新建太興鐵路Ⅴ級(jí)圍巖黃土段隧道支護(hù)參數(shù)研究

賈 亮,戚 鐵

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)院,太原 030009)

1 工程簡(jiǎn)介

新建太原至興縣鐵路工程是由太原至靜游段和靜游至白文段兩部分組成,線路全長(zhǎng)168 km。其中太原至鎮(zhèn)城底為既有線增建二線區(qū)段、靜游至白文為新建單線鐵路區(qū)段,隧道建筑限界采用“隧限-2A”；鎮(zhèn)城底至靜游為新建雙線鐵路區(qū)段,設(shè)計(jì)行車速度120 km/h,建筑限界采用“隧限-2B”。

全線新建單線隧道長(zhǎng)47.4 km/36座,雙線隧道長(zhǎng)25.4 km/14座,其中黃土隧道長(zhǎng)18.2 km,占隧道總長(zhǎng)的25%。沿線黃土隧道通過區(qū)地貌單元主要為黃土丘陵及黃土臺(tái)塬區(qū),地下水類型主要為孔隙、裂隙潛水,地下水位埋深大,多數(shù)黃土隧道地下水不發(fā)育。隧道穿越的黃土地層主要為Q2黃土(10.1%)和Q3黃土(89.9%),其工程性質(zhì)如下。

上更新統(tǒng)(Q3eol+al)砂質(zhì)黃土：厚度20～30 m,最大厚度大于50 m。淺黃～黃褐色,夾有砂類土層或其透鏡體,砂感明顯,垂直節(jié)理較發(fā)育,多形成陡立邊坡,具Ⅱ級(jí)非自重濕陷性及中、高壓縮性,分布于低山、黃土丘陵區(qū)地表。γ=16.58 kN/m3,c=19.7 kPa,φ=26.4°。

中更新統(tǒng)(Q2al)黏質(zhì)黃土：厚度10～30 m,棕紅～褐紅色,堅(jiān)硬。局部垂直節(jié)理較發(fā)育,夾古土壤及鈣質(zhì)結(jié)核層,底部夾洪積礫石及砂層,主要出露于黃土丘陵中。γ=18.84 kN/m3,c=44 kPa,φ=25.6°[1,2]。

2 襯砌支護(hù)參數(shù)情況

按照初期支護(hù)承擔(dān)施工階段全部荷載,二次襯砌承擔(dān)由于初期支護(hù)可能劣化而作用于二次襯砌上的荷載或由于軟巖蠕變、環(huán)境條件變化等引起的附加荷載以及作為安全儲(chǔ)備的原則[2],通過工程類比、結(jié)合太興線黃土的特性,初步擬定雙線隧道襯砌支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道襯砌支護(hù)參數(shù)

注：“*”代表鋼筋混凝土

3 設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算和分析

為保證隧道初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全可靠性,對(duì)隧道的初期支護(hù)以及二次襯砌分別進(jìn)行了理論分析。

3.1 初期支護(hù)理論計(jì)算

初期支護(hù)計(jì)算理論采用地層-結(jié)構(gòu)模式,根據(jù)共同變形理論,對(duì)弧形導(dǎo)坑的施工動(dòng)態(tài)及初期支護(hù)受力狀態(tài)進(jìn)行了模擬計(jì)算。偏于安全考慮,初期支護(hù)承擔(dān)100%圍巖釋放荷載,計(jì)算埋深設(shè)為45 m。

3.1.1 計(jì)算范圍

考慮邊界約束效應(yīng),計(jì)算范圍按左右邊界距隧道中心線距離3～5倍洞徑考慮,底部邊界距隧道底部的距離按3～5倍隧道高度考慮,上部邊界為自由地表。

3.1.2 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)并參閱以往類比工程分析經(jīng)驗(yàn),確定圍巖和支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 圍巖和支護(hù)的物理力學(xué)性能指標(biāo)

初期噴混凝土支護(hù)中的鋼拱架,根據(jù)抗壓剛度相等的原則,將鋼架的彈性模量折算到網(wǎng)噴混凝土襯砌的彈性模量,以簡(jiǎn)化計(jì)算。計(jì)算公式如下

