基于BQ指標的砂質深埋單線鐵路隧道圍巖荷載研究

李繼剛

摘 要：圍巖荷載對隧道支護結構設計至關重要，現行規范所給圍巖荷載計算方法主要針對松弛（塌方）荷載，且對深埋單線鐵路隧道而言，其荷載值僅與圍巖級別因素相關，無法滿足支護結構精細化設計需求，本文以砂質深埋單線鐵路隧道作為研究對象，通過對圍巖實測荷載進行統計分析，建立了基于BQ值指標的圍巖荷載計算方法，為隧道支護結構針對性設計起到了積極的指導和借鑒之用。

關鍵詞：砂質圍巖;深埋;單線鐵路隧道;BQ指標;圍巖荷載確定方法

1 緒論

圍巖荷載是隧道支護結構承受的主要荷載類型，對隧道支護結構設計至關重要，因此，關于圍巖荷載的研究歷來就受到工程界人士的重視。我國現行鐵路隧道設計規范中給出的圍巖荷載計算方法，主要是依據圍巖級別、隧道埋深、隧道段面尺寸等要素進行計算，但需要指出的是，規范中圍巖荷載類型主要為松弛（塌方）荷載，這與當時我國隧道支護水平是緊密相關的。隨著我國隧道支護技術水平的不斷提升，隧道及時支護成為了現實，故隧道支護所承圍巖荷載類型隨之也發生了本質改變，即由松弛（塌方）荷載轉變為形變荷載，在此背景下，研究形變荷載逐漸成為當今隧道圍巖荷載研究的主流趨勢。

砂質圍巖在我國分布較為廣泛，是隧道工程建設中常見的一種地質類型，我國現行鐵路隧道設計規范中，將砂質圍巖主要分為Ⅳ、Ⅴ級兩種圍巖級別，因此，對于深埋單線鐵路隧道而言，其圍巖荷載依據現行隧道規范公式只能獲取兩檔圍巖荷載數值，但在工程實踐中，因砂質圍巖物理力學參數范圍較廣，僅采用兩檔圍巖荷載值指導隧道支護結構設計無法滿足工程實踐中支護精細化設計需求，鑒于此，本文借鑒現行隧道規范中BQ值思想，通過對國內多座砂質深埋單線鐵路隧道圍巖壓力實測值進行統計分析，建立了基于BQ指標的砂質深埋單線鐵路隧道圍巖荷載計算方法，以為指導砂質深埋單線鐵路隧道支護結構精細化設計提供參考和借鑒作用。

2 圍巖荷載樣本獲取及處理

2.1 圍巖荷載樣本獲取

通過對我國砂質單線鐵路隧道進行廣泛調研，共獲取9座砂質單線鐵路隧道27個深埋地段監測斷面的圍巖壓力實測樣本值，9座隧道的工程概況詳見表1所示。

2.2 圍巖荷載樣本處理

將各監測斷面各監測部位處圍巖接觸壓力實測穩定值作為本次統計分析的圍巖荷載樣本值對象，由于各監測部位圍巖接觸壓力實測值為隧道徑向壓力值，因此，參照現行隧道規范圍巖荷載分布模式，需將各部位徑向壓力值轉化為均布值，處理過程如下：

2.2.1 圍巖荷載轉換計算

對于每個測試斷面，拱頂處的荷載為豎向荷載，無水平荷載;拱腳處荷載為水平荷載，無豎向荷載;拱肩處荷載方向與水平方向夾角近似成45°，近似指向拱軸線圓心，故左拱肩處的垂直荷載為F11=F1×2/2，右拱肩處的豎向荷載為F21=F2×2/2，左端三角區域底邊長為L1=R×（1-2/2），中間梯形的高為L2=R×（2/2）。

隧道總荷載等于各區域荷載之和，均布荷載等于總荷載除以跨度。計算簡圖見圖1。

2.2.2 圍巖荷載對應的BQ值計算

為獲取各監測斷面圍巖質量指標BQ值，依據各監測斷面對巖石堅硬程度、巖體完整程度等指標的測試及描述分析，參照現行規范中BQ值計算公式，獲取各監測斷面所對應的BQ計算值。BQ值計算公式見式1。

3 圍巖荷載計算方法回歸分析

以表2中砂質深埋單線鐵路隧道圍巖荷載樣本值為基礎，繪制圍巖荷載隨BQ值間變化關系曲線，詳見圖2。基于圍巖荷載與BQ值間相關性關系曲線，采用回歸分析方法，分別分析豎向荷載、水平荷載與BQ值間擬合式，結果見表3。

對比表3中相關性系數可知，豎向荷載和水平荷載均以采用指數形式回歸時相關性最大，因此，砂巖深埋單線鐵路隧道圍巖荷載計算公式建議采用指數型擬合公式，具體為：

（1）豎向荷載：q=874.86×e-0.01BQ（式2）

（2）水平荷載：q=1829.6e-0.021BQ（式3）

4 圍巖荷載計算方法工程驗證

為驗證圍巖荷載計算方法的可靠性，以新疆某砂巖深埋單線鐵路隧道為對象，對其開展工程驗證。驗證采用數值方法進行，應用荷載-結構計算模型，分別采用規范圍巖荷載計算值、本文圍巖荷載計算值進行計算，通過對支護結構內力及安全系數計算結果分別與現場實測值結果進行對比分析，結果詳見圖3所示。

通過對比分析可知，擬合公式計算的彎矩值和軸力值比實測值大，比規范公式計算值小;安全系數實測值最大，擬合公式計算結果居中，規范公式計算結果最小。因此，擬合公式計算結果較之規范計算結果更加趨于工程實際，說明了本文研究成果具有一定的合理性。

5 結語

圍巖荷載對指導隧道支護結構設計至關重要，現行隧道設計規范中所給圍巖荷載計算方法，以圍巖松弛（塌方）荷載為對象，且對深埋單線鐵路隧道而言，荷載計算值僅以圍巖級別作為主要影響因素，無法滿足工程實踐中支護結構精細化設計的需求，本文以砂質深埋單線鐵路隧道圍巖實測荷載為基礎，通過對圍巖實測荷載樣本進行統計分析，建立了基于BQ值的圍巖荷載計算方法，可實現不同圍巖狀態下圍巖荷載值的精準計算，成果通過典型工程實例驗證，具有較好的可靠性，為隧道支護結構針對性設計起到了積極的參考和借鑒作用。

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