272 工程科学学报，第44卷.第2期 105 100 (a) 岩质量与稳定性差，若超前支护的设计参数较弱， ☐m=20 95 □m=15 极易诱发工作面围岩失稳塌方事故，严重威胁隧 ☐m=10 道施工安全、阻碍施工进度 956050566 另外，从图7中还可看出，对于相同质量的围 岩，随m的减小，支护时机提前.如m:由20减小 至10时，当GSIP为75和65，支护时机分别提前 了3.90m和3.23m,支护方式均为“工作面后方支 50 护”；当GSP为55和45时，支护方式由“工作面后 45 水 6 5 45 35 25 方支护”转变为“工作面前方预加固+工作面后方 GSIP 支护”；当GSIP为35和25时，支护时机分别提前 90 (b) m=20 了4.68m和5.85m,支护方式均为“工作面前方预 70 ◆m,=15 ◆m=10 加固+工作面后方支护” 综上分析可知：(1)对于质量较好的岩体， m:偏大时，得到支护时机较晚，可能导致未支护围 40 岩应力过多释放，轻则诱发掌子面后方围岩大变 0 20 形，重则发生隧道坍塌；采用偏小的m,得到支护 10 时机过早，导致施工时开挖循环次数增多，耗费人 力及物力资源.(2)对于质量较差且需超前加固的 73 65 55 45 35 25 GSIP 岩体，m:偏大时，会造成超前支护设计参数较弱， 图6m与nm随GSP和m,变化曲线.(a)eati(b)neit 可能诱发掌子面失稳、甚至塌方事故，增加施工作 Fig.6 Variation curves of versus GSI and m (a)(b) 业的危险性；m:偏小时，支护时机数值较小，相应 的超前支护设计参数较强，导致支护成本增加 4.2oa和D的影响 4 以上揭示了GSI和m:对支护时机的表征作 2 用，为反映不同工程扰动参数D和岩石单轴抗压 0 强度o对支护时机的影响，进行以下分析.将 分别取值30、40、50、60、70和80MPa,对应六 Stage 2 种不同强度的岩体；同时给出每种强度岩体下的 D分别为0、0.4和0.8，共计18种工况.其他基本 ☐m=20☐m=15☐m,=10 参数为：峰值地质强度指标GSIP=55,岩块弹性模 -0 75 655545 35 25 量Em=29.6GPa,岩石材料常数m;=20,隧道埋深 GSIP H=400m.计算出18种工况的围岩参数，限于篇 图7支护时机随GSP和m变化曲线（阶段1一工作面后方支护：阶 幅，本文未列出 段2一工作面前方预加固+工作面后方支护) Fig.7 Variation curves of supporting time versus GSI and m(Stage 以D和o:为变量，计算出不同工况的临界应 1-support installation behind the working face;Stage 2-pre-support 力释放率cm和临界位移释放系数Iei,如图8所 installation in front of the working face and support installation behind 示.可以看出，D相同时，cm和1cm均随oe:减小而 the working face) 降低，随oa由80减小到30，m分别降低了 面前方预加固+工作面后方支护”的施工方式.因 17.98%(D=0)、18.29%(D=0.4)和18.57%(D=0.8), 为GSI是表征围岩质量的重要参数，较小的GSI 而1em分别降低了51.46%(D=0)、61.44%(D=0.4)和 对应质量较差的岩体，若要维持隧道开挖的顺利 75.09%(D=0.8).图8还显示，oe相同时，随D增 进行，须通过超前加固增强围岩的抗干扰能力，此 大，ei和nei呈降低趋势.如当oe=50MPa时，随 外，当GSIP为35和25时，支护时机分别为-0.58m D由0增大到0.8，cn和neim分别降低了20.99% 和-2.44m.当GSP由75减小至25时，支护时机 和75.74%.因此，围岩强度较低、工程扰动参数偏 提前8.32m.说明GSI越小，超前支护设计参数应 大时，建议及早采取支护加固措施，防止围岩应力 当越强.特别是隧道在穿越复杂地质体施工时，围 和位移持续发展面前方预加固+工作面后方支护”的施工方式. 因 为 GSI 是表征围岩质量的重要参数，较小的 GSI 对应质量较差的岩体，若要维持隧道开挖的顺利 进行，须通过超前加固增强围岩的抗干扰能力. 此 外，当 GSIp 为 35 和 25 时，支护时机分别为−0.58 m 和−2.44 m. 当 GSIp 由 75 减小至 25 时，支护时机 提前 8.32 m. 说明 GSI 越小，超前支护设计参数应 当越强. 特别是隧道在穿越复杂地质体施工时，围 岩质量与稳定性差，若超前支护的设计参数较弱， 极易诱发工作面围岩失稳塌方事故，严重威胁隧 道施工安全、阻碍施工进度. 另外，从图 7 中还可看出，对于相同质量的围 岩，随 mi 的减小，支护时机提前. 