梁鹏等：隧道初支合理支护时机确定方法及其工程应用 273 105 100 (a) 当岩体强度不变时，总体上随D增加，支护时 9 D=0 机在数值上呈减小趋势.如oe=50MPa时，当 ☐D=0.4 85 ☐D=0.8 D为0和0.8.支护时机分别为2.52m和-4.92m, 80 即D由0增加至0.8时，支护时机提前7.44m.特 别地，对于D为0.8的所有工况，支护时机均为负 6 值.主要是由于围岩受掘进扰动影响较为显著，自 55 稳能力较差，需采用“工作面前方预加固”来为隧 道掘进提供安全环境 40 50 60 70 80 综合以上分析可知：(1)当岩体强度较高，D偏 0/MPa 大时，得到支护时机较晚，施工过程中表现为掌子 90 o (b) 面后方围岩具有较长距离的未支护段，容易造成围 0 ◆一0 岩塌落现象，对附近人员安全形成威胁：而D偏小 +-D=0.4 -D=0.8 时，可能将“工作面后方支护”误判为“工作面前方 50 预加固+工作面后方支护”，造成支护成本增加.(2) 当岩体强度较小且须超前加固时，采用较小的D可 能造成所选取的超前支护参数较弱，从而诱发围岩 失稳，增加施工作业的危险性；采用较大的D可能 10 0 导致设计超前加固参数较强，造成支护材料浪费. 30 40 50 0 70 80 0/MPa 因此，在进行隧道支护体系设计和施工时，如 实考虑围岩材料特性对隧道安全与经济施工是极 图8em与cm随D和u变化曲线.(a)以er:(b)neit Fig Variation curves of versus Dand :(a)(b) 为必要的.不仅能避免隧道发生失稳破坏，也能实 图9给出了各工况支护时机随o和D的变化规 现降低施工成本和节约工期的目的.当然，影响支 律.图中显示，总体上随σ。增大，支护时机在数值上 护时机的主要因素可能不仅仅是围岩材料特性， 呈增加趋势，从负值逐渐转变为正值.以D=0为例， 也可能是隧道开挖工法、隧道所处环境等多种因 o。=30MPa时，支护时机为负值，表明隧道须采取超 素综合造成的 前支护措施，即需要“工作面前方预加固+工作面后方 5 现场应用分析 支护”；相比之下，oa大于30MPa时，支护时机均为 正值，说明隧道开挖只需施作“工作面后方支护”；且 为验证提出方法的准确性及工程适用性， 较小的oe对应较早的支护时机，如ce:=40MPa的支 在该项目施工段展开工程应用.隧道左幅ZK19+ 护时机比o。=80MPa时提前了3.74m 240~ZK19+395属于深埋段，最大覆盖厚度约 300m.原方案将爆破开挖进尺设计为2m,爆破循 环为1次，即原方案支护时机为2m.设计锚杆 3.5m长5普通中空注浆锚杆，纵、环向间距为 75cm×100cm,按梅花形布置，布置范围为起拱线 以上的区域：初衬采用18型钢拱架，纵向间距为 每榀75cm初衬钢筋网采用8单层钢筋网，网度 6 20cm×20cm;初衬喷混凝土强度C25,厚度为24cm -10 由上文分析可知，减小开挖进尺会导致施工 ☐D=0□D=0.4□D=0.8 -12 30 40 5060 70 80 爆破循环次数增多，增加时间与经济成本.因此， 0/MPa 通过本文方法对支护方案进行设计，根据现场勘 图9支护时机随D和a。变化曲线（阶段1一工作面后方支护：阶段 查及室内试验，获取了该区段岩体物理力学参数： 2一工作面前方预加固+工作面后方支护) 峰值黏聚力和内摩擦角分别为1.26MPa和39.04°， Fig.9 Variation curves of supporting time versus D and oc(Stage 残余黏聚力和内摩擦角分别为0.75MPa和29.75° 1-support installation behind the working face;Stage 2-pre-support installation in front of the working face and support installation behind 弹性模量和泊松比分别为6.07GPa和0.29，密度 the working face) 为2680kgm,临界塑性剪切应变为0.178%.经计45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 (a) D=0 D=0.4 D=0.8 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 (b) D=0 D=0.4 D=0.8 λcrit /% ηcrit /% σci/MPa 30 40 50 60 70 80 σci/MPa 图 8    λcrit 与 ηcrit 随 D 和 σci 变化曲线. （a）λcrit；（b）ηcrit Fig.8    Variation curves of λcrit, ηcrit versus D and σci: (a) λcrit; (b) ηcrit 图 9 给出了各工况支护时机随 σci 和 D 的变化规 律. 