鄧 君

(中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400000)

0 引言

新型技術(shù)的應(yīng)用為隧道建設(shè)提供了技術(shù)支持,促進(jìn)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(hù)與圍巖變形達(dá)到穩(wěn)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(hù)在施作二襯前應(yīng)承擔(dān)全部的圍巖作用,在此情況下設(shè)計(jì)的初期支護(hù)強(qiáng)度是否滿足承載要求需要進(jìn)行相應(yīng)的檢算。隧道的支護(hù)體系是保證隧道安全施工、運(yùn)營及后期維護(hù)的關(guān)鍵要素,已成為學(xué)者的研究重點(diǎn)。陳建勛等[1]詳細(xì)介紹了基于收斂-約束法的隧道初支設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàn)場實(shí)際測量數(shù)據(jù),分析了圍巖和初支結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定情況。蘇永華等[4]通過并聯(lián)模型計(jì)算出復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(hù)原理,提出了一種新型的適用于圍巖大變形的支護(hù)方式。劉士海[6]探討了型鋼鋼架和格柵鋼架的受力特點(diǎn)。王睿等[7]基于松動圈理論分析了隧道初期支護(hù)的時(shí)機(jī)。劇仲林[8]利用直接彈性抗力法簡化了支護(hù)受力的計(jì)算。趙晨陽等[9]基于數(shù)值模擬計(jì)算模擬了大變形風(fēng)險(xiǎn)隧道的初支內(nèi)力分布。莊一舟等[10]基于室內(nèi)試驗(yàn)測量總結(jié)了初支鋼拱架初期的承載力學(xué)特性。

考慮到在襯砌施作前圍巖和初期支護(hù)共同承受全部或主要的圍巖壓力,設(shè)計(jì)的初期支護(hù)強(qiáng)度必須滿足承載要求。本研究以隧道的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)所有的圍巖荷載作為模擬計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算了在Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下A隧道初期支護(hù)的受力特性及其各個部位的安全系數(shù),根據(jù)內(nèi)力分布的計(jì)算結(jié)果分析初支存在形變可能性的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,給出了相對應(yīng)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(jìn)口段右側(cè)2 km為高速公路城關(guān)隧道。將A隧道的支護(hù)參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),研究其初期支護(hù)的受力情況,計(jì)算其各個部位的安全系數(shù),通過安全系數(shù)對支護(hù)的安全性能進(jìn)行估計(jì)。

A隧道的隧址區(qū)屬云貴高原溶蝕-侵蝕構(gòu)造低中山,整體地形連綿起伏,溝谷河流縱橫,隧址區(qū)絕對高程1620～2234 m,最大相對高差614 m。地貌受構(gòu)造及巖性控制,砂、泥巖層薄,巖質(zhì)較軟,多形成小槽溝、緩坡地形,灰?guī)r層厚,巖質(zhì)硬,多形成溶蝕殘丘、洼地等巖溶地貌。隧址區(qū)地面坡度10°～25°,隧道進(jìn)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(jìn)出口附近均有鄉(xiāng)村公路通過,交通方便。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 荷載-結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

荷載-結(jié)構(gòu)法的設(shè)計(jì)原理認(rèn)為在隧道完成開挖工序之后,巖層的作用主要是對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載,初支和襯砌結(jié)構(gòu)必須能安全可靠地承受住巖層壓力等荷載的作用。在結(jié)構(gòu)受力計(jì)算時(shí),通過按彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計(jì)算方法來分析隧道襯砌內(nèi)力分布情況。以隧道的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)所有的圍巖荷載作為模擬計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),利用荷載結(jié)構(gòu)模型分析在不同圍巖等級下初期支護(hù)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(jié)構(gòu)法計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要有以下步驟:確定隧道埋深;計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)外荷載;基于荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)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(zhì)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(jì)算方式為式(2):

hq=q/γ

(2)

式中,q—用式(3)計(jì)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(jì)算方法。根據(jù)設(shè)計(jì)文件,在計(jì)算深埋條件下隧道的襯砌內(nèi)力時(shí),圍巖的壓力當(dāng)作松散壓力來計(jì)算,其垂直和水平均布壓力可按下列規(guī)定取值計(jì)算:

垂直均布壓力按式(4)計(jì)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(shù),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(jì)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(jì)算:

垂直壓力按下式計(jì)算:

(4)

(5)

(6)

式中,B—隧道開挖寬度;γ—隧道上覆圍巖容重;λ—側(cè)壓力系數(shù);H—隧道埋深,即隧道拱部至地面的垂直距離;β—產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角;θ—頂板土柱兩側(cè)破裂面摩擦角;tanφc—圍巖計(jì)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(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 圍巖力學(xué)指標(biāo)

水平壓力按式(7)計(jì)算:

ei=γhiλ

(7)

式中,hi—內(nèi)外側(cè)任意點(diǎn)到地面的距離(m)。當(dāng)h

1.2 不同圍巖級別下的初支參數(shù)

