1、ISSN 1672-2841CN 44-1587/Z广东水利电力职业技术学院学报 2023 年 第 21 卷 第 2 期Journal of Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，2023，Vol.21，No.2收稿日期：2022-07-01作者简介：冉光银，男，工程师，研究方向为隧道工程。40-44超前支护下苏家岩隧道掌子面稳定性分析冉光银（中铁十八局集团有限公司，陕西 商洛 710500）摘 要：考虑到超前支护作用下初期支护未支护段的影响，以苏家岩隧道为对象，通过建立掌子面稳定分析模型，推导隧道安
2、全系数目标函数，并进行优化求解；与模型试验结果进行对比分析，探究不同因素影响隧道安全系数的具体情况。结论如下：改变围岩黏聚力和内摩擦角、初期支护未支护段长度以及洞径尺度有利于提升隧道稳定性；掌子面锚杆加固强度与隧道安全系数呈线性关系，围岩内摩擦角较大时，掌子面锚杆加固强度对隧道稳定性作用较大，反之则较小；可通过布置掌子面锚杆密度来增强隧道稳定性，并将围岩力学参数代入稳定临界参数曲线，从而选定超前支护计算参数，确定施作方法。结果可为实际工况中超前加固后的隧道稳定性情况、超前支护参数和施工方法提供参考。关键词：超前支护；掌子面；安全系数；稳定性分析中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1
3、672-2841（2023）02-0040-05 随着我国铁路建设步伐加快，对铁路建设及其施工方法的要求越来越高。我国地形复杂，铁路建设常遇山地，因此隧道施工是铁路建设的重中之重，而掌子面稳定性掌控及支护等问题一直是隧道施工难点，所以隧道施工机械化成为主要发展方向。围岩地层施工时，采用高强度管棚、掌子面锚杆等材料进行超前支护会使施工成本过高，反之则稳定性欠缺，因此研究超前支护加固后隧道的稳定性具有重要意义。吕爱钟等1提出极限平衡理论分析法，从而定义稳定安全系数。李术才等2在隧道掌子面摄像图形基础上，建立隧道掌子面岩体结构表征体系。易文豪等3为判识铁路大断面岩质隧道施工特征，提出非均一性判别法。
4、魏芸等4基于三维土工结构稳定分析，采用强度折减法计算结构整体安全系数。王洪新5研究不同形状下基坑抗隆起稳定安全系数变化规律，从而解决各种形状基坑稳定性分析难题。师晓权等6基于室内模拟试验，研究掌子面锚杆预加固技术并进行对比分析，明确该技术的作用特点。邓友生等7通过泰勒分析法，运用瑞典圆弧条分法计算土体的稳定安全系数，并利用数值模拟进行结果对比。阿比尔的等8基于有限元数值极限分析法量化隧道围岩，反映围岩和支护共同作用下的变化特征。目前，学者在掌子面稳定性分析及安全系数方面的研究颇多，但对超前支护加固后隧道稳定性和施加掌子面推力的研究相对不足。且面对软弱围岩，超前支护需配合使用。本研究基于掌子面稳
5、定分析模型，推导隧道安全系数目标函数，并利用 Matlab 对安全系数非线性函数进行优化求解，与模型试验结果进行对比分析，探究黏聚力、内摩擦角、初期施工支护长度、洞径、锚杆加固、拱部超前支护等因素对隧道安全系数的影响情况。在实际工况中，可为超前加固后的隧道稳定性、超前支护参数和施工方法提供参考。1 工程概况1 工程概况苏家岩隧道位于湖北省襄阳市保康县黄堡镇境内，该区域山脉众多、地层不一，洞身周围以灰岩层、围岩层为主。隧道中心里程 DK480+760，全长 5 360 m。隧道设计纵坡为 25、19.7的单面上坡，其余地段均为直线，隧道分为进口和出口两个工区。隧道洞身超前管棚采用 2 榀钢架打孔
6、进行定41冉光银：超前支护下苏家岩隧道掌子面稳定性分析位。试验段根据周边环境，采取喷 C25 混凝土或增加纤维锚杆等措施。其中喷射混凝土措施主要针对掌子面，采用局部或全断面喷射。由于隧道存在软弱围岩地段，而在其中喷射混凝土在支护初期较为重要，可有效控制围岩变形，是保持其稳定的关键。2 模型建立与对比分析2 模型建立与对比分析2.1 模型建立考虑到支护初期未支护段发生坍塌破坏，由此建立掌子面稳定分析模型，模型假设力学指标符合相关法则；以数螺旋线和截锥体作为滑动面和滑动破坏面，其中螺旋体沿滑面向下移动，截锥块体速度方向向下，破裂面夹角为 2/-。由此分析超前支护下隧道稳定性和安全系数的相关因素。模
