雙線鐵路隧道初期支護形式優(yōu)化研究

趙治治

摘要：本文以渝懷鐵路增建二線新四方沱隧道為背景，利用有限差分強度折減研究了隧道無支護時圍巖穩(wěn)定性。基于數(shù)值計算結果提出了初期支護優(yōu)化形式，取消了錨桿支護并應用于現(xiàn)場。結果表明，優(yōu)化后的初期支護中噴射混凝土最大壓應力為其極限抗壓強度的44.5%，其抗壓性能得到更充分的利用;鋼架的壓應力是鋼材極限抗壓強度的50%，鋼架與噴射混凝土均有足夠的安全余量。現(xiàn)場監(jiān)測結果驗證了該優(yōu)化方案的安全性與可行性。該方案已在新建渝懷鐵路新四方沱隧道中推廣。

Abstract： Based on new Sifangtuo tunnel of the newly-added railway line Yuhuai railway， strength storage of rock mass is calculated using the strength reduction method as the stability index of the rock mass. According to numerical results， optimization is proposed to cancel the rock bolts and use in the field practise. The results show that maximum compressive pressure is the 44.5% of the limit compressive strength in the primary support. The compressive performance was sufficiently employed. The compressive stress of the girders is the 50% of the limit compressive strength. The safety abundance of the girders and shotcrete is enough.. Field test proves the safety and feasibility of the optimization plan. The optmized plan has been used in new Sifangtuo tunnel.

關鍵詞： 初期支護;強度折減法;現(xiàn)場監(jiān)測;優(yōu)化設計

Key words： primary support;strength reduction method;site monitoring;optimization design

中圖分類號：U456? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）16-0072-04

0? 引言

目前鐵路隧道結構設計采用工程類比法[1]，基于不同的圍巖分級理論：①Bieniawski的巖體完整性指標RMR[2，3];②挪威法中的Q圍巖分級法[4-7];③Hoek等地質強度指數(shù)（GSI）指標圍巖分級法[8，9]。國內隧道設計規(guī)范在巖體完整性基礎上作了相關修正[10，11]，但并未考慮隧道圍巖的強度;力學模型采用泰沙基的塌落拱理論計算荷載，作用于結構上計算結構的安全系數(shù)。該方法的優(yōu)點在于能夠計算出明確的結構安全系數(shù)，缺點在于忽略了圍巖的承載能力。因此，國內諸多學者在考慮圍巖自承能力的基礎上對初期支護進行了優(yōu)化[14-18]。本文基于數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測研究了在新四方沱隧道施工中取消初期支護錨桿的可行性。

1? 工程概況

本文以新建渝懷鐵路新四方沱隧道為依托。隧道位于重慶市彭水縣郁山鎮(zhèn)境內，中心里程ZDK253+327.5，進口里程：ZDK252+660，出口里程：ZDK253+995，全長1335m，最大埋深約100m。優(yōu)化以Ⅳ級與Ⅴ級圍巖段為研究對象，設計支護參數(shù)如表1所示。支護形式為噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網與格柵鋼架。對于Ⅳ級圍巖，噴射混凝土（C25）厚度為22cm;系統(tǒng)錨桿長度3m，間距1.2m×1.0m;拱墻設置鋼筋網，直徑8cm，尺寸25cm×25cm;格柵鋼架（四肢C22（h=150mm）），置于拱墻，間距1m。對于Ⅴ級圍巖，噴射混凝土（C25）厚度為30cm;系統(tǒng)錨桿長度3.5m，間距1.0m×0.8m;拱墻設置鋼筋網，直徑8cm，尺寸20cm×20cm;格柵鋼架（四肢C22（h=220mm）），置于全環(huán)，間距0.5m。

