謝壁婷 肖明清 徐晨 陳文鵬 王克金

1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 武漢 430063； 2.水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心， 武漢 430063

我國采用鉆爆法修建了世界上數(shù)量最多、總里程最長的隧道［1］，而隧道設(shè)計的經(jīng)濟性有待提高。以文獻［2］為例，深埋隧道荷載的計算方法較保守。國內(nèi)在鉆爆法隧道支護參數(shù)設(shè)計理論與方法研究方面仍有不足［3］，目前處于工程類比為主、理論計算為輔的階段，未實現(xiàn)精細化設(shè)計，難以對其經(jīng)濟性進行評判。隨著隧道智能建造技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)計方法已不能與之匹配［4-6］。肖明清［7］提出隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計總安全系數(shù)法，構(gòu)建隧道支護結(jié)構(gòu)量化設(shè)計體系，將隧道支護結(jié)構(gòu)由類比設(shè)計向量化設(shè)計轉(zhuǎn)變。

1 總安全系數(shù)法

隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計總安全系數(shù)法（簡稱總安全系數(shù)法）將復(fù)合式襯砌離散為錨桿圍巖承載拱（簡稱錨巖承載拱）、噴射混凝土層（包括噴射混凝土、噴射鋼纖維混凝土、鋼架、鋼筋網(wǎng)等，簡稱噴層）、二次襯砌等多層結(jié)構(gòu)，疊加每層結(jié)構(gòu)單獨承載時的安全系數(shù)，并進行各層結(jié)構(gòu)之間的變形協(xié)調(diào)與破壞次序的相關(guān)修正，計算出復(fù)合式襯砌的總安全系數(shù)與總承載能力，為復(fù)合式襯砌的支護方案與構(gòu)件選擇、參數(shù)量化分析和整體優(yōu)化設(shè)計提供有力手段［8-9］。總安全系數(shù)法計算模型和計算思路如圖1所示。

圖1 總安全系數(shù)法計算模型和計算思路

本文依托宜興高速鐵路優(yōu)化試驗段，基于總安全系數(shù)法對優(yōu)化試驗段內(nèi)的隧道支護參數(shù)進行優(yōu)化，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對優(yōu)化后支護參數(shù)進行安全性和經(jīng)濟性分析。

2 隧道支護參數(shù)優(yōu)化

宜興高速鐵路為沿江客運通道的重要組成部分，位于湖北省宜昌市境內(nèi)，設(shè)計時速350 km。原設(shè)計方案依據(jù)《鄭萬高速鐵路隧道第五版通用參考圖》編制。

2.1 原設(shè)計支護參數(shù)安全性分析

根據(jù)總安全系數(shù)法對原設(shè)計支護參數(shù)進行安全系數(shù)校核。經(jīng)計算，Ⅲ、Ⅳ級圍巖條件下復(fù)合式襯砌最小安全系數(shù)分別為8.95、5.50，均大于總安全系數(shù)法中復(fù)合式襯砌所要求的3.0?？梢姡ёo參數(shù)有較大優(yōu)化空間。

對不同圍巖條件下隧道初期支護應(yīng)力、應(yīng)變進行現(xiàn)場監(jiān)測。Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下鋼架最大應(yīng)力分別為48.10、14.28 MPa，小于鋼材屈服應(yīng)力235 MPa；噴射混凝土受壓安全系數(shù)最小值分別為3.48、5.95，均大于總安全系數(shù)法中混凝土安全系數(shù)控制值1.53；錨桿最大軸力分別為19.92、4.53 kN，小于Ⅰ級鋼筋最大拉力79.8 kN。可見，初期支護有較大優(yōu)化空間。

2.2 優(yōu)化后支護參數(shù)安全性、經(jīng)濟性分析

支護參數(shù)優(yōu)化考慮隧道埋深、地下水情況、圍巖級別等因素。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下隧道最大埋深分別為1200、800、600 m；Ⅴ級圍巖條件下支護參數(shù)適用于穿越斷層破碎帶區(qū)域，斷層寬度小于等于20 m。初期支護原設(shè)計參數(shù)與優(yōu)化后參數(shù)對比見表1。

表1 初期支護原設(shè)計參數(shù)與優(yōu)化后參數(shù)對比

圍巖物理力學參數(shù)采用TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》各級圍巖物理力學指標的下1/3 或下1/4分位值，圍巖壓力參照文獻［10］取值，見表2。其中，構(gòu)造應(yīng)力場條件下側(cè)壓力系數(shù)（λ）為1.2，自重應(yīng)力場條件下λ按照總安全系數(shù)法取值。