7、型见图 1。图中 C、D 分别为隧道埋深和高度，H 为锥体高度，L 为施工初期支护长度。隧道埋深比锥体高度大时，截锥体变为锥体；隧道埋深小于或等于锥体高度时，超前支护上方则会形成截锥体破坏。而数螺旋线为：r=r0e(0)tan r （1）式中：r 和 分别为变量极径和角度；r0和 0分别为起始极径和角度；为内摩擦角。2.2 安全系数土体 c、tan 与维持隧道稳定最小黏聚力 cm和内摩擦角 m的比值为隧道安全系数 Fs，式为：Fs=ccm=tan tanm （2）对岩土而言，由于岩土 c 和 的变化范围较大，因此通过 Isakov 等9的强度折减最短路径定义安全系数，且将折减后土体强度参数代入
8、方程，并优化 0、h、r0，降低破坏机率的可能性。基于Matlab 软件求解，优化安全系数非线性函数，式为：Fs=min(Fs,Fs,Fs,0,r0,c,L,l,C,D,)cLCD（3）式中：c、L、C、D、均为已知参数。l 和 分别为潜在滑动面长度和土体重度。2.3 模型对比分析表 1 为围岩隧道大比例试验6与原型的基本力学参数，表 2 为掌子面锚杆和小导管布置方式。代入参数计算，将大比例试验结果与计算所得结果进行对比分析（见表 3）。可知，未加掌子面锚杆或小导管时，隧道的安全系数低于 1，隧道不稳定。而加入后安全系数结果一致，自重条件下隧道较稳定，加载条件下则隧道不稳。模型试验隧道坍塌破坏
9、情况与本研究安全系数结果基本吻合，说明模型具有合理性。在计算参数基础上对土体参数、超前支护参数等进行改变，研究其对隧道稳定性的影响。计算参数见表 4。超前支护采用 7.6 cm0.5 cm 管棚注浆，环向间距为 40 cm，范围为 150。其中玻璃纤维锚杆设置在掌子面上，锚杆抗拉强度在 60 kPa 内。图 1 掌子面稳定分析模型表 2 布置方式预支护掌子面锚杆小导管加固范围全断面拱部 180布置间距55 cm2环向 5 cm构件长度/cm7525外插角/14表 3 结果对比工况1234掌子面锚杆无有有无小导管无无有有本文结果自重0.951.121.201.04加载12.66KN/0.820.
10、920.65大比例模型试验结果自重未支护段和掌子面坍塌未破坏未破坏未破坏加载12.66KN/未支护段破坏未支护段破坏掌子面破坏表 1 模型与原型物理参数材料类型模型原型黏聚力 c/MPa0.0070.050.20内摩擦角/25.12027.1弹性模量 E/GPa0.0612重度/kN/m318.11720.3表 4 计算参数隧道埋深 C/m15隧道高度 D/m12初期支护未支护段长度 L/m1土体黏聚力/kPa10内摩擦角/25重度/kN/m3192023，21（2）42广东水利电力职业技术学院学报Fs为 1.073；之后安全系数随洞径增大而小于 1，隧道会发生失稳破坏。综上所述，为降低隧道开
11、挖高度，可通过分阶开挖等方法提高安全性。3.4 锚杆加固情况分析图 5 为掌子面锚杆加固强度 kt 对隧道稳定性影响。可知，随着 kt 提升安全系数 Fs呈线性增加，且 kt 与安全系数 Fs未出现峰值。所以掌子面锚杆强度对隧道稳定性具有重要作用。隧道施工时，掌子面锚杆强度升至 50 kPa 后，安全系数才能达到 1，可通过布置掌子面锚杆密度增强稳定性。3.5 拱部超前支护情况分析对拱部超前支护情况进行分析，对比有无掌子面锚杆及尺寸对安全系数影响。拱部计算参数见表 5，对应稳定安全系数见表 6。由表 6 可知，当拱部无超前支护（无掌子面锚杆）或拱部超前支护施作为 4.2 cm0.35 cm 小
