公路隧道初期支護參數優化下安全儲備分析

謝清忠， 劉東東， 傅鶴林， 張蒙， 秦龍飛

(1.中交第四公路工程局有限公司， 北京 100022；2.中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

Ⅳ級圍巖隧道初期支護承擔55%～70%的應力釋放，確保初期支護安全是隧道設計和施工的關鍵。目前公路隧道設計多采用工程類比法，結構受荷特征與現場實效匹配不足使初期支護安全儲備難以掌控，時常出現初期支護安全儲備缺乏和安全儲備過高的情況，導致隧道設計安全和經濟失衡。

目前對隧道初期支護優化的研究主要集中在隧道系統錨桿方面，對拱架、砼和鎖腳錨桿的研究較少。文獻[4-6]認為，對于黃土等軟弱圍巖隧道，系統錨桿對隧道穩定性的影響小，取消系統錨桿可使隧道盡早形成完整的支護結構；文獻[7]認為在巖體隧道中可取消系統錨桿；文獻[8-9]對系統錨桿長度、間距、范圍進行了優化，但對于巖體隧道初期支護安全儲備量化和能否取消系統錨桿尚不明確；文獻[10-11]認為可通過減小拱架間距、改變鋼拱架型號甚至取消鋼拱架對隧道初期支護進行優化；文獻[12-13]認為可通過改變噴射砼厚度和強度等級優化隧道初期支護，但對于預留變形量的優化研究較少。上述研究對于隧道初期支護優化較為系統，但就初期支護參數優化下安全儲備量化問題仍需進一步研究。該文結合江玉(江口—玉屏)高速公路香樹坳隧道，針對隧道開挖過程中初期支護變形和受荷力學效應，結合現場測試和數值計算，對隧道初期支護變形、錨桿軸力和拱架應力進行分析，從系統錨桿、預留變形量和鋼架3個方面對Ⅳ級圍巖隧道初期支護安全儲備進行研究，為隧道初期支護參數優化提供依據。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

香樹坳隧道位于貴州省江口縣，地處云貴高原向湘西丘陵過渡的斜坡地帶，屬低山構造溶蝕侵蝕地貌，線路總體地勢西北低、東南高。隧址區的地層由新至老分別為第四系殘坡積層、第四系崩坡積層、寒武系下統變馬沖組、寒武系下統清虛洞組、寒武系下統杷榔組。隧道區段地質構造復雜，巖體較破碎，節理裂隙較發育。

右洞起止里程樁號為YK7+555—YK9+242，長1 687 m，進口設計路面高程513.83 m，出口設計路面高程560.50 m。隧道起止依次通過Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級圍巖，其中Ⅳ級圍巖區段長1 120 m，占總長度的66.4%，故針對Ⅳ級圍巖段右幅YK8+864—874進行研究。該段隧道埋深212～217 m，主要由弱風化鈣質頁巖構成，巖體破碎，節理裂隙發育，在整個隧道Ⅳ級圍巖區段具有較好的代表性。測試斷面見圖1，弱風化鈣質頁巖參數見表1。

表1 弱風化鈣質頁巖的參數

圖1 香樹坳隧道右幅縱斷面(單位：m)

1.2 初期支護設計參數

基于工程類比法，右幅YK8+869處初期支護采取C25噴射砼(厚度22 cm)、C20系統錨桿(長度3 m，縱向間距×環向間距80cm×120cm)、φ6.5鋼筋網(25 cm×25 cm)、I16工字型鋼拱架(間距80 cm)、預留8 cm變形量的方案(見圖2)。該隧道采用上下臺階法開挖，雙洞同時開挖，右幅開挖至YK8+864—874區段時，左洞開挖斷面位于右洞前方20 m處。

圖2 隧道支護方案(單位：cm)

依據JTG/T D70-2010《公路隧道設計細則》、JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》及設計資料，支護材料的物理力學參數見表2。

表2 支護材料的物理力學參數

2 初期支護參數現場狀態觀測與分析

2.1 安全儲備

當結構構件強度或剛度超過極限承載力時，構件將發生破壞。因此，需預留一定量的安全儲備保證結構構件安全。安全儲備定義如下：

(1)

(2)

式中：f為結構強度安全儲備；A為結構極限承載力；B為結構應力最大值；f′為變形安全儲備；A′為預留變形量；B′為最大變形量。

2.2 測試方案

為明晰該隧道Ⅳ級圍巖區段初期支護受載特征，精確隧道初期支護安全儲備，在YK8+869斷面測試初期支護錨桿軸力、初期支護鋼架軸力、初期支護變形。測試位置見圖3。

圖3 傳感器布設位置

2.3 隧道初期支護結構的受荷特征

2.3.1 初期支護變形特征

初期支護累計變形量和變形速度是判定隧道施工安全性的關鍵指標。如表3所示，測點D處初期支護累計變形隨時間增加而增大，最終累計變形穩定在4.74 mm，平均速率隨時間推移先減少后略微增加，測試結束時穩定在0.047 mm/d；測點E處初期支護累計變形隨時間增加先增大后減少，最終變形穩定在-0.57 mm，初期支護變形速率先增大后減少，26 d后穩定在0.023 mm/d。

