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(hù)時圍巖穩(wěn)定性?；跀?shù)值計算結(jié)果提出了初期支護(hù)優(yōu)化形式，取消了錨桿支護(hù)并應(yīng)用于現(xiàn)場。結(jié)果表明，優(yōu)化后的初期支護(hù)中噴射混凝土最大壓應(yīng)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(yīng)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?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)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(guān)鍵詞： 初期支護(hù);強度折減法;現(xiàn)場監(jiān)測;優(yōu)化設(shè)計

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

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

0? 引言

目前鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)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(biāo)RMR[2，3];②挪威法中的Q圍巖分級法[4-7];③Hoek等地質(zhì)強度指數(shù)（GSI）指標(biāo)圍巖分級法[8，9]。國內(nèi)隧道設(shè)計規(guī)范在巖體完整性基礎(chǔ)上作了相關(guān)修正[10，11]，但并未考慮隧道圍巖的強度;力學(xué)模型采用泰沙基的塌落拱理論計算荷載，作用于結(jié)構(gòu)上計算結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。該方法的優(yōu)點在于能夠計算出明確的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，缺點在于忽略了圍巖的承載能力。因此，國內(nèi)諸多學(xué)者在考慮圍巖自承能力的基礎(chǔ)上對初期支護(hù)進(jìn)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(hù)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(nèi)，中心里程ZDK253+327.5，進(jìn)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(shè)計支護(hù)參數(shù)如表1所示。支護(hù)形式為噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)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(shè)置鋼筋網(wǎng)，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(shè)置鋼筋網(wǎng)，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(yīng)用FLAC3D有限差分軟件對圍巖的粘聚力與內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，研究了無支護(hù)時隧道的強度儲備。選取ZDK252+690與ZDK252+860斷面進(jìn)行計算，圍巖采用摩爾庫倫準(zhǔn)則。數(shù)值計算模型如圖1所示，地層主要有粉質(zhì)黏土與不同風(fēng)化程度的花崗巖，其中粉質(zhì)黏土為1號圍巖，全風(fēng)化、強風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖分別為2號、3號、4號圍巖，它們的圍巖力學(xué)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(xué)參數(shù)如表1所示。以位移突變?yōu)榕袛鄧鷰r破壞的標(biāo)志，位移突變計算結(jié)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(jié)果說明圍巖有一定強度儲備。

3? 初期支護(hù)優(yōu)化設(shè)計及現(xiàn)場試驗

3.1 優(yōu)化設(shè)計

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，圍巖自身具有一定強度儲備。目前，原設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)為四種結(jié)構(gòu)組合的形式（噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)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(hù)方案為：對于Ⅳ級圍巖，噴射混凝土（C25）厚度為22cm;拱墻設(shè)置鋼筋網(wǎng)，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(shè)置鋼筋網(wǎng)，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(hù)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(jié)果

3.2.1 未優(yōu)化段錨桿軸力

錨桿軸力監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：①錨桿受力較小，與設(shè)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(jié)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(yīng)力分析

噴射混凝土應(yīng)力監(jiān)測結(jié)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(yīng)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(yīng)力分析

鋼架應(yīng)力監(jiān)測結(jié)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(yīng)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(jié)

由監(jiān)測結(jié)果可知，在初支結(jié)構(gòu)中取消錨桿后，鋼架與噴射混凝土內(nèi)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(jié)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(hù)進(jìn)行優(yōu)化并運用于得到以下結(jié)論：①基于連續(xù)介質(zhì)理論，現(xiàn)有隧道圍巖有一定強度儲備。②縮減原設(shè)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(hù)優(yōu)化取得成功。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集[M].人民交通出版社，2003.

[2]Bieniawski Z T. Engineering Classification of Jointed Rock Masses[J]. Civil Engineer in South Africa， 1973， 15：335-343.

[3]CELADA B， TARDáGUILA I， BIENIAWSKI Z T. Innovating tunnel design by an improved experience-based RMR system[C]// Proceedings of the World Tunnel Congress 2014. Foz do Iguau， 2014.

[4]Barton N， Lien R， Lunde J. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support[J]. Rock Mechanics， 1974， 6（4）：189-236.

[5]Gary B.Hemphill. Practical Tunnel Construction[M]. State of New Jersey： John Wiley & Sons， 2012

[6]Barton N， Grimstad E， Aas G， et al. NORWEGIAN METHOD OF TUNNELLING[J]. World Tunnelling， 1992， 5（5）：231-2，235-8.

[7]Barton N. RECENT EXPERIENCES WITH THE Q-SYSTEM OF TUNNEL SUPPORT DESIGN[J]. Field Tests， 1978，107-117.

[8]Hoek E， Brown E T. Practical estimates of rock mass strength[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences， 1997， 34（8）：1165-1186.

[9]Sonmez H， Ulusay R. Modifications to the geological strength index （GSI） and their applicability to stability of slopes[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences， 1999， 36（6）：743-760.

[10]TB 10003-2016，鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[11]JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[12]CEN. EN 1997-1：2004 Eurocode 7： Geotechnical design – Part 1： General rules. Brussels： European Committee for Standardisation; 2004.

[13]Carranza-Torres C， Fairhurst C. Application of the Convergence-Confinement method of tunnel design to rock masses that satisfy the Hoek-Brown failure criterion[J]. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research， 2000， 15（2）：187-213.

[14]譚忠盛，喻渝，王明年，等.大斷面深埋黃土隧道錨桿作用效果的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008（08）：1618-1625.

[15]譚忠盛，喻渝，王明年，等.大斷面淺埋黃土隧道錨桿作用效果的試驗研究[J].巖土力學(xué)，2008（02）：491-495，506.

[16]陳建勛，楊善勝，羅彥斌，等.軟弱圍巖隧道取消系統(tǒng)錨桿的現(xiàn)場試驗研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（01）：15-20.

[17]馮振寧.濕陷性黃土隧道施工大變形及其控制技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2017（7）.

[18]鄧斌，饒和根，廖衛(wèi)平，等.軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2017，14（10）：2203-2213.