礦山法隧道初期支護的受力特征分析及安全系數計算

鄧 君

(中鐵十一局集團第五工程有限公司,重慶 400000)

0 引言

新型技術的應用為隧道建設提供了技術支持,促進了隧道施工工藝的革新。對礦山法施工的鐵路隧道而言,需待初期支護與圍巖變形達到穩定之后方可施作二襯。從理論上來說,二襯僅作為安全儲備,初期支護在施作二襯前應承擔全部的圍巖作用,在此情況下設計的初期支護強度是否滿足承載要求需要進行相應的檢算。隧道的支護體系是保證隧道安全施工、運營及后期維護的關鍵要素,已成為學者的研究重點。陳建勛等[1]詳細介紹了基于收斂-約束法的隧道初支設計步驟,分析了其存在的主要弊端。張素敏等[2]通過有限元分析計算手段分析了不同埋深、圍巖等級下圍巖受力特征曲線。陳峰賓等[3]利用現場實際測量數據,分析了圍巖和初支結構的穩定情況。蘇永華等[4]通過并聯模型計算出復合式支護結構的內力分布特征曲線。張德華[5]等研究了型鋼鋼架和格柵鋼架的支護原理,提出了一種新型的適用于圍巖大變形的支護方式。劉士海[6]探討了型鋼鋼架和格柵鋼架的受力特點。王睿等[7]基于松動圈理論分析了隧道初期支護的時機。劇仲林[8]利用直接彈性抗力法簡化了支護受力的計算。趙晨陽等[9]基于數值模擬計算模擬了大變形風險隧道的初支內力分布。莊一舟等[10]基于室內試驗測量總結了初支鋼拱架初期的承載力學特性。

考慮到在襯砌施作前圍巖和初期支護共同承受全部或主要的圍巖壓力,設計的初期支護強度必須滿足承載要求。本研究以隧道的初期支護結構承擔所有的圍巖荷載作為模擬計算標準,計算了在Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下A隧道初期支護的受力特性及其各個部位的安全系數,根據內力分布的計算結果分析初支存在形變可能性的高風險區域,給出了相對應的初支施工過程控制建議。

新建M鐵路全長98.309 km,正線橋隧總長89.13 km,占線路長度的90.66%。A隧道全長4105 m,最大埋深355 m,進口段右側2 km為高速公路城關隧道。將A隧道的支護參數作為實驗數據,研究其初期支護的受力情況,計算其各個部位的安全系數,通過安全系數對支護的安全性能進行估計。

A隧道的隧址區屬云貴高原溶蝕-侵蝕構造低中山,整體地形連綿起伏,溝谷河流縱橫,隧址區絕對高程1620～2234 m,最大相對高差614 m。地貌受構造及巖性控制,砂、泥巖層薄,巖質較軟,多形成小槽溝、緩坡地形,灰巖層厚,巖質硬,多形成溶蝕殘丘、洼地等巖溶地貌。隧址區地面坡度10°～25°,隧道進口呈“凹”形陡坡,自然坡度30°～65°,緩坡地帶多為早地及荒坡,隧道出口山高坡陡,坡腳緩坡地帶處為密林,進出口附近均有鄉村公路通過,交通方便。

1 計算模型及參數

1.1 荷載-結構數學模型

荷載-結構法的設計原理認為在隧道完成開挖工序之后,巖層的作用主要是對支護結構產生荷載,初支和襯砌結構必須能安全可靠地承受住巖層壓力等荷載的作用。在結構受力計算時,通過按彈性地基上結構物的計算方法來分析隧道襯砌內力分布情況。以隧道的初期支護結構承擔所有的圍巖荷載作為模擬計算標準,利用荷載結構模型分析在不同圍巖等級下初期支護的受力情況及其安全性。在淺埋、深埋條件下,隧道初支承受的垂直圍巖壓力與水平圍巖壓力的分布情況分別如圖1、圖2所示。

圖1 淺埋條件主要荷載作用Fig.1 Main loading action under shallow buried conditions

圖2 深埋條件主要荷載作用Fig.2 Main loading action under deep buried conditions

荷載-結構法計算襯砌結構內力主要有以下步驟:確定隧道埋深;計算襯砌結構外荷載;基于荷載結構模型計算襯砌結構內力分布情況。

1)隧道深淺埋劃分。隧道深埋與淺埋的判定方法通過荷載等效高度值、考慮地質條件等因素,由式(1)來判定。

Hp=(2～2.5)hq

(1)

