解仁偉. 水平層狀巖隧道荷載計(jì)算公式修正方法及其應(yīng)用.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2024，54（3）：943953. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230334.

Xie Renwei. Revised Method and Application of Load Calculation Formula of Horizontal Stratified Rock Tunnel. Journal of Jilin University （Earth Science Edition），2024，54（3）：943953. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230334.

摘要：為研究適用于水平層狀圍巖隧道的圍巖荷載計(jì)算方法，指導(dǎo)實(shí)際隧道工程施工，采用理論推導(dǎo)的方式，結(jié)合數(shù)值模擬荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型，對(duì)水平層狀圍巖隧道的開挖工法和初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：1）水平層狀圍巖隧道塌落拱頂形成巖梁結(jié)構(gòu)，基于此提出了針對(duì)水平層狀巖隧道的圍巖豎向荷載計(jì)算公式修正方法。2）基于掌子面力學(xué)平衡穩(wěn)定分析模型，考慮塌落拱頂巖梁作用效應(yīng)，通過計(jì)算得到了銅川隧道一號(hào)斜井工區(qū)水平層狀砂巖、泥巖的巖梁極限厚度分別為1.7和2.3 m，當(dāng)巖層厚度大于極限厚度時(shí)，巖梁可代替超前支護(hù)起到拱頂加固作用；同時(shí)計(jì)算表明Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用全斷面法代替原來的臺(tái)階法施工，掌子面穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。3）銅川隧道一號(hào)斜井工區(qū)Ⅲb型、Ⅳa型和Ⅳb型初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，鋼支撐最大間距分別為1.8、1.6、1.6 m，相應(yīng)的截面最小安全系數(shù)分別為1.65、1.63、1.57，均滿足規(guī)范中的安全系數(shù)控制基準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：水平層狀巖；荷載計(jì)算；施工工法；初期支護(hù)；參數(shù)優(yōu)化

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230334

中圖分類號(hào)：U452.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：20231007

作者簡介：解仁偉（1972-）， 男， 高級(jí)工程師， 主要從事高速鐵路工程方面的研究，E-mail：479376258@qq.com

基金項(xiàng)目：中國國家鐵路集團(tuán)有限公司系統(tǒng)性重大項(xiàng)目（P2018G048）

Supported by the Systematic Major Project of China National Railway Group Corporation Limited （P2018G048）

Revised Method and Application of Load Calculation Formula of Horizontal Stratified Rock Tunnel

Xie Renwei

The 3rd Engineering Co.， Ltd. of China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group， Tianjin 300300， China

Abstract：

In order to study the surrounding rock load calculation method suitable for horizontal layered surrounding rock tunnel and guide the actual tunnel construction， the paper adopts the method of theoretical derivation and the numerical simulation load-structure calculation model to optimize the excavation method and the initial supporting parameters of horizontal layered surrounding rock tunnel. The results show that： 1） Rock beam structure will be formed when the vault of horizontal layered rock tunnel collapses. Based on this， a revised method for the calculation formula of vertical load in horizontal layered rock tunnel is proposed. 2） Based on the mechanical balance and stability analysis model of the face and taking into account the effect of collapsing vault rock beams， the ultimate thickness of horizontal layered sandstone and mudstone rock beams in the working area of inclined shaft No. 1 of Tongchuan tunnel is calculated to be 1.7 and 2.3 m， respectively. When the rock layer thickness is greater than the ultimate thickness， the rock beams can replace the advance support to strengthen the vault; At the same time， the construction method of surrounding rock Ⅲ and Ⅳ is calculated and analyzed， and the results show that the stability coefficient of the face of the whole section method instead of the original step method still meets the standard requirements. 3） After optimizing the initial supporting parameters of Ⅲb， Ⅳa and Ⅳb types in the inclined shaft working area of Tongchuan tunnel No. 1， the maximum spacing of steel supports is 1.8， 1.6 and 1.6 m， respectively， and the corresponding safety factors of the most unfavorable section are 1.65， 1.63 and 1.57， which are all greater than the safety factor control standard in the code.

