梁鹏等：隧道初支合理支护时机确定方法及其工程应用 ,271· (a) 1.0 (b) 1.0 o P 0.8 0.8 0.6 0.6 Mean value Fitted curve Fitted curve R)7 x/R P=C1+exA +1-C P=C1+expA刀 +1-C 4=-1.047 0 4=-0.8008 B=-1.748.2=0.9931 B=-1.685,R2=0.9939 C-1.012 C=1.003 30-20-1001020304050 6070 -30-20-10010203040506070 Distance to tunnel working face/m Distance to tunnel working face/m 图5两种T况的LDP曲线.(a)工况L上：(b)工况Ⅱ Fig.5 Longitudinal deformation profile (LDP)curves of two cases:(a)case I;(b)case II 释为：当支护时机为负值时，表明隧道需要采用地 表1不同工况的围岩参数 层加固措施进行超前支护，以期实现隧道围岩质 Table 1 Rock mass parameters for various cases 量的改良、提升围岩自稳能力，为隧道掘进创造安 Cases cMMPa dMPa )0 全条件；当支护时机为正值时，表明隧道开挖时不 I 1.505 40.851.018 31.202.5248 需要采取超前加固措施，如工况I的支护时机为 GSIP=55 1.388 38.43 0.921 28.88 2.6414 3.31m,即隧道开挖后初衬施作的起始位置与掌子 1.243 34.98 0.798 25.73 2.7444 面间距离不能超出3.31m.值得注意的是，本文研 1.26136.94 0.958 30.07 9.1190 究主题为隧道开挖后的支护时机问题，因此不再 GSIP=45 1.151 34.53 0.866 27.79 9.7502 对支护时机为负值的情况展开详述，即未对隧道 Ⅲ 1.012 31.180.748 24.6910.3380 超前加固进行量化分析 I 1.063 33.01 0.906 29.0840.3000 GSP=35Ⅱ 0.965 30.66 0.818 26.83 42.3500 4隧道初衬支护时机影响因素探讨 田 0.83927.440.70623.7843.8960 Note:I,II,and III correspond to the cases of m=20,m;=15,and mi= 上文根据数值模拟技术建立了隧道初衬支护 10,respectively. 时机优化设计方法，隧道工程建设中，影响支护时 和ncm均随GSIP减小呈现下降的趋势.随GSIP由 机的因素众多.本文根据H-B准则获取围岩参 75减小到25，分别降低了39.13%(m,=20)、41.57% 数，以下将考虑分析地质强度指标GSI和H-B准 (m:=15)、45.88%(m,=10),而1em分别降低了73.15% 则参数（岩石材料常数m、单轴抗压强度o。和工 (m,=20)、78.75%(m,=15)、80.98%(m,=10):可知m 程扰动参数D)对支护时机的影响 越小，GSP对1和1的作用效果越明显.从图6还 4.1GSI和m:的影响 可看出，当GSI相同时，随m;减小，r和nei呈降 研究表明2，当GSI大于75或小于25时，岩 低趋势.如当GSP=45时，随m由20减小到10， 体产生理想弹塑性或弹-脆-塑性破坏；较大的 eit和1ci分别降低了15.71%和53.20%.因此，围 GSI表示质量较好的岩体；而GSI较小时，岩体质 岩质量较差、岩体参数m:较小时，建议及早采取 量较差.本节将GSIP分别取值75、65、55、45、35和 支护加固措施，限制围岩应力和位移的释放 25,对应六种不同质量的岩体：同时给出每种质量 图7为各工况的支护时机演化规律.不难发 岩体下的m:分别为20、15和10，共计18种工况. 现，支护时机在数值上呈现出随GSP减小而减小 其他基本参数为：岩石单轴抗压强度oe=48.2MPa, 的趋势，且从正值逐渐演变为负值.以m:=20为 岩块弹性模量Em=29.6GPa,泊松比v=0.27,扰动 例，当GSIP分别为75、65、55和45，支护时机为正 参数D=0.5,隧道埋深H=400m.得到18种工况 值.表明隧道开挖无须超前加固措施，只需在开挖 的围岩参数，限于篇幅，本文只列出其中9种，如 后施作“工作面后方支护”即可维持隧道稳定；且 表1所示 GSIP越小，支护施作时机应当越早，如GSIP=75的 通过数值计算，以GSIP和m为为变量，得到 支护时机较GSP=45时多出5.57m.相比之下， 不同工况的临界应力释放率和临界位移释放 当GSP分别为35和25，支护时机均为负值，说明 系数1cit如图6所示.不难发现，m;相同时，eit 隧道开挖前需对围岩施作超前支护，即采用“工作释为：当支护时机为负值时，表明隧道需要采用地 层加固措施进行超前支护，以期实现隧道围岩质 量的改良、提升围岩自稳能力，为隧道掘进创造安 全条件；当支护时机为正值时，表明隧道开挖时不 需要采取超前加固措施，如工况 I 的支护时机为 3.31 m，即隧道开挖后初衬施作的起始位置与掌子 面间距离不能超出 3.31 m. 值得注意的是，本文研 究主题为隧道开挖后的支护时机问题，因此不再 对支护时机为负值的情况展开详述，即未对隧道 超前加固进行量化分析. 4    隧道初衬支护时机影响因素探讨 上文根据数值模拟技术建立了隧道初衬支护 时机优化设计方法，隧道工程建设中，影响支护时 机的因素众多. 