式中E——折算后噴混凝土彈性模量,MPa；

E0——原混凝土彈性模量,MPa；

Sg——鋼拱架截面積,m2；

Eg——鋼材彈性模量,MPa；

Sc——混凝土截面積,m2。

3.2 二次襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

二次襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)用成熟的荷載-結(jié)構(gòu)模式,采用局部變形理論計(jì)算彈性抗力來模擬圍巖對(duì)襯砌變形的約束作用。作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的主要荷載有結(jié)構(gòu)自重、黃土垂直壓力、地層側(cè)向水平壓力和彈性抗力等,偏于安全考慮,二次襯砌按承受圍巖壓力的60%進(jìn)行計(jì)算[3]。

淺埋和深埋隧道的分界,按荷載等效高度值,并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定,建議黃土的分界厚度24 m為極淺埋分界,深淺埋分界值為60 m。本隧道埋深45 m,因此垂直壓力采用規(guī)范建議的謝家烋理論公式[4]進(jìn)行計(jì)算,即

垂直壓力

水平壓力

式中h——洞頂?shù)孛娓叨龋?/p>

γ——圍巖重度；

θ——滑面摩擦角；

B——隧道開挖寬度；

Ht——隧道高度；

λ——側(cè)壓力系數(shù)；

φc——圍巖計(jì)算摩擦角。

將各參數(shù)代入上式,得：

側(cè)壓力系數(shù)λ=0.293

垂直壓力q=192.26 kN/m2

水平壓力e=145.18 kN/m2

3.3 預(yù)留變形量計(jì)算

現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)規(guī)定,隧道周邊變形量是隨圍巖條件、隧道寬度、埋置深度、施工方法和支護(hù)剛度等影響而不同,采用工程類比方法確定,而黃土隧道的預(yù)留變形量規(guī)范沒有明確提出,因此按彈塑性解析公式預(yù)測(cè)預(yù)留變形量的大小。不考慮塑性區(qū)體積擴(kuò)容,則根據(jù)修正的芬納公式有[5-7]

式中u0——洞壁徑向位移(變形量)；

σz——初始地應(yīng)力；

pa——初期支護(hù)阻力；

r0——洞室計(jì)算半徑；

μ——泊松比；

E——土體的彈性模量；

c——黏聚力。

初期支護(hù)阻力由初噴混凝土的阻力P1、型鋼鋼架支撐力P2和系統(tǒng)錨桿阻力P3共同組合而成。初噴厚度ds≥0.04r0,按厚壁圓筒公式計(jì)算

Ⅰ20a鋼架間距0.6m。

P2=nAsσt/100r0=

1.6×35.5×240/(100×587)=0.23MPa

式中 σt——鋼材的屈服強(qiáng)度，取240MPa；

As——鋼支撐的斷面積。

P3是系統(tǒng)錨桿提供的支護(hù)阻力,由于本隧道拱部沒有設(shè)置系統(tǒng)錨桿,僅邊墻的系統(tǒng)錨桿支護(hù)阻力影響較小,可忽略不計(jì)。

將計(jì)算出的各參數(shù)代入上述公式,取μ為0.4,按隧道埋深45 m計(jì)算初始應(yīng)力,則計(jì)算出的洞壁徑向位移u0=9.5 cm,結(jié)合工程類比,設(shè)計(jì)預(yù)留變形量范圍為10～12 cm,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果修正。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 圍巖位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析

洞室開挖完成后,圍巖的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)如圖1～圖2所示。從圖中看出位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)對(duì)稱分布,開挖后圍巖朝洞內(nèi)方向移動(dòng),拱頂圍巖最大沉降值為34.7 mm,底拱隆起最大值為30.5 mm。大主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距洞壁3 m之外的區(qū)域,其邊墻處大主應(yīng)力值為0.48 MPa。整個(gè)計(jì)算區(qū)域處于受壓狀態(tài)。