图中显示，总体上随 σci 增大，支护时机在数值上 呈增加趋势，从负值逐渐转变为正值. 以 D = 0 为例， σci = 30 MPa 时，支护时机为负值，表明隧道须采取超 前支护措施，即需要“工作面前方预加固+工作面后方 支护”；相比之下，σci 大于 30 MPa 时，支护时机均为 正值，说明隧道开挖只需施作“工作面后方支护”；且 较小的 σci 对应较早的支护时机，如 σci = 40 MPa 的支 护时机比 σci = 80 MPa 时提前了 3.74 m. −12 −10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 D=0 D=0.4 D=0.8 30 40 50 60 70 80 The supporting time is advanced The advanced support parameters are weakened Stage 1 Stage 2 Supporting time/m σci/MPa 图 9    支护时机随 D 和 σci 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.9     Variation  curves  of  supporting  time  versus D and σci (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) 当岩体强度不变时，总体上随 D 增加，支护时 机在数值上呈减小趋势. 如 σci = 50 MPa 时 ，当 D 为 0 和 0.8，支护时机分别为 2.52 m 和−4.92 m， 即 D 由 0 增加至 0.8 时，支护时机提前 7.44 m. 特 别地，对于 D 为 0.8 的所有工况，支护时机均为负 值. 主要是由于围岩受掘进扰动影响较为显著，自 稳能力较差，需采用“工作面前方预加固”来为隧 道掘进提供安全环境. 综合以上分析可知：（1）当岩体强度较高，D 偏 大时，得到支护时机较晚，施工过程中表现为掌子 面后方围岩具有较长距离的未支护段，容易造成围 岩塌落现象，对附近人员安全形成威胁；而 D 偏小 时，可能将“工作面后方支护”误判为“工作面前方 预加固+工作面后方支护”，造成支护成本增加. （2） 当岩体强度较小且须超前加固时，采用较小的 D 可 能造成所选取的超前支护参数较弱，从而诱发围岩 失稳，增加施工作业的危险性；采用较大的 D 可能 导致设计超前加固参数较强，造成支护材料浪费. 因此，在进行隧道支护体系设计和施工时，如 实考虑围岩材料特性对隧道安全与经济施工是极 为必要的. 不仅能避免隧道发生失稳破坏，也能实 现降低施工成本和节约工期的目的. 当然，影响支 护时机的主要因素可能不仅仅是围岩材料特性， 也可能是隧道开挖工法、隧道所处环境等多种因 素综合造成的. 5    现场应用分析 为验证提出方法的准确性及工程适用性 ， 在该项目施工段展开工程应用. 隧道左幅 ZK19+ 240～ ZK19+395 属于深埋段 ，最大覆盖厚度约 300 m. 原方案将爆破开挖进尺设计为 2 m，爆破循 环为 1 次，即原方案支护时机为 2 m. 设计锚杆 3.5 m 长 ϕ5 普通中空注浆锚杆，纵、环向间距为 75 cm×100 cm，按梅花形布置，布置范围为起拱线 以上的区域；初衬采用 I18 型钢拱架，纵向间距为 每榀 75 cm 初衬钢筋网采用 ϕ8 单层钢筋网，网度 20 cm×20 cm；初衬喷混凝土强度 C25，厚度为 24 cm. 由上文分析可知，减小开挖进尺会导致施工 爆破循环次数增多，增加时间与经济成本. 因此， 通过本文方法对支护方案进行设计，根据现场勘 查及室内试验，获取了该区段岩体物理力学参数： 峰值黏聚力和内摩擦角分别为 1.26 MPa 和 39.04°， 残余黏聚力和内摩擦角分别为 0.75 MPa 和 29.75°， 弹性模量和泊松比分别为 6.07 GPa 和 0.29，密度 为 2680 kg·m−3，临界塑性剪切应变为 0.178%. 经计 梁    鹏等： 隧道初支合理支护时机确定方法及其工程应用 · 273 ·