本文根据 H−B 准则获取围岩参 数，以下将考虑分析地质强度指标 GSI 和 H−B 准 则参数（岩石材料常数 mi、单轴抗压强度 σci 和工 程扰动参数 D）对支护时机的影响. 4.1    GSI 和 mi 的影响 研究表明[28] ，当 GSI 大于 75 或小于 25 时，岩 体产生理想弹塑性或弹−脆−塑性破坏 ；较大的 GSI 表示质量较好的岩体；而 GSI 较小时，岩体质 量较差. 本节将 GSIp 分别取值 75、65、55、45、35 和 25，对应六种不同质量的岩体；同时给出每种质量 岩体下的 mi 分别为 20、15 和 10，共计 18 种工况. 其他基本参数为：岩石单轴抗压强度 σci = 48.2 MPa， 岩块弹性模量 Em = 29.6 GPa，泊松比 v = 0.27，扰动 参数 D = 0.5，隧道埋深 H = 400 m. 得到 18 种工况 的围岩参数，限于篇幅，本文只列出其中 9 种，如 表 1 所示. 通过数值计算，以 GSIp 和 mi 为为变量，得到 不同工况的临界应力释放率 λcrit 和临界位移释放 系数 ηcrit，如图 6 所示. 不难发现，mi 相同时，λcrit 和 ηcrit 均随 GSIp 减小呈现下降的趋势. 随 GSIp 由 75 减小到25，λcrit 分别降低了39.13%(mi= 20)、41.57% ( mi = 15)、45.88%( mi = 10)，而ηcrit 分别降低了73.15% ( mi = 20)、78.75%( mi = 15)、80.98%( mi = 10)；可知 mi 越小，GSIp 对 λ 和 η 的作用效果越明显. 从图 6 还 可看出，当 GSI 相同时，随 mi 减小，λcrit 和 ηcrit 呈降 低趋势. 如当 GSIp = 45 时，随 mi 由 20 减小到 10， λcrit 和 ηcrit 分别降低了 15.71% 和 53.20%. 因此，围 岩质量较差、岩体参数 mi 较小时，建议及早采取 支护加固措施，限制围岩应力和位移的释放. 图 7 为各工况的支护时机演化规律. 不难发 现，支护时机在数值上呈现出随 GSIp 减小而减小 的趋势，且从正值逐渐演变为负值. 以 mi = 20 为 例，当 GSIp 分别为 75、65、55 和 45，支护时机为正 值. 表明隧道开挖无须超前加固措施，只需在开挖 后施作“工作面后方支护”即可维持隧道稳定；且 GSIp 越小，支护施作时机应当越早，如 GSIp = 75 的 支护时机较 GSIp = 45 时多出 5.57 m. 相比之下， 当 GSIp 分别为 35 和 25，支护时机均为负值，说明 隧道开挖前需对围岩施作超前支护，即采用“工作 P1 P2 P3 P4 P5 Mean value Fitted curve P1 P2 P3 P4 P5 Mean value Fitted curve (a) −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50 60 70 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Distance to tunnel working face/m −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50 60 70 Distance to tunnel working face/m (b) Displacement release coefficient 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Displacement release coefficient A=−1.047 B=−1.748, R 2=0.9931 C=1.012 η(Pn )=C 1+exp +1−C x/R0 B A A=−0.8008 B=−1.685, R 2=0.9939 C=1.003 η(Pn )=C 1+exp +1−C x/R0 B A 图 5    两种工况的 LDP 曲线. （a）工况 I；（b）工况 II Fig.5    Longitudinal deformation profile (LDP) curves of two cases: (a) case I; (b) case II 表 1    不同工况的围岩参数 Table 1    Rock mass parameters for various cases Cases c p /MPa φ p /(°) c r /MPa φ r /(°) γ p*/10−3 GSIp = 55 I 1.505 40.85 1.018 31.20 2.5248 II 1.388 38.43 0.921 28.88 2.6414 III 1.243 34.98 0.798 25.73 2.7444 GSIp = 45 I 1.261 36.94 0.958 30.07 9.1190 II 1.151 34.53 0.866 27.79 9.7502 III 1.012 31.18 0.748 24.69 10.3380 GSIp = 35 I 1.063 33.01 0.906 29.08 40.3000 II 0.965 30.66 0.818 26.83 42.3500 III 0.839 27.44 0.706 23.78 43.8960 Note: I, II, and III correspond to the cases of mi = 20, mi = 15, and mi = 10, respectively. 梁    鹏等： 隧道初支合理支护时机确定方法及其工程应用 · 271 ·