Key words：

horizontal stratified rock; load calculation; construction method; initial support; parameter optimization

0" 引言

隨著越來越多的鐵路隧道穿越復(fù)雜地層，軟弱相間的水平層狀巖地區(qū)隧道的圍巖荷載計(jì)算成為亟待解決的難題之一［15］。當(dāng)隧道穿越水平層狀圍巖時(shí)，施工所帶來的擾動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致拱頂發(fā)生離層、斷裂和彎曲等現(xiàn)象，甚至可能導(dǎo)致隧道塌方。針對(duì)上述問題，眾多學(xué)者開展了大量研究工作，如：涂翰［6］通過考慮不同的影響因素，研究了水平層狀砂質(zhì)板巖圍巖隧道的穩(wěn)定性和破壞機(jī)理；王亞瓊等［7］基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用3DEC進(jìn)行數(shù)值分析，研究了水平層狀隧道圍巖在不同巖層厚度、地應(yīng)力水平和側(cè)荷載系數(shù)下的變形和破壞規(guī)律；資曉魚等［8］針對(duì)成蘭鐵路楊家坪隧道，建立了宏觀層理分布模型，研究了層狀千枚巖隧道的形變破壞規(guī)律和支護(hù)措施；路軍富等［9］針對(duì)緩傾層狀泥巖鐵路隧道底鼓病害問題，通過長期底鼓變形監(jiān)測(cè)和理論分析，研究了緩傾層狀泥巖鐵路隧道底鼓的特征和機(jī)理；朱麟晨［10］通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、測(cè)試及數(shù)值計(jì)算的方式研究了水平層狀圍巖隧道變護(hù)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理及其控制措施；陳紅軍等［11］采用UDEC軟件，模擬了不同巖層傾角條件下的淺埋層狀巖體偏壓隧道的破壞過程，并確定了淺埋層狀巖體偏壓隧道滑移破壞的機(jī)理和判定方法；熊良宵等［12］研究了層狀巖隨著夾層傾角的增加，軸向和側(cè)向的應(yīng)變絕對(duì)值均呈先增大后減小的變化規(guī)律；黃達(dá)等［13］以離心試驗(yàn)為原型，通過離散元數(shù)值模擬，研究了層狀巖質(zhì)反傾邊坡的變形機(jī)理與影響因素；張以晨等［14］利用彎曲拉裂模型研究了反傾層狀巖質(zhì)邊坡傾倒破壞力學(xué)模型；趙建軍等［15］研究了多層開采和單層開采對(duì)緩傾層狀結(jié)構(gòu)斜坡變形的影響，揭示了采空區(qū)寬度、深度和深厚比等參數(shù)對(duì)斜坡變形特征的影響；穆成林等［16］研究了不同工況下的開挖對(duì)多層軟弱夾層圍巖的影響，分析了其變形破壞模型和形成機(jī)理，確定了失穩(wěn)破壞范圍。

綜上所述，目前針對(duì)水平層狀圍巖隧道的研究主要集中在圍巖的變形破壞機(jī)理上，而對(duì)圍巖荷載的計(jì)算并沒有進(jìn)行詳細(xì)的分析。本文以銅川隧道一號(hào)斜井工區(qū)為依托，針對(duì)水平層狀圍巖荷載計(jì)算問題，通過理論分析與推導(dǎo)，提出了水平層狀巖隧道豎向荷載計(jì)算公式修正方法，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中，對(duì)隧道的開挖工法和初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，以期為類似隧道工程的荷載計(jì)算及參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1" 依托工程概況

西延高鐵銅川隧道位于陜西省銅川市境內(nèi)，為一座單洞雙線高速鐵路隧道，隧道共設(shè)置2座斜井輔助施工。其中一號(hào)斜井工區(qū)西安方向段為本文依托工程，采用智能機(jī)械化配套施工，起止里程分別為DK96+500、DK93+170，全長3 330 m。隧址區(qū)屬陜北臺(tái)坳三級(jí)構(gòu)造單元，降水較豐。隧道所通過的主要地層為石炭系上統(tǒng)泥巖、砂巖，總體巖層產(chǎn)狀多為水平巖層，Ⅲ級(jí)圍巖長770 m，Ⅳ級(jí)圍巖長955 m。隧道最大埋深約185 m，開挖斷面方量為143.2～148.91 m3。銅川隧道工程地理位置如圖1所示。

