北門隧道VI級圍巖襯砌支護參數設計

■賴士謙

（福建省交通規劃設計院，福州　350004）

北門隧道VI級圍巖襯砌支護參數設計

■賴士謙

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

以福建省順邵高速公路北門隧道為例，采用工程類比和荷載-結構法綜合確定其VI級圍巖襯砌的支護參數。初期支護和二襯截面強度驗算結果表明：初期支護和二襯彎矩較大值發生在拱頂、左右拱腰、左右拱腳和仰拱部位，施工中應給予足夠的重視；初期支護危險截面的最小安全系數為1.93，二襯危險截面的最小安全系數為2.43，均大于規范規定值，滿足工程安全性要求。

隧道軟巖荷載-結構法襯砌安全系數

1　引言

軟巖是隧道工程施工過程中經常遇到的不良地質體，具有軟、弱、松、散等低強度的特點，承受荷載的能力極低，從級別上看，這類圍巖基本屬于V、VI級圍巖。隧道開挖后，地應力將重新分布，由于軟巖強度低，對工程擾動極其敏感，在受拉或受壓荷載條件下將產生塑性區，使圍巖和支護發生變形。一旦施工方法和工程措施不當，將極易發生初期支護變形侵限或者隧道塌方等地質災害［1］。

目前，國內學者和設計人員針對軟巖隧道也開展了大量研究。方貽立等［2］以十房高速公路通省隧道軟巖大變形為背景，分析了軟巖隧道的變形機理，并利用FLAC3D模擬開挖支護和圍巖變形過程。關巖鵬等［3］結合桃樹坪大斷面軟巖隧道工程，通過數值模型模擬隧道周邊超前支護、掌子面前方圍巖加固、拱腳補強3種隧道加固方式，得出合理的新意法施工加固參數。李勇峰等［4］通過現場試驗，對不同支護剛度下初支圍巖壓力、二襯圍巖壓力以及圍巖的變形情況進行分析，結合對監測數據的分析結果確定了油坊坪隧道軟巖大變形段落合理的支護參數形式。

襯砌支護參數設計是軟巖隧道結構設計的重中之重，本文以福建省順邵高速公路北門隧道為例，采用工程類比和荷載-結構法綜合確定其VI級圍巖襯砌的支護參數，對初期支護和二襯截面強度進行驗算，得出相應的結論，對公路隧道類似軟巖段的支護設計有較好的借鑒作用。

2　工程概況

北門隧道進口位于福建省順昌縣水南鎮北側，出口位于順昌縣雙溪鎮下沙村東南側，跨越剝蝕丘陵。該隧道為分離式雙線雙洞隧道，左線起止樁號ZK1+ 440.0～ZK4+145.0，全長2705m；右線起止樁號YK1+ 445.0～YK4+175.0，全長2730m，隧道最大埋深261m，屬長隧道。

根據勘察結果，進口側自然山坡坡度15°～20°，隧道圍巖為第四系殘積砂質粘性土及全風化石英片巖，巖體極散亂，呈散體狀結構。進口段發現一泉眼，地下水豐富，地下水以孔隙潛水為主，水位高于洞頂，［BQ］＜150。北山隧道右洞進口地質縱斷面圖如圖1所示。

圖1　北門隧道右洞進口地質縱斷面圖

3　VI級圍巖襯砌結構驗算

3.1襯砌支護參數擬定

單洞隧道復合式襯砌可采用工程類比法進行設計，并通過計算分析進行驗算。根據省內以往工程經驗，初定北門隧道YK1+445～YK1+585段落襯砌支護參數如下（如圖2所示）：

圖2　北門隧道VI級圍巖襯砌支護設計圖

初期支護采用噴、錨、網、鋼支撐支護，錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，長度3.5m，環向間距1.0m，縱向間距1.0m，呈梅花型布置；采用Φ6鋼筋網，網格20cm×20cm，拱墻設置；初支C25噴射混凝土厚度為30cm，采用工22b型鋼鋼支撐，縱向間距為0.5m。

二襯采用C25混凝土，厚度為55cm，環向主筋采用Φ25mm@100，每延米配筋面積為98.18 cm2（兩側）。

3.2驗算方法

當隧道支護結構在穩定洞室過程中起主要作用、承擔外部荷載較明確、自重荷載可能控制結構強度時，宜采用荷載-結構法進行內力計算，并對其極限狀態進行校核［5］。

由于VI級圍巖基本無自承能力，采用荷載-結構法計算較為合適。計算軟件采用我院自編的程序，根據平面彈性有限元原理，把隧道的初支和二襯離散為由梁單元組成的平面桿系，圍巖對初支和二襯的作用通過只受壓不受拉的桿單元來模擬。計算時荷載考慮圍巖壓力及混凝土收縮徐變。圍巖和襯砌材料參數參考地質勘察報告和 《公路隧道設計細則》，參數選取如表1和表2所示。