表2 圍巖壓力

采用總安全系數(shù)法對兩種應(yīng)力場條件下，施工期與運營期隧道支護參數(shù)的安全系數(shù)進行校核。由于構(gòu)造應(yīng)力場條件下圍巖壓力較自重應(yīng)力場大，按照最不利工況包絡(luò)設(shè)計。構(gòu)造應(yīng)力場條件下優(yōu)化后支護參數(shù)的安全系數(shù)見表3?？芍┕て谂c運營期支護參數(shù)的安全系數(shù)均大于總安全系數(shù)法中的控制值，結(jié)構(gòu)安全。

表3 構(gòu)造應(yīng)力場條件下優(yōu)化后支護參數(shù)的安全系數(shù)

優(yōu)化后支護參數(shù)的經(jīng)濟性指標與施工進度指標與原設(shè)計對比見表4。可知，支護參數(shù)優(yōu)化效果較好，各級圍巖條件下支護參數(shù)的經(jīng)濟性指標均有不同程度降低，施工進度指標均有不同程度提高。

表4 優(yōu)化后支護參數(shù)的經(jīng)濟性、施工進度指標與原設(shè)計對比

3 現(xiàn)場測試

3.1 優(yōu)化試驗段老林崗隧道DK17 + 280斷面試驗結(jié)果

以老林崗隧道DK17 + 280 斷面為例，對施工期圍巖壓力、錨桿軸力、鋼架應(yīng)力和噴射混凝土內(nèi)力的實測數(shù)據(jù)進行分析。圍巖級別為Ⅳ級，采用Ⅳb型襯砌。

1）圍巖壓力。DK17 + 280 斷面圍巖壓力時程曲線見圖2?？芍簢鷰r壓力在5 d 后趨于穩(wěn)定；圍巖壓力最大值為70.42 kPa，位于左拱肩。

圖2 DK17 + 280斷面圍巖壓力時程曲線

2）錨桿軸力。DK17 + 280 斷面錨桿軸力見圖3。可知：錨桿最大軸力為25 kN，位于左拱腳，小于Ⅰ級鋼筋最大拉力79.8 kN，錨桿結(jié)構(gòu)安全。

圖3 DK17+280斷面錨桿軸力（單位：kN）

3）鋼架應(yīng)力。DK17 + 280 斷面初期支護鋼架應(yīng)力時程曲線見圖4?？芍轰摷軕?yīng)力在9 d 后趨于穩(wěn)定，內(nèi)、外側(cè)最大壓應(yīng)力分別為7.77、3.36 MPa，分別位于拱頂、左拱腳，均小于鋼材屈服強度，鋼架結(jié)構(gòu)安全。

圖4 DK17+280斷面鋼架應(yīng)力時程曲線

4）噴射混凝土內(nèi)力。DK17+280 斷面噴射混凝土應(yīng)力時程曲線見圖5。根據(jù)實測值計算得到噴射混凝土內(nèi)力，見圖6?？芍簢娚浠炷凛S力呈拱部大、邊墻小，彎矩較小，受力狀態(tài)為小偏心受壓。通過計算可得該斷面受壓時最小安全系數(shù)為15.77，位于左拱肩，大于總安全系數(shù)法中鋼筋混凝土受壓破壞的安全系數(shù)2.0，而且無受拉控制，噴射混凝土結(jié)構(gòu)安全。

圖5 DK17 + 280斷面噴射混凝土應(yīng)力時程曲線

圖6 DK17 + 280斷面噴射混凝土內(nèi)力

3.2 圍巖壓力、噴層安全系數(shù)實測值與設(shè)計值對比

宜興高速鐵路優(yōu)化試驗段內(nèi)4座隧道斷面圍巖壓力、噴層安全系數(shù)實測值與設(shè)計值對比見表5。可知：Ⅱ、Ⅲ級圍巖穩(wěn)定性好，圍巖壓力較小。圍巖壓力設(shè)計值均大于實測值，噴層安全系數(shù)設(shè)計值均小于實測值?？梢?，基于總安全系數(shù)法設(shè)計優(yōu)化后，支護參數(shù)能夠滿足安全要求。

表5 圍巖壓力、噴層安全系數(shù)實測值與設(shè)計值對比

4 結(jié)論

本文依托宜興高速鐵路優(yōu)化試驗段，基于總安全系數(shù)法對優(yōu)化試驗段內(nèi)的隧道支護參數(shù)進行優(yōu)化，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對支護參數(shù)的設(shè)計值和實測值進行對比，驗證基于總安全系數(shù)法設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性，主要結(jié)論如下：

1）與原設(shè)計方案相比，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，優(yōu)化后支護參數(shù)的經(jīng)濟性指標最多可降低5.24%、23.85%、22.61%；Ⅲ、Ⅳ級圍巖條件下，隧道施工進度指標最多可提高29.6%、40.0%。

2）通過現(xiàn)場測試，優(yōu)化試驗段圍巖壓力設(shè)計值均大于實測值，噴層安全系數(shù)設(shè)計值均小于實測值。優(yōu)化后支護參數(shù)滿足安全要求，總安全系數(shù)法可靠。