王士刚

（中铁二十三局集团第八工程有限公司，四川成都 610091）

地铁区间隧道的地质条件评估及初期支护设计

王士刚

（中铁二十三局集团第八工程有限公司，四川成都 610091）

基于所建项目的围岩特征条件，运用有限元手段对开挖各阶段的力学、位移特征做了详尽分析，指出了针对该项目的合理支护方式，旨在为类似项目的开挖、支护提供借鉴。

地铁区间，围岩力学特性，支护方式，有限元

1 基本概要

本文主要论述某地铁项目的3.5 km区间隧道的工程地质勘察以及初期支护的选择，此区间隧道的埋深为12 m～30 m，笔者有幸参与了其中的一部分工作。

在该工程的初步设计阶段，根据围岩的详细地勘资料，给出围岩的分级类别是选择相应支护条件的必要工作。Hoek等人在1995年就提出了几种围岩分级体系以便于建立岩体的岩性特征表，隧道的所需支护系统由RMR值、Q值、GSI值以及新奥法的基本理论决定。然而，仅由围岩的分级体系并不足以计算出围岩的应力重分布、支护反力、围岩变形，因此，除了经验工程类比法外，还应引入数值模拟计算的方法。

2 地质概况

本地铁区间的主要地层为:第四纪冲积层、安卡拉粘土层、中新世火山沉积层。

1）第四纪冲积层主要由粉质粘土层、亚粘土层、粘质砂砾透镜体以及这些组分的混合层构成。

2）安卡拉粘土层是上新世的沉积层，颜色为褐红色，主要由夹砾石的粉砂质粘土层构成，该土层含有膨胀性晶格粘粒矿物的蒙脱石。

3）中新世火山沉积层主要包含安山岩、英安岩、凝灰岩、火成岩:a.安山岩为粉红色，主要包含斜长石、黑云母、角闪石;b.英安石为灰白色，主要包含钾长石、晶石、黑云母;c.奶白色的凝灰岩主要包含的矿物与英安岩一样，并且孔隙率大，岩块表面有较柔和的剖痕;d.火成岩主要由安山岩、英安岩碎块组成，直径从几毫米至一米不等，基岩主要由凝灰岩构成，因风化程度不同而有不同的颜色，如白色、灰色、红色。

3 工程地质条件

地勘结果显示将近50%的隧道里程将穿越灰色、酒红色、红棕色的中风化、微风化的安山岩。安山岩的极限抗压强度（UCS）从6 MPa变化到80 MPa，普遍大于25 MPa（见表1）。节理面较粗糙，节理面之间有粘土、方解石等的充填物。围岩的RQD值为11%～85%。

隧道区间约15%的总里程段将穿越灰白色、奶白色—浅褐色—粉红色的中风化、微风化的英安岩。从表1可以看出，英安岩的强度从22 MPa变化到100 MPa，并普遍大于80 MPa。节理空隙为1 mm～2 mm，并有方解石充填物，RQD从53%变化到59%。

隧道总里程的19%区段将穿越绿灰色的火成岩，其强度为9 MPa～75 MPa。火成岩层以及凝灰岩透镜体包含直径100 mm的火山岩碎块。碎块之间有粘土充填，RQD为55%～97%。

室内实验（ISRM1981）得到了四种火山岩的基本物理力学参数:单位体积重量、孔隙率、单轴抗压强度、抗拉强度等等。此外，岩体的变形实验可以得出岩体的变形模量以及泊松比，详见表1。

表1 钻孔布置、埋深以及围岩单元的物理力学参数

4 数值模拟

为了验证初步设计给出的支护系统和开挖方法，使用有限元软件PHASE2进行数值模拟。由于采用平面应变问题的分析模式，所以，在初始地应力状态下，围岩的两个主应力在开挖面内，而第三主应力在开挖面外。真实的三维应力张量可以分解成三个相互正交的应力，这样就与二维的计算模型相一致了。本次数值模拟在二维状态下考虑了围岩的非线性变形，并且根据霍克—布朗破坏准则来考虑开挖面的应力状态和塑性区分布状况。隧道围岩力学参数详见表2。通过不同的数值模型来模拟各施工工况。