根據公路隧道設計手冊［6］，對于VI級圍巖襯砌，初期支護的承載能力應大于設計總荷載30%，二次襯砌承載能力應大于設計總荷載80%。為保證施工過程的安全，本文取初期支護荷載分擔值為50%，二次襯砌荷載分擔值為80%。

表1　圍巖參數表

表2　襯砌參數表

3.3荷載確定

根據公路隧道設計規范［7］，計算得到VI級圍巖的荷載等效高度：

q=0.45×2S-1×［1+i（B-5）］=0.45×32×1.75=25.2m

根據縱斷面設計圖，右洞VI級圍巖最大埋深為25m，樁號為YK1+580，左洞 VI級圍巖最大埋深為16m，樁號為ZK1+560。左右洞最大埋深均小于荷載等效高度，為超淺埋，故選取YK1+580斷面為典型計算截面，其荷載分布如圖3所示。

q=γh=375kN/m

頂部側壓力為：

e1=γh×tan2（45°-φc/2）=125kN/m底部側壓力為：

e2=γ（h+Ht）×tan2（45°-φc/2）=175kN/m

圖3　荷載分布圖

3.4初期支護受力分析及截面強度驗算

按荷載分擔值50%考慮，計算得到的初期支護軸力如圖4和圖5所示。由圖可知，初期支護彎矩較大的節點分別為13（拱頂）、7（左拱腰）、19（右拱腰）、36（左拱腳）、26（右拱腳）、28和34（仰拱），這些節點均應進行截面強度驗算，并在施工中給予足夠的重視。

圖4　初期支護軸力分布圖

圖5　初期支護彎矩分布圖

圖6　鋼支撐有效配筋面積示意

在進行初期支護截面強度驗算時，將嵌在噴混凝土中的鋼支撐看成是對噴混凝土的配筋［8］，將C25噴混凝土＋鋼支撐的聯合承載體看作鋼筋混凝土，該簡化方法較合理地考慮了C25噴混凝土＋鋼支撐的聯合承載作用。鋼支撐、鋼筋網對噴射混凝土都有加筋作用，計算時偏于安全將工字鋼翼緣附近的部分作為有效配筋面積，如圖6所示，而腹板、鋼筋網則作為安全儲備。對于工22b型鋼，每榀有效配筋面積為29.52cm2，則每延米有效配筋面積為59.04cm2。

表3給出了初期支護危險截面的安全系數，最小值為2.11（右拱腳）。根據 《公路隧道設計規范》［7］，驗算施工階段的強度時，噴射混凝土最危險單元的安全系數應為2.0×0.9=1.8。因此，北門隧道VI級圍巖初支結構滿足安全性要求。

表3　初期支護危險截面安全系數

3.5二次襯砌受力分析及截面強度驗算

二次襯砌荷載分擔系數取0.8，計算得到的二襯軸力計算結果如圖7和圖8所示。由圖可知，二襯危險截面位置與初期支護比較接近，由于其荷載分擔系數較大，軸力值明顯大于初期支護。

表4給出了二次襯砌危險截面的安全系數，最小值為2.45，發生在拱頂位置。根據《公路隧道設計規范》［7］，二次襯砌最危險單元的安全系數應為2.0。因此，北門隧道VI級圍巖二襯結構同樣滿足安全性要求。

圖7　二次襯砌軸力分布圖

圖8　二次襯砌彎矩分布圖

表4　二次襯砌危險截面安全系數

4　結論

本文以福建省順邵高速公路北門隧道為例，采用工程類比和荷載-結構法綜合確定其VI級圍巖襯砌的支護參數，對初期支護和二襯截面強度進行了驗算，得出以下結論：

（1）襯砌支護參數設計是軟巖隧道設計的重中之重，應嚴格按照規范和細則的要求進行結構計算。

（2）荷載-結構法計算結果表明，在軟巖荷載作用下，初期支護和二次襯砌彎矩較大值發生在拱頂、左右拱腰、左右拱腳和仰拱部位，這些部位在施工中應給予足夠的重視。

（3）截面驗算結果表明，北門隧道VI級圍巖初期支護危險截面的最小安全系數為2.11，二次襯砌危險截面的最小安全系數為2.43，均大于規范規定值，滿足工程安全性要求。

［1］關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］方貽立，李睿哲，陳建平，等.軟巖隧道大變形機理分析［J］.華東公路，2013，6：56-59.

［3］關巖鵬，黃明利，彭峰，等.大斷面軟巖隧道新意法加固參數研究［J］.公路交通科技，2013，30（3）：105-110.

［4］李勇峰，孫洋，徐穎，等.軟巖隧道大變形機理及支護參數優化分析［J］.施工技術，2013，42（23）：78-81.

［5］廖朝華，郭曉紅.公路隧道設計手冊［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［6］田志宇，鄧承波，林國進.隧道塌方處治支護參數選取 ［J］.鐵道建設，2012，06：54-57.