式中,Hp—隧道深淺埋分界的長度;hq—松動圍壓效荷載高度(m),計算方式為式(2):

hq=q/γ

(2)

式中,q—用式(3)計算出的深埋隧道垂直壓力;γ—圍巖容重。

新奧法隧道施工條件下,Ⅳ～Ⅵ級圍巖取Hp=2.5hq;Ⅰ～Ⅲ級圍巖取Hp=2hq。

2)深埋條件圍巖壓力計算方法。根據設計文件,在計算深埋條件下隧道的襯砌內力時,圍巖的壓力當作松散壓力來計算,其垂直和水平均布壓力可按下列規定取值計算:

垂直均布壓力按式(4)計算確定。

q=γhq

hq=0.33×2.720.6sω

(3)

式中,h—荷載等效高度;q—垂直均布壓力;γ—圍巖容重;ω—寬度影響系數,ω=0.2+0.1B;S—圍巖級別;B—隧道最大開挖跨度(m)。

水平均布壓力。Ⅰ～Ⅱ圍巖的水平均布壓力可按照0處理,Ⅲ圍巖的水平均布壓力取0.25 q,Ⅳ圍巖的水平均布壓力取(0.25～0.5)q。

3)淺埋條件圍巖壓力計算方法。地面基本水平的淺埋隧道所受的荷載基本具有對稱性。淺埋條件下的垂直和水平均布壓力可按下列方式計算:

垂直壓力按下式計算:

(4)

(5)

(6)

式中,B—隧道開挖寬度;γ—隧道上覆圍巖容重;λ—側壓力系數;H—隧道埋深,即隧道拱部至地面的垂直距離;β—產生最大推力時的破裂角;θ—頂板土柱兩側破裂面摩擦角;tanφc—圍巖計算摩擦角。Ⅲ圍巖的θ值取0.9φc,Ⅳ圍巖的θ值取(0.7～0.9)φc。不同圍巖力學指標如表1所示。

表1 圍巖力學指標

水平壓力按式(7)計算:

ei=γhiλ

(7)

式中,hi—內外側任意點到地面的距離(m)。當h

1.2 不同圍巖級別下的初支參數

A隧道采用時速250 km客用專線雙線鐵路隧道復合式襯砌的設計參考圖,根據此圖對Ⅳ級和Ⅴ級圍巖隧道初期支護的參數進行擬定,具體初期支護參數如表2所示。采用荷載與結構模型計算鐵路隧道隧道復合式襯砌在Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖條件下初支的安全系數。Ⅳ級與V級圍巖時考慮深、淺埋兩種狀況,根據《鐵路隧道設計規范》(TB10003-2016)可得其埋深分別為50 m和34 m。Ⅳ級圍巖中隧道的深淺埋分界線是17.87 m,其中埋深分別為50 m和17 m。Ⅲ級圍巖深埋的埋深為50 m,參考此規范結合圍巖壓力參量計算方法給出不同圍巖等級下的圍巖深埋荷載與圍巖計算參數。

表2 A隧道初期支護設計參數

表3 不同級圍巖計算參數

表4 Ⅳ級/Ⅴ級圍巖深埋荷載

表5 Ⅳ級/Ⅴ級圍巖淺埋荷載

1.3 安全系數的計算方法

在計算安全系數和結構進行安全性能核算時,將噴射混凝土層和鋼拱架當作一個結構整體進行受力分布計算,通過建立的結構荷載模型共同分析其承載能力。型鋼鋼拱架和噴射混凝土組成型鋼混凝土結構,參照《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ138-2001)和《公路隧道設計細則》(JTG/TD70),對鋼拱架與噴射混凝土共同進行強度安全性核驗計算,基于安全考慮,軸力由鋼拱架和初支混凝土層共同承受,彎矩僅由鋼拱架單獨承擔,具體的受力數值由式(8)～式(11)計算:

噴射混凝土層承受的軸力可寫為:

(8)

噴射混凝土層承受的彎矩可寫為:

Mh=0

(9)

鋼拱架所承受的軸力計算式為:

(10)

鋼拱架所承受的彎矩計算式為:

Mg=M

(11)

安全系數K的計算式為:

(12)