表3 初期支護變形測試結果

由于該隧道左洞開挖先于右洞，左側圍巖受施工爆破影響而松散，隧道測試斷面初期支護向左位移，支護5d后測點D向外變形3.77mm，測點E向隧道內側產生1.47 mm變形(見圖4)。隨著時間推移，隧道頂部松散圍巖體對初期支護的豎向壓力增強，D、E兩處變形向隧道外側收斂，拱頂變形為5.6 mm時變形速率小于0.05 mm/d，初期支護變形趨于穩定。拱頂處變形安全儲備為93%；測點E初期支護變形安全儲備最大，為99.3%；測點D初期支護變形向外收斂，不需考慮該處變形安全儲備。

圖4 初期支護累計變形(單位：mm)

2.3.2 系統錨桿錨固效果

在隧道環向施加系統錨桿并利用錨固劑與圍巖咬合，提高圍巖的抗拉抗剪能力，進而提高圍巖的自穩能力。系統錨桿受力狀態作為初期支護的重要安全指標，錨桿受荷特性可客觀反映圍巖自身的自穩能力及圍巖與錨桿之間的錨固效果。如表4所示，在隧道拱頂A處錨桿軸向應力為壓應力，最大值為5.4 MPa；其余四處錨桿軸向應力為拉應力，左拱肩B處軸向應力最小，為3.2 MPa；拱腰E處錨桿軸向應力最大，為22.5 MPa。總體來看，隧道系統錨桿受力不大，最大拉應力僅為鋼材極限強度的7.6%，系統錨桿強度安全儲備為92.4%。表明工程類比法得到的系統錨桿設計參數在實際受荷狀態中

表4 錨桿軸向應力測試結果

作用不明顯，安全儲備優化空間較大。

由于隧道圍巖節理，右側錨桿軸向應力大于左側錨桿軸向應力，可根據情況調整系統錨桿分布，使隧道兩側錨桿安全儲備均衡。

2.3.3 隧道初期支護拱架應力

拱架與噴射砼使隧道初期支護形成鋼筋砼，增強隧道初期支護受力承載性能。為方便分析拱架受力，將拱架應變計數據轉換為拱架軸向應力。如表5所示，隧道拱頂測點A處拱架應力最大，為120.3 MPa；右拱腰測點E處拱架應力最小，為20.6 MPa；拱架應力最大壓應力僅為鋼材極限強度的36.5%，拱架應力仍有63.5%的優化空間。

表5 拱架軸向應力測試結果

3 初期支護受載數值分析與參數優化

3.1 建立模型

為方便計算和分析隧道初期支護受荷特征，建立初期支護隧道模型(見圖5)。建模時作如下假設：1) 所有材料為均質、連續、各向同性，不考慮圍巖節理產狀；2) 模型中鋼拱架支護作用等效至初期支護砼中，不考慮鋼筋網和鎖腳錨桿的支護作用，將其作為安全儲備；3) 初期支護荷載分擔比按最不利狀態計算，取80%。

圖5 隧道斷面模型(單位：kN/m)

按彈性地基計算襯砌內力，地基彈簧抗力計算公式如下：

Fn=Kn·Un

(3)

Fs=Ks·Us

(4)

式中：Fn、Fs分別為法向和切向彈簧抗力；Kn、Ks分別為圍巖法向和切向彈性抗力系數，分別按式(5)、式(6)計算。

(5)

(6)

計算時，將初期支護中的拱架等效為等厚度砼，并利用等效原則進行剛度疊加，公式如下：

EI1=E1I1+E2I2

(7)

式中：E為等效彈性模量；E1、I1分別為砼的彈性模量、慣性矩；E2、I2分別為拱架的彈性模量、慣性矩。

依據JTG/T D70-2010《公路隧道設計細則》、JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》及設計資料，數值計算參數見表6。

表6 數值計算參數

3.2 初期支護變形特征

如圖6所示，初期支護水平方向變形主要分布在上臺階，最大值為2.325 7 mm，僅為預留變形的2.9%；圍巖豎直方向變形在拱頂處最大，且距離拱頂越遠豎直方向變形越小，最大變形為9.261 2 mm，豎向變形具有88.4%的安全儲備；拱底處變形較小，僅為0.194 8 mm。在數值計算中未考慮隧道圍巖產狀，初期支護變形左右對稱，與實際檢測數據有所偏差，但相差不大。

圖6 隧道初期支護變形(單位：mm)