2" 水平層狀巖隧道豎向荷載計(jì)算方法

通?？梢詫⑺淼朗┕み^程中常見的水平層狀圍巖的工程特點(diǎn)總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

①巖層傾角一般在5°～10°之間；

②巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用影響程度不同，節(jié)理較

Ⅰ. 渭河沖積平原；Ⅱ.""""" 黃土臺(tái)塬區(qū)；Ⅲ." 黃土梁峁溝壑區(qū)；Ⅳ. 子午嶺低中山區(qū)。

為發(fā)育，通常有1～2組節(jié)理，但是其優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面是層理面；

③圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)明顯的成層性，即平行層面內(nèi)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)相近，而與平行層面垂直的方向上，圍巖的物理力學(xué)參數(shù)則有較大差異。

基于此，下面推導(dǎo)水平層狀巖隧道豎向荷載的計(jì)算方法。

2.1" 規(guī)范推薦隧道荷載計(jì)算公式

根據(jù)現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）［17］，深埋隧道圍巖豎向荷載q可按式（1）計(jì)算確定。

q=γh" ;h=0.45×2s－1w 。（1）

式中：q為圍巖豎向荷載，kPa；γ為圍巖重度，kN/m3；h為塌落拱計(jì)算高度，m；s為圍巖級(jí)別；w為寬度影響系數(shù)，

w=1+（B-5）i

，其中B為隧道寬度，m，i為圍巖荷載增減率，當(dāng)B≤5 m時(shí)，取i = 0.2，Bgt;5 m時(shí)，可取i = 0.1。

水平均布荷載確定方法為：

圍巖級(jí)別為Ⅰ—Ⅱ級(jí)，水平荷載為0；圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，水平荷載＜0.15q；圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，水平荷載為（0.15～0.30）q；圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，水平荷載為（0.30～0.50）q。

2.2" 水平層狀巖隧道荷載計(jì)算公式修正

2.2.1" 塌落拱頂巖梁穩(wěn)定性

由于水平層狀巖中存在軟弱層理面，而該層理面的強(qiáng)度低于圍巖的強(qiáng)度，因此在結(jié)構(gòu)面附近會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)不連續(xù)的情況，導(dǎo)致兩側(cè)應(yīng)力發(fā)生突變［1819］。在深埋情況下，隧道拱頂會(huì)形成塌落拱頂，而被水平層狀巖結(jié)構(gòu)面切割的巖體則會(huì)形成巖梁，如圖2所示。

為了研究原塌落拱曲線頂點(diǎn)所切層狀巖的穩(wěn)定性問題，將該層巖體簡化為巖梁并進(jìn)行分析，如圖3所示。

下面根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算A點(diǎn)所受拉應(yīng)力。

hc. 塌落拱頂所處層狀巖的厚度，m；Bm. 自然平衡拱跨度，m；hcc."" 從塌落拱頂?shù)降谝粋€(gè)位于其上方的層理面的距離，m；A點(diǎn)為按各向同性巖層計(jì)算所得的塌落拱頂點(diǎn)。

巖梁跨中截面彎矩Mmax和慣性矩Iz分別為：

Mmax=qB2m/8；（2）

Iz=bh3cc/12 。（3）

式中，b為巖梁縱向計(jì)算長度，m；

沿縱向方向取1 m進(jìn)行計(jì)算，則A點(diǎn)所受拉應(yīng)力

σt，max為

σt，max=3qB2m/2h2cc。（4）

巖梁穩(wěn)定性判據(jù)為：當(dāng)σt，max大于等于層狀巖的抗拉強(qiáng)度σt時(shí)，認(rèn)為塌落拱曲線所切層狀巖體是不穩(wěn)定的，會(huì)發(fā)生破壞，此時(shí)的塌落拱頂曲線如圖4中曲線1所示；反之，如果σt，max＜σt，則該層狀巖體不會(huì)破壞，此時(shí)的塌落拱頂曲線如圖4中曲線2所示。