式中,N、M—單位長度內驗算截面的軸力及彎矩;Eh、Eg—噴射混凝土及鋼拱架的彈性模量;Ah、Ag—噴射混凝土及鋼拱架計算截面的面積;Nh、Ng—噴射混凝土及鋼拱架分別承擔的軸力;Wg—鋼拱架截面驗算抗彎剛度(m3);Mh、Mg—噴射混凝土及鋼拱架分別承擔的彎矩(kN·m);Rg—拱架鋼材的抗拉極限強度。

2 計算結果

利用Midas建立二維荷載-結構模型,計算深埋和淺埋情況下Ⅳ圍巖初支和Ⅴ圍巖初支的內力分布情況。

2.1 Ⅳ圍巖受力計算結果

Ⅳ級圍巖淺埋段初期支護受力分析結果如圖3與表6所示,最大軸力分布在拱頂位置取值為3.17×106,最大彎矩值為1.65×105N·m,分布在拱頂位置,初支形變高風險區集中在拱頂和拱腳周圍。拱腳的安全系數最大,因為拱頂承受的軸力最大,故其安全系數也最低。

表6 Ⅳ級圍巖淺埋段初期支護安全系數

圖3 Ⅳ級圍巖淺埋段初期支護內力Fig.3 Internal force of initial support in shallow buried section of Ⅳ grade surrounding rock

Ⅳ級圍巖深埋段初期支護受力分析結果如圖4與表7所示,其最大軸力分布在拱頂位置取值為7.58×104,最大彎矩值為1.51×106N·m,分布在拱頂位置,初支形變高風險區同樣集中在拱頂和拱腳周圍。與淺埋圍巖地段相比,深埋段的初期支護所受彎矩和軸力都較小,整體計算所得的安全系數較高。從有限元分析計算結果來看,Ⅳ級圍巖深埋與淺埋段的風險主要為初支拱頂往下塌陷。

表7 Ⅳ級深埋段襯砌初期支護安全系數

圖4 Ⅳ級深埋段初期支護內力Fig.4 Internal forces in the initial support of IV grade deep buried section

2.2 V圍巖受力計算結果

Ⅴ級圍巖淺埋段初期支護受力分析結果如圖5與表8所示,其初期支護所受的最大軸力為1587.27 kN,分布在邊墻位置,最大彎力矩為20.00 kN·m,主要分布在仰拱周圍,因此初支形變高風險區集中在邊墻和仰拱周圍。拱頂所受的軸力和彎矩最小,故其安全系數最大,安全系數最小的部位集中在邊墻,因為其所受軸力最大。

表8 初期支護安全系數

圖5 淺埋情況下初期支護內力分布Fig.5 Internal force distribution of initial support under shallow burial

Ⅴ級圍巖深埋段初期支護受力分析結果如圖6與表9所示,其初期支護所受的最大軸力分布在邊墻位置,取值為2024.14 kN·m。其最大彎矩取值為36.86 kN·m,分布在仰拱位置,初支形變高風險區同樣集中在邊墻和仰拱周圍。與淺埋圍巖地段相比,深埋段的初期支護所受彎矩和軸力都較大,整體計算所得的安全系數較小。從有限元分析計算結果來看,Ⅴ級圍巖深埋與淺埋段的主要風險為仰拱向軌面方向內縮,拱腳水平向內收縮。

表9 初期支護安全系數

圖6 深埋情況下初期支護內力分布Fig.6 Internal force distribution of initial support under deep burial

3 結論

基于荷載-結構數學模型,利用有限元分析方法,對A隧道的初期支護受力情況與安全系數進行計算,分析了深/淺埋條件下IV級與Ⅴ級圍巖的初支內力分布情況。計算結果表明,Ⅳ級圍巖淺埋段初期支護最大受力部位集中在拱頂,初支拱頂為變形高風險區域,若長期不施作二次襯砌,拱頂有下陷變形的可能性。Ⅴ級圍巖淺埋段初期支護最大受力部位集中在邊墻和仰拱,即邊墻和仰拱為變形高風險區域,若長期不施作襯砌,仰拱有向軌面內縮趨勢,拱腳水平向內收縮的可能性,因此在隧道施工過程中應嚴格控制開挖進尺和安全步距,縮短初期支護與二次襯砌的施工時間間隔,在Ⅳ施工級圍巖段初支時,應格外重視初支拱頂噴射混泥土的厚度與密實情況,在施工Ⅴ級圍巖段初支時,應格外重視仰拱初支與鎖腳錨桿的施工質量,謹防初支背后脫空。