12、导管时，隧道处于失稳状态；而采用管棚支护后，隧道达到稳定状态，安全系数分别达到1.11和1.29。综上所述，在隧道设计施工中，掌子面锚杆应选用适合的超前支护参数。3.6 应用情况苏家岩隧道为双线铁路隧道，所处区域水分来源于降雨，地下水主要为裂隙水和管道水。围岩层孔隙中存在裂隙水，而管道水主要存在于可溶岩地层中。途经软弱围岩地段。采用两台阶法和钢架支护，当开挖进尺为 1 m 时，隧道断面尺度为 12.5 m，上台阶 6 m，钢架支护间距约 55 cm，开挖进尺低于 2 榀。将超前支护下隧道掌子面稳定性分析应用于该隧道，并对不同掌子面锚杆加固强度下隧道稳定性进行分析。由于该工程初期支护未支护段长度
13、固定在 3 m 左右，因此分析黏聚力 c、内摩擦角、洞径情况 D、锚杆加固强度 kt、拱部超前支护3 影响因素分析3 影响因素分析3.1 黏聚力和内摩擦角情况分析在无超前支护情况下，分析抗剪强度指标对隧道掌子面稳定性影响（见图 2）。可知，安全系数 Fs与 c、均呈线性关系，且安全系数随黏聚力和内摩擦角增大而增大。当内摩擦角在 10以内时，隧道安全系数均小于 1，表明隧道不稳定，当 从 10提至 60时，隧道安全系数得到稳步提升，甚至超过 2。而增加黏聚力也可增加隧道安全系数，其中黏聚力在 1020 kPa 时，安全系数总体在 1 以下，只有当内摩擦角达到 50安全系数才超过 1；当黏聚力在
14、3040 kPa 时，安全系数总体在 1 以上，只有当内摩擦角在 25以内，安全系数才低于 1。综上所述，提升围岩黏聚力和内摩擦角能提高隧道稳定性，两者分别在 30 kPa 和 20以上更有利于提升稳定性。3.2 初期施工支护长度分析图 3 为初期施工支护长度对隧道稳定性影响。可知，安全系数 Fs随未施作初期支护段长度增加而减小。当未施作初期支护段长度为 0 m时，Fs=1.28，且随其长度增加，Fs减小范围为8.4%32%。基本算例围岩情况下初期支护未支护段长度在 3 m 左右。综上所述，减小初期支护未支护段长度，有利于增强隧道稳定性，尤其当围岩条件较差时可有效保证安全施工。3.3 洞径情况
15、分析图4为洞径尺度对隧道稳定性影响。由图可知，安全系数 Fs随洞径增大而减小，洞径较小时，安全系数受其影响较大；洞径较大时，安全系数受其影响较小。其中洞径为2 m时，安全系数Fs为2.3；洞径增至 8 m，安全系数 Fs为 1.307，隧道通过两台阶法可安全施工。当洞径达 12 m 时，安全系数图 3 安全系数与未支护段长度关系曲线图 2 安全系数与强度指标关系曲线图 4 洞径影响关系曲线43冉光银：超前支护下苏家岩隧道掌子面稳定性分析情况等因素对实际工况的影响，并与模型结果进行对比分析，隧道稳定临界参数见图 6。可知，围岩内摩擦角大于 20，掌子面锚杆强度对隧道稳定性作用较大，反之作用较小。
16、采用分台阶开挖降低开挖高度，使隧道增加稳定性。该工程实践结果与模型模拟结果相一致，都能增加实际工程安全系数，进一步验证了模型结果与实际应用的一致性。在隧道施工中，将围岩基本参数代入隧道稳定临界参数曲线，从而初步选定超前支护计算参数，并在此基础上确定施作方法，再进行安全系数计算，最终确定支护参数和施作方法。表 6 安全系数对比工况1234超前支护/4.2 cm0.35 cm小导管7.6 cm0.5 cm管棚10.8 cm0.6cm管棚环向间距/cm/304040安全系数0.820.981.111.294 结语4 结语本研究考虑到超前支护作用下初期支护未支护段的影响，通过建立掌子面稳定分析模型，并利用 Matlab 对安全系数非线性函数优化求解进而对比，探究黏聚力、内摩擦角、初期施工支护长度、洞径、锚杆加固、拱部超前支护情况等因素影响，根据结果给出隧道稳定临界参数曲线并提出建议。结论如下：（1）围岩因地质条件改变导致黏聚力和内摩擦角增加，减小初期支护未支护段长度和洞径尺度能提高隧道稳定性。其中黏聚力和内摩擦角分别在 30 kPa 和 20以上，有利于提升隧道稳定性。当围岩条件较差时，可通过