如 mi 由 20 减小 至 10 时 ，当 GSIp 为 75 和 65，支护时机分别提前 了 3.90 m 和 3.23 m，支护方式均为“工作面后方支 护”；当 GSIp 为 55 和 45 时，支护方式由“工作面后 方支护”转变为“工作面前方预加固+工作面后方 支护”；当 GSIp 为 35 和 25 时，支护时机分别提前 了 4.68 m 和 5.85 m，支护方式均为“工作面前方预 加固+工作面后方支护”. 综上分析可知 ： （ 1）对于质量较好的岩体 ， mi 偏大时，得到支护时机较晚，可能导致未支护围 岩应力过多释放，轻则诱发掌子面后方围岩大变 形，重则发生隧道坍塌；采用偏小的 mi，得到支护 时机过早，导致施工时开挖循环次数增多，耗费人 力及物力资源. （2）对于质量较差且需超前加固的 岩体，mi 偏大时，会造成超前支护设计参数较弱， 可能诱发掌子面失稳、甚至塌方事故，增加施工作 业的危险性；mi 偏小时，支护时机数值较小，相应 的超前支护设计参数较强，导致支护成本增加. 4.2    σci 和 D 的影响 以上揭示了 GSI 和 mi 对支护时机的表征作 用，为反映不同工程扰动参数 D 和岩石单轴抗压 强度 σci 对支护时机的影响，进行以下分析. 将 σci 分别取值 30、40、50、60、70 和 80 MPa，对应六 种不同强度的岩体；同时给出每种强度岩体下的 D 分别为 0、0.4 和 0.8，共计 18 种工况. 其他基本 参数为：峰值地质强度指标 GSIp = 55，岩块弹性模 量 Em = 29.6 GPa，岩石材料常数 mi = 20，隧道埋深 H = 400 m. 计算出 18 种工况的围岩参数，限于篇 幅，本文未列出. 以 D 和 σci 为变量，计算出不同工况的临界应 力释放率 λcrit 和临界位移释放系数 ηcrit，如图 8 所 示. 可以看出，D 相同时，λcrit 和 ηcrit 均随 σci 减小而 降 低 . 随 σci 由 80 减 小 到 30， λcrit 分 别 降 低 了 17.98%(D = 0)、18.29%(D = 0.4) 和 18.57%(D = 0.8)， 而 ηcrit 分别降低了 51.46%(D = 0)、61.44%(D = 0.4) 和 75.09%(D = 0.8). 图 8 还显示，σci 相同时，随 D 增 大，λcrit 和 ηcrit 呈降低趋势. 如当 σci = 50 MPa 时，随 D 由 0 增大到 0.8， λcrit 和 ηcrit 分别降低了 20.99% 和 75.74%. 因此，围岩强度较低、工程扰动参数偏 大时，建议及早采取支护加固措施，防止围岩应力 和位移持续发展. 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 75 65 55 45 35 25 (a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 (b) λcrit /% ηcrit /% GSI p 75 65 55 45 35 25 GSI p mi=20 mi=15 mi=10 mi=20 mi=15 mi=10 图 6    λcrit 与 ηcrit 随 GSIp 和 mi 变化曲线. （a） λcrit；（b）ηcrit Fig.6    Variation curves of λcrit, ηcrit versus GSI and mi : (a) λcrit; (b) ηcrit −9 −8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 6 7 75 65 55 45 35 25 The advanced support parameters are weakened The supporting time is advanced Stage 1 Supporting time/m Stage 2 mi=20 mi=15 mi=10 GSI p 图 7    支护时机随 GSIp 和 mi 变化曲线（阶段 1—工作面后方支护；阶 段 2—工作面前方预加固+工作面后方支护） Fig.7     Variation  curves  of  supporting  time  versus  GSI  and mi (Stage 1—support  installation  behind  the  working  face;  Stage  2—pre-support installation  in  front  of  the  working  face  and  support  installation  behind the working face) · 272 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期