基于優(yōu)化公路隧道初期支護(hù)參數(shù)的安全儲備分析

徐華超

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

對于Ⅳ級圍巖公路隧道來說，其初期支護(hù)結(jié)構(gòu)需承受總應(yīng)力的60%～75%，如初期支護(hù)參數(shù)設(shè)計安全儲備不足或過高將造成公路隧道設(shè)計無法兼顧施工安全與施工成本[1]。該文主要研究公路隧道初期支護(hù)變形，根據(jù)施工實地檢測與數(shù)據(jù)分析支護(hù)錨桿、預(yù)留變形量、鋼拱架對隧道初期支護(hù)安全儲備的影響，旨在更好地進(jìn)行公路隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

某公路隧道施工區(qū)域為侵蝕、溶蝕地貌、節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖體破碎。隧道全長2 343 km，全程依次分布Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級圍巖，其中Ⅳ級圍巖區(qū)段總長1 235 m，因此，該文主要研究Ⅳ級圍巖段公路隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化。該段隧道埋深223～228 m，以中風(fēng)化石灰?guī)r為主，巖體較破碎，是整個Ⅳ級圍巖段的典型區(qū)段。

1.2 初期支護(hù)設(shè)計參數(shù)

對隧道右幅YK9+870區(qū)域采用工程類比法設(shè)計初期支護(hù)方案：1）噴射厚度23 cm的混凝土C30；2）采用長4 m的C20支護(hù)錨桿，縱向、環(huán)向間距分別為95 cm、135 cm；3）鋼筋直徑Ф6.5、鋼筋網(wǎng)布設(shè)尺寸為30 cm×30 cm；4）鋼拱架采用I16工字鋼，布設(shè)間距90 cm；5）8 cm預(yù)留變形量。通過上下臺階開挖方式同步開挖隧道雙洞[2]。若隧道右幅開挖至YK9+865-875區(qū)段，左洞挖斷面處于右洞前端15 m處。按照公路隧道工程設(shè)計規(guī)范及施工資料，初期支護(hù)材料力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 支護(hù)材料的力學(xué)指標(biāo)

2 初期支護(hù)參數(shù)現(xiàn)場狀態(tài)

2.1 安全儲備

支護(hù)結(jié)構(gòu)強度或剛度超出閾值時會損壞，故應(yīng)事先設(shè)置充足的安全儲備，以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。安全儲備可通過下列公式計算：

式中，f——支護(hù)結(jié)構(gòu)強度的安全儲備；A——支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力最大值；B——支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)力；f ′——支護(hù)結(jié)構(gòu)變形安全儲備；A′——支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留變形量；B′——支護(hù)結(jié)構(gòu)極限變形量。

2.2 試驗方案

為深入研究初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷分布及變化情況，確定適當(dāng)?shù)陌踩珒洌谒淼繷K9+870區(qū)段截面檢測錨桿、鋼拱架的軸力、結(jié)構(gòu)變形，傳感器布設(shè)如圖1所示。

圖1 傳感器的布設(shè)

2.3 公路隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷特征

2.3.1 變形情況

基于總變形量、變形速率判斷施工安全程度。

（1）D測點的結(jié)構(gòu)總變形及變形速率如表2所示，變形量與時間成正比，最終的總變形為4.84 m。

表2 初期支護(hù)變形測試結(jié)果

（2）E測點的結(jié)構(gòu)總變形與時間成反比，最終總變形為-0.57 mm。

（3）該公路隧道先開挖左洞再開挖右洞，實地檢測數(shù)據(jù)如圖2所示，隧道頂部圍巖體對初期支護(hù)的壓力與時間成正比，測點D、E處的變形朝隧道外邊沿收斂，隧道拱頂部位變形為5.7 m，此時變形趨于穩(wěn)定，變形速率低于0.05 mm/d，相應(yīng)的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形安全儲備為94%；E測點安全儲備99.4%；D測點變形朝外側(cè)收斂，無需安全儲備。

圖2 公路隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)總變形

2.3.2 錨桿應(yīng)用效果

設(shè)置系統(tǒng)錨桿，增加隧道圍巖的抗拉能力及抗剪性能[3]。

（1）錨桿軸向應(yīng)力測試結(jié)果見表3，隧道拱頂測點A位置的錨桿存在最大值5.5 MPa的軸向壓應(yīng)力；隧道左拱肩B點處存在最小值3.3 MPa的軸向應(yīng)力；隧道拱腰測點E處存在最大值22.6 MPa的錨桿軸向應(yīng)力。

表3 錨桿軸向應(yīng)力測試結(jié)果

（2）錨桿受力較小，拉應(yīng)力最大值只有鋼材強度最大值的7.7%，支護(hù)系統(tǒng)錨桿強度安全儲備為92.5%。

2.3.3 隧道初期支護(hù)拱架應(yīng)力

構(gòu)建隧道初期支護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，提高其初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)承載性能。實地檢測數(shù)據(jù)見表4，拱頂測點A處的鋼拱架最大121.4 MPa的軸向壓應(yīng)力，鋼材極限強度大于鋼拱架最大壓應(yīng)力。

表4 鋼拱架的軸向應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

3 初期支護(hù)載荷狀態(tài)及參數(shù)設(shè)計優(yōu)化

3.1 模型構(gòu)建

構(gòu)建計算模型分析公路隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷分布情況，具體如圖3所示。

