高速铁路隧道围岩支护参数优化设计
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作者: 张禄
【摘要】随着高速铁路的快速发展，必然伴随大量隧道工程的出现，这主要是因为高速铁路的线路技术标准（平纵断面）要远远高于普通铁路。隧道支护结构的设计是一项非常复杂的工作，但目前的设计大都是依据工程类比法进行，随着高速铁路的大规模发展，建立一个科学合理的支护结构设计方案是一个势在必行的任务。
【关键词】高速铁路；隧道围岩；支护；参数优化；设计；
快节奏和大流量是新时代客运交通的特点，我国传统铁路客运系统已达到了“瓶颈”状态，为满足国民经济与文化交流对高速交通的迫切需要，我国政府针对已有客货同流的交运方式制定了相应变革，明确了我国的高速铁路发展以“四横四纵”为主要网络骨架向周边城市辐射扩展，逐渐实现客货分流。与此同时，为满足复杂多变的地质条件，以及高速行车的线路选取需求，隧道工程大量出现于高速铁路的建设中，为我国铁路隧道建设技术提供了巨大地发展空间。
一、现状
世界各地隧道界的很多专家学者己经对隧道结构设计进行了广泛而深入的研究，如：Hoek和Brown川、Bieniaw欢i[2，31、Barton[4]、Muller[51、Lunardi[6]、李世辉[7]、潘昌实[8l等。隧道结构设计必须考虑到隧道结构的承载能力、耐久性、适用性以及经济性等多方面的因素。隧道结构设计是一门具有艺术性的科学。这是因为岩土介质作为隧道工程的对象包含着多种不确定因素，例如：岩土材料的非均匀性和各向异性，岩体的地质构造，岩土材料的本构关系，初始地应力情况，地下水情况等。正确的掌握这些因素及其变化规律非常困难，但随着当今计算机运算能力的提高，岩土本构关系研究的进展和数值分析方法的完善，实验和测试技术的发展，监控量测水平的进步，隧道结构设计目前正朝着科学化、精细化、规范化的目标迈进。隧道结构设计的主要任务是针对支护结构进行的设计，而研究对象则是由围岩和支护结构两者共同组成并相互作用的结构体系。不同围岩具有不同程度的自稳能力，围岩在很大程度上是隧道结构的承载主体，其承载能力必须加以充分利用。隧道衬砌的设计必须结合围岩自承能力进行，隧道衬砌除必须满足净空要求外，还要求有足够的强度和耐久性，以保证其使用寿命期间的安全性。
二、隧道设计流程
l）根据岩石自身强度和岩体的完整性程度、节理裂隙物理力学特性、地下水情况、围岩初始应力状态等确定围岩分级。
2）在围岩分级的基础上，结合隧道工程自身特点如衬砌结构特点、工法特点、辅助工法情况等综合使用多种方法（解析、数值）进行结构分析，在密切结合施工经验的基础上对围岩稳定性情况和衬砌支护能力等进行判断。
3）施工中的监控量测和信息反馈，尤其是在洞口段、大断面段、穿越不良地质体段需要加密监测来动态了解支护与围岩的相互作用情况。必要时需要采用超前加固（超前注浆、超前锚杆、管棚）和过程恢复（补偿注浆、抬升注浆）措施。
三、隧道支护围岩相关
（1）隧道支护参数性价比随着围岩的水平数的增大而减小。围岩的水平数即围岩的综合物理力学参数，围岩水平数越大表示围岩级别越低，强度越低。性价比随着围岩强度的降低而呈现单调减小趋势，减小幅度较大。本文计算围岩采用摩尔一库伦模型，其围岩粘聚力和内摩擦角直接决定了抗剪强度。增大围岩水平数，粘聚力和内摩擦角相应的减小，抗剪强度降低，在其它影响因素不变的情况下，必然引起围岩的破坏区增大，从而不得不采取较大的支护参数来维持围岩的稳定，因此其支护方案的性价比下降。