3.3 隧道初期支護受載力學性能

如圖7所示，初期支護受載時，彎矩左右對稱，拱頂彎矩最大，為42.43 kN·m；拱肩處彎矩最小，為-36.68 kN·m。初期支護剪力沿隧道中線左右兩側反對稱，左側拱腳剪力最大，為137.88 kN；右側拱腳剪力最小，為-137.88 kN。初期支護受載時，軸力左右對稱，拱頂處軸力最小，為640.47 kN；拱底處軸力最大，為992.25 kN。

圖7 初期支護軸載力學性能

3.4 安全性評估與支護優化

3.4.1 安全性評估

為保證隧道滿足凈空和結構尺寸要求，設計時需根據圍巖級別、斷面大小、埋置深度、施工方法和支護方式等設計預留變形量。在工程類比法中Ⅳ級圍巖兩車道隧道預留8 cm變形量，實測隧道最大變形為5.6 mm，仍有93%的變形安全儲備；利用數值計算得到初期支護最大變形為9.26 mm，具有88.4%的安全儲備。數值計算中按最大荷載分擔比進行計算，故變形比實測值大。總體上，隧道預留變形量安全儲備大，具有大量優化空間。

隧道施工中除構件剛度問題造成圍巖大變形帶來工程隱患外，構件強度問題也不容忽視。Q235鋼的極限強度為330 MPa，系統錨桿最大軸向應力為22.5 MPa，拱架最大軸向應力為-120.3 MPa，兩者均小于極限強度。且系統錨桿安全儲備為92.4%，受載后系統錨桿未能物盡其用；拱架強度為極限強度的36.5%，拱架安全儲備高。因此，強度方面，隧道支護構件滿足安全要求。

3.4.2 隧道初期支護優化

根據現場測試和數值計算結果，初期支護安全儲備大，設計過于保守，造成巨大的物力、財力浪費。可從以下方面進行優化：

(1) 該隧道系統錨桿受力不足極限強度的7.6%，系統錨桿對初期支護的貢獻小。通過數值計算對系統錨桿進行優化，單獨取消系統錨桿后初期支護變形和強度安全儲備變化小于0.1%，對于弱風化鈣質頁巖隧道，可取消系統錨桿。

(2) 隧道拱架實測軸向應力僅為極限強度的36.5%，保持其他支護參數不變，將拱架間距由0.8 m增加至1.5 m，最大軸向應力增加0.4%，初期支護變形安全儲備減少2.85%。單獨將初期支護中的工字鋼尺寸由I16優化至I14，拱架最大軸向應力增加0.3%，初期支護變形安全儲備減小2.24%。在保證隧道其他初期支護質量的前提下，可將拱架間距增加至1.5 m，也可在拱架間距保持不變時將拱架型號減小至I14。

(3) 綜合隧道實測和數值計算結果，初期支護最大變形不超過1 cm，對于弱風化鈣質頁巖隧道，保持初期支護形式不變可減少6 cm預留變形量，從而減少開挖量和運輸量。

3.4.3 優化參數差異性評估

數值計算方法和隧道模型偏理想化，部分參數合理性難以保證。為此，在隧道試驗段增加系統錨桿25%橫向間距，驗證數值計算的可靠性。

如表7所示，初期支護系統錨桿優化前后，初期支護變形和拱架應力變化均小于9%。考慮到測試誤差和數值計算的理想化，初期支護優化現場受荷特征與數值計算結果基本吻合，驗證了數值計算的可靠性。

表7 優化前后隧道測試結果對比

4 結論

通過現場測試和數值計算得出香樹坳隧道設計過于保守，存在優化空間，并利用數值計算從系統錨桿、拱架、預留變形量3個方面對支護優化下安全儲備進行分析，為弱風化鈣質頁巖隧道初期支護設計和參數優化提供參考。結論如下：

(1) 數值計算結果與實際測試結果差異小，在一定程度上互相驗證了數據的可靠性，說明香樹坳隧道初期支護滿足安全性要求，存在優化空間。

(2) 結合現場測試和數值計算結果，香樹坳隧道圍巖預留變形具有88.4%的變形安全儲備，系統錨桿和拱架最大軸向應力遠小于鋼材極限強度，且分別具有92.4%、63.5%的強度安全儲備。

(3) 在弱風化鈣質頁巖隧道中，在保證初期支護質量的前提下，取消系統錨桿對隧道安全儲備的影響不足0.1%；將拱架間距增加87.5%和單獨將鋼架尺寸減小17.7%，初期支護安全儲備變化均小于3%，對初期支護穩定性和安全性的影響在可控范圍內；初期支護變形不超過1 cm，將預留變形減小6 cm后安全儲備仍有53.7%，可節約開挖和渣土運輸成本。

(4) 初期支護系統錨桿橫向間距優化25%，初期支護受荷效應變化不超過9%，與數值計算結果的差異在合理范圍內，驗證了數值計算的可靠性。