圖1 圍巖位移等值線

圖2 圍巖主應(yīng)力等值線

4.2 初期支護(hù)受力分析

把噴射混凝土、鋼拱架組成的初期支護(hù)作為一個(gè)整體來計(jì)算。隧道開挖完成后,初期支護(hù)的彎矩和應(yīng)力如圖3、圖4所示。從圖中看出,最大彎矩發(fā)生在拱腳處,量值為5.3 kN·m,最大主壓應(yīng)力0.65 MPa,最大主拉應(yīng)力0.17 MPa。經(jīng)計(jì)算分析,初期支護(hù)安全系數(shù)最小值均不小于1,初期支護(hù)變形值也均小于《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)中關(guān)于雙線隧道初期支護(hù)極限位移的要求,從而可以判斷初期支護(hù)有一定的安全儲(chǔ)備,滿足施工過程中圍巖穩(wěn)定性和安全性要求。

圖3 初期支護(hù)彎矩

圖4 初期支護(hù)應(yīng)力

4.3 錨桿受力分析

錨桿是隧道施工過程中維護(hù)圍巖穩(wěn)定,保證施工安全的重要支護(hù)手段之一。它可以提高裂隙圍巖的抗剪強(qiáng)度,抑制軟弱圍巖變形,防止坍塌；可以提高地層的承載能力,增強(qiáng)地層間的摩阻力；可以將一些不連續(xù)的巖塊聯(lián)系在一起,并基本不占用作業(yè)空間,施工性好,因此在工程領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。但是根據(jù)計(jì)算結(jié)果,黃土隧道系統(tǒng)錨桿,尤其是拱部的錨桿,所起作用并不大。錨桿軸力如圖5所示,從圖中可以看出,錨桿受力均呈現(xiàn)拱部小而邊墻大的分布特征,拱部錨桿受力很小,難以發(fā)揮本身的作用,而邊墻錨桿能提供一定的拉應(yīng)力。因此建議黃土隧道加強(qiáng)鎖腳錨桿,保留邊墻系統(tǒng)錨桿,以提供顯著的拉應(yīng)力,改善土體的受力狀況、控制土體的位移；取消拱部系統(tǒng)錨桿,及時(shí)噴射混凝土,減少圍巖暴露時(shí)間,有利于圍巖穩(wěn)定,降低工程造價(jià)[8,9]。

圖5 錨桿軸力

4.4 二次襯砌受力分析

二次襯砌的彎矩和軸力如圖6和7所示。從圖中看出,襯砌全斷面受壓,最大壓力發(fā)生在邊墻底部及拱腳處,最大值為1 264.9 kN。由于曲面彈簧限制了襯砌的豎向位移,造成仰拱承受較大的軸力,且未考慮仰拱回填等影響,造成計(jì)算得到的仰拱受力比實(shí)際情況偏大。拱頂、拱腳、曲墻腳部和仰拱端部受到較大的彎矩作用。且曲墻腳部受到的彎距最大,最大值為711.2 kN·m。

圖6 二次襯砌彎矩

圖7 二次襯砌軸力

二次襯砌不僅受壓,還受彎矩作用,所以在彎矩較大的截面處會(huì)出現(xiàn)截面內(nèi)外側(cè)分別受拉壓應(yīng)力的情況,因此出現(xiàn)較大拉壓應(yīng)力的位置為受力的不利截面。經(jīng)理論計(jì)算,結(jié)構(gòu)的承載性能及裂縫控制均能滿足規(guī)范要求。

5 施工監(jiān)控量測(cè)結(jié)果對(duì)支護(hù)參數(shù)驗(yàn)證情況

目前,太興線黃土隧道施工基本處于尾聲,監(jiān)控量測(cè)及觀測(cè)結(jié)果顯示,隧道拱頂平均下沉8 cm,最大下沉10.3 cm,凈空收斂平均4 cm,最大收斂6 cm,最終收斂速率均小于0.2 mm/d,且沒有出現(xiàn)裂縫等不良現(xiàn)象,初期支護(hù)穩(wěn)定性良好,滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

新建太興鐵路隧道工程,設(shè)計(jì)階段對(duì)圍巖進(jìn)行了細(xì)致的勘察研究,并進(jìn)行了準(zhǔn)確完備的理論計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)類別驗(yàn)證,給出了較為經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)參數(shù),尤其黃土隧道,取消拱部系統(tǒng)錨桿,加大鎖腳錨桿設(shè)置,經(jīng)施工實(shí)踐的驗(yàn)證,施工效果良好,取得了良好的安全性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,為今后相似圍巖地質(zhì)的隧道工程設(shè)計(jì)施工提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

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