圖3 公路隧道開挖截面計算模型

通過彈性地基對隧道襯砌內(nèi)力分析，地基彈簧抗力可通過下列公式計算：

式中，F(xiàn)n——法向彈簧抗力；Fs——切向彈簧抗力；Kn——隧道圍巖結(jié)構(gòu)的法向彈性抗力系數(shù)；Ks——切向彈性抗力系數(shù)，計算公式如下：

式中，K+、K-分別表示壓縮區(qū)抗力系數(shù)、拉伸區(qū)抗力系數(shù)，設(shè)。將初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼拱架等效為等厚度的混凝土，根據(jù)等效原則疊加剛度，計算公式如下:

式中，E——等效彈性模量；E1——混凝土彈性模量；I1——慣性矩；E2——鋼拱架彈性模量；I2——慣性矩；按照公路隧道工程設(shè)計規(guī)范和施工勘測數(shù)據(jù)獲得計算數(shù)值，具體見表5。

表5 數(shù)值計算參數(shù)

3.2 初期支護(hù)變形特征

根據(jù)公路隧道初始支護(hù)的數(shù)值計算模型分析可知水平方向變形集中于上臺階處，峰值2.336 8 mm，只占變形裕量的3.1%。隧道拱頂處的豎直方向變形最大，為9.272 3 mm；隧道拱底部位變形較小，只有0.195 9 mm，安全儲備為88.5%，拱底變形小。

3.3 隧道初期支護(hù)受載力學(xué)性能

如圖4所示，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受載荷時，對稱分布的彎矩最大值42.54 kN·m在拱頂處，彎矩最小值-36.79 kN·m在拱肩處。

圖4 初期支護(hù)軸載力學(xué)性能

該公路隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)剪力以隧道軸線左右兩側(cè)對稱。左拱腳最大剪力為137.99 kN，右拱腳最小剪力為-137.99 kN。施加載荷時，軸向力對稱，拱頂部位的軸向力最小為640.58 kN，拱底部位的軸向力最大，為992.36 kN。

3.4 安全性評估與支護(hù)優(yōu)化

3.4.1 安全性評估

運用工程類比法測得的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留變形量為8 cm，實測變形最大值為5.7 mm，存在93%的變形安全儲備。

通過計算分析，可知該公路隧道的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形為9.27 mm，安全儲備88.5%。綜上所述，預(yù)留變形量安全儲備充足，優(yōu)化余地很大。

3.4.2 隧道初期支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)公路隧道施工現(xiàn)場試驗及數(shù)值模型分析結(jié)果可知其初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全儲備過大，現(xiàn)有初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理，可從以下方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）該項目系統(tǒng)錨桿應(yīng)力低于極限強度的7.7%，無法有效提高初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，取消錨桿后初期支護(hù)變形、安全儲備變化都在0.1%以內(nèi)，因此，該公路隧道可取消系統(tǒng)錨桿。

（2）該公路隧道頂板的實測軸向應(yīng)力僅為抗拉強度的36.6%。在其他襯砌參數(shù)不變的情況下，隧道頂板間距從0.8 m增加到1.5 m，最大軸向應(yīng)力增加0.4%，變形安全儲備降低2.85%，故鋼拱架間距可提升至1.5 m。

（3）基于該公路隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)實測結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果，其變形量最大值不應(yīng)超過1 cm。對于微中風(fēng)化石灰?guī)r隧道，在支護(hù)方式不變的情況下，預(yù)留變形量減少6 cm，能顯著減少開挖運輸工程量。

3.4.3 優(yōu)化前后隧道測試結(jié)果對比

設(shè)置試驗段，為檢驗數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，增加25%錨桿間距，詳細(xì)測試數(shù)據(jù)見表6，初期支護(hù)系統(tǒng)錨桿優(yōu)化前后，其結(jié)構(gòu)的變形、鋼拱架應(yīng)力變化均低于8.5%。荷載特性與數(shù)值計算結(jié)果基本一致，計算結(jié)果可靠。

表6 優(yōu)化前后隧道測試結(jié)果對比

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)實測結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果可知該公路隧道當(dāng)前參數(shù)設(shè)計不合理需進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)值計算分析了系統(tǒng)錨桿、拱架、預(yù)留變形量與安全儲備的關(guān)系，為支護(hù)方案及參數(shù)設(shè)計優(yōu)化提供可靠依據(jù)，得出以下結(jié)論：

（1）數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果大體吻合，證明計算結(jié)果具有較高的可靠性，初期支護(hù)方案滿足安全要求，有較大的優(yōu)化余地。

（2）結(jié)合實測結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形為88.5%的安全儲備，錨桿、鋼拱架的最大軸向應(yīng)力分別有92.5%。63.6%的安全儲備，遠(yuǎn)低于鋼極限強度。

（3）對于中風(fēng)化石灰?guī)r隧道，在保證初期支護(hù)質(zhì)量、安全儲備的情況下，可取消錨桿。因為取消錨桿后安全儲備降低小于0.1%，同時可增加87.6%拱架間距，將鋼架尺寸減小17.8%時，安全儲備降低不到3%。安全影響可控，預(yù)留變形減小6 cm后安全儲備依然有53.7%，可降低挖掘和運輸成本。

（4）初始支護(hù)體系橫向錨桿間距優(yōu)化為25%，受荷效應(yīng)變化在9%以內(nèi)，與數(shù)值計算結(jié)果基本吻合，數(shù)值計算結(jié)果可靠。