2? 洞室圍巖強度儲備分析

本文應用FLAC3D有限差分軟件對圍巖的粘聚力與內摩擦角進行折減，研究了無支護時隧道的強度儲備。選取ZDK252+690與ZDK252+860斷面進行計算，圍巖采用摩爾庫倫準則。數(shù)值計算模型如圖1所示，地層主要有粉質黏土與不同風化程度的花崗巖，其中粉質黏土為1號圍巖，全風化、強風化、中風化花崗巖分別為2號、3號、4號圍巖，它們的圍巖力學參數(shù)如表1所示。隧道四周為水平位移固定FIX邊界，底部為豎向與水平固定FIX邊界，頂部為自由邊界。模型左、右與底部為隧道跨度的5倍。圍巖力學參數(shù)如表1所示。以位移突變?yōu)榕袛鄧鷰r破壞的標志，位移突變計算結果如圖2所示。由圖2可知，強度折減法計算Ⅳ級與Ⅴ級圍巖的安全系數(shù)分別為：2.59與1.87，均大于1.0，計算結果說明圍巖有一定強度儲備。

3? 初期支護優(yōu)化設計及現(xiàn)場試驗

3.1 優(yōu)化設計

由數(shù)值模擬結果可知，圍巖自身具有一定強度儲備。目前，原設計的支護結構為四種結構組合的形式（噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網與格柵鋼架），在施工過程中由于不利于平行作業(yè)，且安全度冗余較高，因此，研究擬取消系統(tǒng)錨桿。優(yōu)化后初期支護方案為：對于Ⅳ級圍巖，噴射混凝土（C25）厚度為22cm;拱墻設置鋼筋網，直徑8cm，尺寸25cm×25cm;格柵鋼架（四肢C22（h=150mm）），置于拱墻，間距1m。對于Ⅴ級圍巖，噴射混凝土（C25）厚度為30cm;拱墻設置鋼筋網，直徑8cm，尺寸20cm×20cm;格柵鋼架（四肢C22（h=220mm）），置于全環(huán)，間距0.5m。

優(yōu)化的初期支護方案后，將其用于試驗段，監(jiān)測了未優(yōu)化段的系統(tǒng)錨桿受力與優(yōu)化段的噴射混凝土、鋼架受力如圖3-圖5所示。監(jiān)測元件如圖6所示。

3.2 監(jiān)測結果

3.2.1 未優(yōu)化段錨桿軸力

錨桿軸力監(jiān)測結果如圖6所示。由圖6可知：①錨桿受力較小，與設計假定的塌落拱荷載下的錨桿受力分布不同;②錨桿最大拉力為30kN，錨桿極限抗拉力為198kN，最大拉力僅為強度的15%，錨桿鋼材性能利用率低。施工中先施做格柵鋼架，控制圍巖變形，再施做錨桿。由監(jiān)測結果可知錨桿受力較小，承受圍巖形變壓力較低。

3.2.2 噴射混凝土應力分析

噴射混凝土應力監(jiān)測結果如圖7、圖8所示。由圖7～圖8可知，噴射混凝土全環(huán)受壓，最大壓應力為10.78MPa，是混凝土極限抗壓強度的44.5%，在充分利用混凝土抗壓性能的同時仍有足夠的安全余量。

3.2.3 鋼架應力分析

鋼架應力監(jiān)測結果如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可知：①格柵鋼架全環(huán)受壓;②格柵鋼架最大壓應力為200.12MPa，鋼材的屈服強度為400MPa，鋼架仍然有足夠安全儲備。

3.3 小結

由監(jiān)測結果可知，在初支結構中取消錨桿后，鋼架與噴射混凝土內力有所增加，但是仍有足夠強度儲備，現(xiàn)場試驗段驗證了優(yōu)化的合理性與可行性。

4? 結論

本文運用數(shù)值模擬方法得到圍巖強度儲備，基于此對初期支護進行優(yōu)化并運用于得到以下結論：①基于連續(xù)介質理論，現(xiàn)有隧道圍巖有一定強度儲備。②縮減原設計中作用有限的錨桿，減少工序，提高施工效率。③通過現(xiàn)場監(jiān)測得到噴射混凝土與鋼架的材料性能利用率均有提高，且安全系數(shù)仍有保證。取消錨桿的初期支護優(yōu)化取得成功。

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