主要为N45°～75°E /25°～50°S，与线路夹角18°～40°，倾向线路左侧，隧道洞身右侧顺层偏压。本文将此条件下的监测断面围岩压力值进行单独整理并分析其分布形式。各条件下围岩压力包络图如图11所示。

表2 各工况下监测数据汇总

(a) Ⅳ级深埋

(b) Ⅳ级深埋(偏压)

(c) Ⅴ级深埋

Fig. 11 Envelope diagrams of maximum measured pressures of surrounding rock (unit: kPa)

3)根据面积等效的方法，将Ⅳ级和Ⅴ级实测围岩压力包络值按照《铁路隧道设计规范》荷载分布形式转化为等效荷载。

围岩压力均布等效计算方法：

①根据各监测点实测数据，将所测的径向围岩压力分解为水平力和竖向力，将各测点水平及竖向围岩压力值按照线性等差分布形式连起来，如图12所示。

图12 分解径向围岩接触压力值

Fig. 12 Decomposition of radial contact pressures of surrounding

rock

根据式(2)—(8)计算竖向和水平向围岩压力。

(2)

(3)

(4)

Fvn=Fsin[(θ/180)π]；

(5)

Fun=Fcos[(θ/180)π]；

(6)

(7)

(8)

式(2)—(8)中：Fv为竖向压力，kPa；Fu为左侧水平压力，kPa；Fu′为右侧水平压力，kPa；θ为围岩压力径向与水平向夹角，(°)；F为围岩径向力，kPa；n为测点编号；l为隧道洞室最大跨度，m。

②根据式(9)—(12)，将水平力和竖向力按照面积等效原则转化为均布分布模式。

(9)

(10)

(11)

(12)

式(9)—(12)中：q为等效竖向均布围岩压力，kPa/m2；H为隧道洞室高度，m；e、e′分别为等效左右水平向围岩压力，kPa/m2；eave为等效水平向围岩压力均值，kPa/m2。

对于一般地段，水平围岩均布压力可采用式(12)进行计算；对于存在明显偏压地段，分别采用式(10)和式(11)进行计算。最终得到如图13所示的围岩等效均布分布模式。

图13 围岩接触压力均布模式

Fig. 13 Uniform distribution mode of surrounding rock contact pressure

3.3.2 结果分析

根据以上围岩压力转化方法，将现场实测围岩压力数据以及隧道轮廓参数(如表3和图14所示)，带入相关方程进行计算，最终将实测围岩压力转化为均布分布模式，转化结果如图15所示。

表3 计算参数

图14 测点编号

(a) Ⅳ级深埋

(b) Ⅳ级深埋(偏压)

(c) Ⅴ级深埋

将图15中实测围岩压力等效荷载与规范荷载同围岩级别条件下计算得到的等效荷载进行对比分析，结果如表4和表5所示。

表4 Ⅳ级和Ⅴ级围岩实测荷载与规范荷载对比

表5 Ⅳ级围岩(偏压)实测荷载与规范荷载对比

由表4和表5可知：

1)Ⅳ级围岩深埋条件下，实测荷载小于规范荷载，实测竖向荷载约为规范竖向荷载的0.26倍，实测水平荷载约为规范水平荷载的0.32～0.63倍；实测荷载侧压力系数均大于规范荷载侧压力系数,约为规范荷载侧压力系数的1.2～2.4倍。造成实测侧压力系数比规范侧压力系数大的原因可能与各隧道采用的大断面开挖方法有关，施工过程中采用的三臂凿岩台车等大型机械对实测围岩侧压力系数也有一定影响。

2)Ⅴ级围岩深埋条件下，实测荷载小于规范荷载，实测竖向荷载约为规范竖向荷载的0.33倍，实测水平荷载约为规范水平荷载的0.28～0.47倍；实测荷载侧压力系数在规范规定的侧压力系数范围内,约为规范规定侧压力系数的0.86～1.43倍。

3)Ⅳ级围岩深埋(偏压)条件下，左侧侧压力系数较大，超出规范规定的范围，右侧侧压力系数在规范规定的范围内。

4 结论与讨论

本文通过对郑万高铁大型机械化隧道围岩压力的监控量测，考虑隧道开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化施工等特点，对隧道围岩压力的分布规律进行研究，并得到以下结论。

1)当围岩接触压力增长率不超过1%时，即可认为围岩接触压力值达到稳定。根据对大量监测断面数据的统计，得到大断面机械化施工隧道围岩接触压力监测数据从21～27 d开始稳定；围岩压力分布较离散，最大值可能出现在隧道轮廓的任何一个位置。

2)Ⅳ级深埋条件下，实测荷载侧压力系数约为规范荷载侧压力系数的1.2～2.4倍；Ⅴ级深埋条件下，实测荷载侧压力系数约为规范规定侧压力系数的0.86～1.43倍；

3)采用规范围岩压力分布模式得到的实测均布荷载与规范荷载相比较小，支护结构安全储备较大，但由于围岩条件的复杂性，参数优化时应综合考虑各支护结构的安全性。

4)本文只分析了回填注浆前围岩压力的分布规律及分布特征，并没有对回填注浆后围岩压力的分布规律及特征进行研究，今后将继续对现场监测断面数据进行研究，以进一步分析回填注浆后围岩压力的分布规律及特征。