A隧道采用時(shí)速250 km客用專線雙線鐵路隧道復(fù)合式襯砌的設(shè)計(jì)參考圖,根據(jù)此圖對Ⅳ級和Ⅴ級圍巖隧道初期支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行擬定,具體初期支護(hù)參數(shù)如表2所示。采用荷載與結(jié)構(gòu)模型計(jì)算鐵路隧道隧道復(fù)合式襯砌在Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖條件下初支的安全系數(shù)。Ⅳ級與V級圍巖時(shí)考慮深、淺埋兩種狀況,根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)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(guī)范結(jié)合圍巖壓力參量計(jì)算方法給出不同圍巖等級下的圍巖深埋荷載與圍巖計(jì)算參數(shù)。

表2 A隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 不同級圍巖計(jì)算參數(shù)

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(shù)的計(jì)算方法

在計(jì)算安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性能核算時(shí),將噴射混凝土層和鋼拱架當(dāng)作一個結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行受力分布計(jì)算,通過建立的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),參照《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138-2001)和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD70),對鋼拱架與噴射混凝土共同進(jìn)行強(qiáng)度安全性核驗(yàn)計(jì)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(dú)承擔(dān),具體的受力數(shù)值由式(8)～式(11)計(jì)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(jì)算式為:

(10)

鋼拱架所承受的彎矩計(jì)算式為:

Mg=M

(11)

安全系數(shù)K的計(jì)算式為:

(12)

式中,N、M—單位長度內(nèi)驗(yàn)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(jì)算截面的面積;Nh、Ng—噴射混凝土及鋼拱架分別承擔(dān)的軸力;Wg—鋼拱架截面驗(yàn)算抗彎剛度(m3);Mh、Mg—噴射混凝土及鋼拱架分別承擔(dān)的彎矩(kN·m);Rg—拱架鋼材的抗拉極限強(qiáng)度。

2 計(jì)算結(jié)果

利用Midas建立二維荷載-結(jié)構(gòu)模型,計(jì)算深埋和淺埋情況下Ⅳ圍巖初支和Ⅴ圍巖初支的內(nèi)力分布情況。

2.1 Ⅳ圍巖受力計(jì)算結(jié)果

Ⅳ級圍巖淺埋段初期支護(hù)受力分析結(jié)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在拱頂和拱腳周圍。拱腳的安全系數(shù)最大,因?yàn)楣绊敵惺艿妮S力最大,故其安全系數(shù)也最低。

表6 Ⅳ級圍巖淺埋段初期支護(hù)安全系數(shù)

圖3 Ⅳ級圍巖淺埋段初期支護(hù)內(nèi)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(hù)受力分析結(jié)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)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(hù)所受彎矩和軸力都較小,整體計(jì)算所得的安全系數(shù)較高。從有限元分析計(jì)算結(jié)果來看,Ⅳ級圍巖深埋與淺埋段的風(fēng)險(xiǎn)主要為初支拱頂往下塌陷。

表7 Ⅳ級深埋段襯砌初期支護(hù)安全系數(shù)

圖4 Ⅳ級深埋段初期支護(hù)內(nèi)力Fig.4 Internal forces in the initial support of IV grade deep buried section

2.2 V圍巖受力計(jì)算結(jié)果

Ⅴ級圍巖淺埋段初期支護(hù)受力分析結(jié)果如圖5與表8所示,其初期支護(hù)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)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(shù)最大,安全系數(shù)最小的部位集中在邊墻,因?yàn)槠渌茌S力最大。

表8 初期支護(hù)安全系數(shù)

圖5 淺埋情況下初期支護(hù)內(nèi)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(hù)受力分析結(jié)果如圖6與表9所示,其初期支護(hù)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)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(hù)所受彎矩和軸力都較大,整體計(jì)算所得的安全系數(shù)較小。從有限元分析計(jì)算結(jié)果來看,Ⅴ級圍巖深埋與淺埋段的主要風(fēng)險(xiǎn)為仰拱向軌面方向內(nèi)縮,拱腳水平向內(nèi)收縮。

表9 初期支護(hù)安全系數(shù)

圖6 深埋情況下初期支護(hù)內(nèi)力分布Fig.6 Internal force distribution of initial support under deep burial

3 結(jié)論

基于荷載-結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型,利用有限元分析方法,對A隧道的初期支護(hù)受力情況與安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,分析了深/淺埋條件下IV級與Ⅴ級圍巖的初支內(nèi)力分布情況。計(jì)算結(jié)果表明,Ⅳ級圍巖淺埋段初期支護(hù)最大受力部位集中在拱頂,初支拱頂為變形高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)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(hù)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,若長期不施作襯砌,仰拱有向軌面內(nèi)縮趨勢,拱腳水平向內(nèi)收縮的可能性,因此在隧道施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺和安全步距,縮短初期支護(hù)與二次襯砌的施工時(shí)間間隔,在Ⅳ施工級圍巖段初支時(shí),應(yīng)格外重視初支拱頂噴射混泥土的厚度與密實(shí)情況,在施工Ⅴ級圍巖段初支時(shí),應(yīng)格外重視仰拱初支與鎖腳錨桿的施工質(zhì)量,謹(jǐn)防初支背后脫空。