表2 数值模拟所需的围岩材料参数

在所有的模型中，隧道的几何模型以及水平向与竖直向应力比都是相同的。隧道的宽度、高度分别为15.2 m，13.2 m，如图1所示。当然，水平应力σh是比较难估算的。1980年霍克、布朗分析了全世界范围内的数据，并指出在浅埋情况下，水平应力是一个变量，并在某一高度趋向于静水压力状态。按照1995年Hoek等人提出的概念，在本项目中，假设σh=σv。

在所有的数值模型中，隧道的埋深为11.5 m～38 m，并在开挖面附近加密有限元的网格划分。模型的左、右水平向施加了水平约束，并在模型的底部施加了垂直约束。除了模型的上面边界，其他边界都设置为10倍的隧道直径长度。

图1 隧道断面

数值模型包括了开挖、支护等一些施工步骤。在第一阶段，为初始应力阶段，根据自重应力场得出初始应力状态，紧接着模拟为开挖、支护步骤，在所有的模型中，支护单元由按工程类比法设计的锚杆和喷射混凝土构成。

在开挖后，立即施加支护，而真实的情况为从开挖至施加支护的过程中必有一个应力释放以及重分布的过程。为了模拟这个现象，在该软件中设置了应力释放率的选项。

图2为隧道穿越凝灰岩时的开挖、支护荷载计算步骤。这个模型包括:初始应力阶段、上台阶开挖阶段、相应支护施加阶段（锚喷）、下台阶开挖阶段、相应支护施加阶段（锚喷）。

图2 隧道K 8+438～K 9+518区段施工步骤

图3中给出了K8+438～K9+518区段的数值模拟结果，从图中可以得到支护情况下和毛洞情况下的总的垂直向和水平向的位移情况。对比毛洞情况，施加了相应的支护后，位移减少了将近50%，效果显著。

分析结果显示，本工程的最大问题将会出现在隧道穿越凝灰岩区段，从图3a）可以得出毛洞室的最大的总位移以及大的塑性分布区。而当施加支护后，如图3b）所示，隧道周边的位移是显著减小了，塑性区也大为缩小。并且可以看出，在软弱围岩中，应力状态发生了变化。在这些区域普遍的观点是应该根据实际情况，进行注浆加固，包括掌子面前方的超前管棚支护。

图3 隧道K 8+438～K 9+518区段的总位移结果

5 结语

有限元分析可以用来估算基于围岩分级体系的基本公式的支护系统的作用效果。结果显示当施加推荐的支护体系时，屈服单元和最大的位移值将大为减小。同时，建议围岩分级体系应该和数值工具同时使用。

尽管用数值模拟对围岩特征属性的估算是非常重要的，然而，值得一提的是围岩特征属性的估算不是一门精确科学，而应该在监控量测结果的基础上，对围岩特性和数值模型进行优化。

［1］梅志荣.高速铁路隧道全断面预加固技术的应用研究［R］.青岛：第十五次全国岩土锚固学术研讨会，2007.

［2］陈涛.隧道玻璃纤维锚杆全断面预加固技术的应用研究［D］.北京：中国铁道科学研究院硕士学位论文，2008.

Geological condition elevation and prelim inary support design ofmetro tunnel

WANG Shi-gang

（China Railway 23rd Bureau Group 8th Engineering Co.，Ltd，Chengdu 610091，China）

Based on the surrounding rock characteristics of the construction project，the paper specifically analyzes themechanical and displacement characteristics at various stages by applying finite elementmethod，and points out the rational supportmethod for the project，with a view to provide some reference for similar project excavation and support.

metro section，mechanical characteristics of surrounding rock，support pattern，finite element

U451.2

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.056

1009-6825（2012）19-0193-03

2012-05-06

王士刚（1975-），男，工程师