φ. 圍巖內(nèi)摩擦角，（°）；H. 隧道高度，m。

2.2.2" 修正后深埋隧道荷載計(jì)算公式

根據(jù)上述判據(jù)，修正后的圍巖塌落拱高度h′計(jì)算公式為

h′=0.45×2s－1w+nhcc。（5）

式中，n為層狀巖破壞系數(shù)。如果原塌落拱曲線頂點(diǎn)所切層狀巖剩余部分不發(fā)生破壞，n取0；若發(fā)生破壞，則n取1。

因此，修正后的水平層狀巖條件下深埋隧道豎向荷載q′計(jì)算公式為

q′=γh′。

（6）

3" 工程應(yīng)用

3.1" 現(xiàn)場(chǎng)施工工法及支護(hù)參數(shù)

3.1.1" 原設(shè)計(jì)施工工法及支護(hù)參數(shù)適應(yīng)性

銅川隧道一號(hào)斜井正洞Ⅲ級(jí)圍巖原設(shè)計(jì)施工工法為臺(tái)階法。但實(shí)際施工采用三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔開挖時(shí)，由于臺(tái)車運(yùn)作僅限于上臺(tái)階，而不適用于下臺(tái)階，浪費(fèi)了機(jī)械的功效；因此需對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖原臺(tái)階法進(jìn)行優(yōu)化。

正洞Ⅳ（Ⅳa、Ⅳb）級(jí)圍巖原設(shè)計(jì)施工工法為三臺(tái)階法（圖5），其上、中臺(tái)階長度總和≥10 m。采用三臂鑿巖臺(tái)車（圖6）在下臺(tái)階施工時(shí)，由于推進(jìn)梁長度約為5 m，導(dǎo)致鑿巖臺(tái)車有效作業(yè)范圍僅能覆蓋中、下臺(tái)階作業(yè)面，上臺(tái)階作業(yè)面無法進(jìn)行鉆孔作業(yè)；再者因銅川隧道一號(hào)斜井西安方向Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖頻繁交替更換，來回調(diào)整施工工法會(huì)影響智能機(jī)械化施工功效。因此需對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖原設(shè)計(jì)施工工法進(jìn)行優(yōu)化。

單位為mm。

當(dāng)進(jìn)行水平層狀巖隧道的拱部水平巖層開挖時(shí)，巖體容易出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，在進(jìn)行初期支護(hù)施工后，拱頂荷載會(huì)比較大。而格柵鋼架在架設(shè)后，需要等待噴射混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度后，才能一同承受荷載。如果前期變形過大，可能會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土脫落掉塊，格柵鋼架彎曲或扭曲變形。因此，需對(duì)原設(shè)計(jì)洞身支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.1.2" 現(xiàn)場(chǎng)施工工法及支護(hù)參數(shù)調(diào)整

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，Ⅲ（Ⅲb）級(jí)圍巖、Ⅳ（Ⅳa、Ⅳb）級(jí)圍巖采用全斷面法，施工安全步距為：Ⅲ級(jí)圍巖仰拱初支封閉成環(huán)距離掌子面不大于120 m，拱墻襯砌距離掌子面不大于180 m；Ⅳ級(jí)圍巖仰拱初支封閉成環(huán)距離掌子面不大于90 m，仰拱距離掌子面不大于120 m，拱墻襯砌距離掌子面不大于160 m。

Ⅲ（Ⅲb）級(jí)圍巖初期支護(hù)參數(shù)按原設(shè)計(jì)要求選擇，Ⅳ（Ⅳa、Ⅳb）級(jí)圍巖初期支護(hù)鋼支撐由原設(shè)計(jì)的Φ18四肢箍筋、Φ22格柵鋼架均改為I18型鋼，間距不變。

3.2" 基于監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的安全性

采用位移控制基準(zhǔn)，以一號(hào)斜井工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)收集的監(jiān)控量測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段隧道拱頂沉降和水平收斂變形的安全性進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段隧道變形量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如文獻(xiàn)［16］所示。依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9218—2015）［20］對(duì)隧道拱頂沉降和水平收斂變形的安全性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段隧道變形值均處在規(guī)范控制范圍內(nèi)，并且還存在較大的允許變形空間。因此，有必要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采用的施工工法及支護(hù)體系參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化分析，以達(dá)到提升施工功效和降低成本的目的。

3.3" 施工工法優(yōu)化

基于經(jīng)典棱柱楔形體模型［2122］，并結(jié)合當(dāng)前研究成果［2326］，假設(shè)全斷面法施工掌子面會(huì)發(fā)生整體破壞，而臺(tái)階法施工上臺(tái)階掌子面會(huì)發(fā)生局部破壞，建立掌子面力學(xué)平衡穩(wěn)定分析模型，如圖8所示。