（2）隧道支护参数性价比随着隧道埋深的增大而减小。随着隧道埋深的增加，其性价比减小的速度在与隧道埋深增加的速度一致，二者呈负相关关系。在其它条件不变时，隧道的埋深决定了隧道与溶洞处的原岩应力，埋深越大，则其原岩应力越高，隧道开挖引起的应力释放程度越大。无论是单一孔洞周围的围岩应力解析解，还是塑性区半径，都与该处的原岩应力有关，原岩应力越大，其应力的绝对值越大，无论是压应力还是拉应力，其值的绝对值变大都会使莫尔圆的半径增大，因此围岩更容易破坏，塑性区也越多。故随着隧道埋深的增加，必然导致支护的性价比下降。
（3）隧道支护参数性价比随着围岩侧压力系数的增大而降低。根据单一孔洞开挖引起的围岩应力应变场的弹塑性理论解析中破坏区的计算公式，侧压力系数兄越大，在垂直于侧压力方向上，其破坏区半径越大。本试验中岩体侧压力系数从1.0增加到2.0，隧道塑性破坏区范围增加，因此所需的支护参数越大，从而降低了性价比。
（4）隧道支护参数性价比随着锚杆间距的增大而减小。锚杆的间距与锚杆的数量直接相关，由于隧道的断面是一定的，故隧道的断面周长是定值，因此当锚杆间距增大时必然导致锚杆的数量减少。而锚杆的数量直接关系到隧道支护的价格，故当锚杆间距加大时，在其他因素不变的情况下可减少支护造价，提高支护方案的性价比。
四、优化设计
优化算法分为传统的优化算法和现代优化算法两大类[6'〕。传统的优化算法主要有：牛顿法、最小二乘法、单纯形法、复合形、共扼梯度法、罚函数法、共扼梯度法、模式搜索法等。现代优化算法包括：这些算法包括禁忌搜索（tabusearch），模拟退火（Simulatedannealing），遗传算法（genetiealgorithms），人工神经网络（neuralnetworks），蚁群算法，粒子群算法，混合算法等。它们的特点是基于客观世界中的一些自然现象而建立的算法，理论基础是建立在计算机迭代计算上的，且具有普适性，可以解决实际应用问题。现代优化算法能获得全局最优解，但是收敛速度慢，适合于求解空间未知的情况，多应用于大规模求解，因此本文选用收敛速度快，计算效率高的传统优化算法一最小二乘法。
在同一个监测面上，随着侧压力系数的增大，隧洞洞周关键点的位移也随之增大，隧洞洞周关键点的位移增加幅度是随着侧压力系数的增大而增大。在同一个监测面上，随着围岩水平数的增大，隧洞洞周关键点的位移也随之增大，隧洞洞周关键点的位移增加幅度是在围岩水平为A=4时有一个迅速增大的转折点。随着锚杆长度的增加，隧洞洞周关键点的位移几乎不变，锚杆的长度对洞周关键点的位移影响很小。采用最小二乘法原理对回归结果进行了优化，得到了隧道支护参数的优化取值函数。选取高速铁路隧道的工程实例进行了计算，证明本文的优化取值函数计算结果比较可靠，对同类工程的支护参数取值有借鉴意义，在地质因素一支护因素内建立优化模型方面作了初步探索。
总 结：目前我国隧道工程建设中存在的种种困惑和问题，究其深层次的原因则是没有结合复杂多变的地质条件从原理上进行系统的研究，缺乏可靠的有针对性的设计理念和工程对策，因此开展隧道支护与围岩作用关系的研究，从隧道结构设计中支护一围岩作用关系这一核心问题出发，围绕围岩力学特性及结构稳定性，初期支护与围岩作用关系，初期支护与二次衬砌作用关系进行深入研究，具有重大的学术价值和现实意义。
参考文献：
[1]唐强；倾斜中厚磷矿床崩落法开采采场矿压显现及覆岩活动规律研究[D]；重庆大学；2011年
[2]阳长江；浅埋软弱围岩大跨度扁平隧道快速施工研究[D]；重庆交通大学；2012年
[3]刘祥桢；东乡铜矿深部软岩巷道加固对策研究及应用[D]；南昌大学；2012年
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