根據(jù)楔形體水平、豎向靜力平衡條件得

N=Ffsin θ0+Fq+Fwcos θ0 。 （7）

式中：Fw、Fq、Ff可根據(jù)楔形體幾何參數(shù)求得；θ0取π/4+φ/2（φ為圍巖內(nèi)摩擦角）。

沿滑動(dòng)面切向分解各力得：

F1=Ntan φ+Ffcos θ0； （8）

F2=Fq+Fwsinθ0。（9）

式中，F(xiàn)1、F2分別為沿破壞面的抗滑力和下滑力，kN。

Fw、Fq、Ff分別為滑移體自重、滑移體所受豎向形變荷載合力、臺(tái)階支護(hù)力，kN；N為滑動(dòng)面法向所受作用力，kN；θ0為滑動(dòng)面與水平方向夾角。

定義隧道掌子面穩(wěn)定系數(shù)K為

K=F1/F2。

（10）

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）［27］4.2.4，掌子面穩(wěn)定系數(shù)控制值Kc 取1.4。

本次施工工法優(yōu)化分析針對(duì)銅川隧道一號(hào)斜井工區(qū)Ⅲ級(jí)圍巖，考慮水平層狀圍巖的巖梁作用效應(yīng)，當(dāng)σt，max=σt時(shí)，可通過式（4）計(jì)算得到拱頂巖梁極限厚度hmin=hcc，通過比較水平層狀巖厚度h與hmin，來判斷巖梁是否起作用。當(dāng)層狀巖厚度h＞hmin時(shí)，認(rèn)為拱頂巖梁能夠抵消一部分圍巖荷載，這種情況下采用全斷面法施工也是相對(duì)比較安全的；反之則認(rèn)為巖梁不起作用，需按式（5）對(duì)掌子面豎向圍巖荷載進(jìn)行修正，再結(jié)合掌子面力學(xué)平衡穩(wěn)定分析模型對(duì)工法進(jìn)行優(yōu)化。

施工工法優(yōu)化流程如圖9所示。

銅川隧道一號(hào)斜井工區(qū)Ⅲ級(jí)圍巖段原施工工法為臺(tái)階法，現(xiàn)場(chǎng)施工工法為全斷面法。

通過計(jì)算可知，Ⅲ級(jí)圍巖段砂巖、泥巖的巖梁極限厚度hmin分別為1.7、2.3 m，當(dāng)巖層厚度h＞hmin時(shí)，可取消掌子面超前支護(hù)措施，并且采用全斷面法開挖；當(dāng)巖層厚度h≤hmin時(shí)，結(jié)合掌子面力學(xué)平衡穩(wěn)定分析模型，計(jì)算得到各工況的安全系數(shù)如表2所示。

3.4" 初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.4.1" 初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方法

初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化采用數(shù)值模擬軟件。首先，通過建立荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，結(jié)合水平層狀巖隧道圍巖荷載計(jì)算修正公式，研究分析支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響規(guī)律；然后給出不同地質(zhì)條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的建議方案。

隧道施工期間鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)控制值Ks按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）［17］8.5.2相關(guān)規(guī)定，見表3。判斷施工階段結(jié)構(gòu)安全性時(shí)，安全系數(shù)控制基準(zhǔn)可采用表3中“主要荷載+附加荷載”對(duì)應(yīng)數(shù)值乘以折減系數(shù)0.9。

3.4.2" 初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合銅川隧道一號(hào)斜井工區(qū)初期支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)際情況，考慮圍巖級(jí)別、地質(zhì)條件等因素，本次初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化主要針對(duì)Ⅲb、Ⅳa、Ⅳb這3種支護(hù)類型，

具體參數(shù)如表4所示。

3.4.3" 初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

采用荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，結(jié)合水平層狀巖隧道荷載計(jì)算修正公式，通過調(diào)整3種支護(hù)類型的鋼支撐間距，分析初期支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)其安全系數(shù)的影響規(guī)律。

1）Ⅲb型初期支護(hù)

Ⅲb型初期支護(hù)采用Φ16四肢箍筋和Φ22格柵鋼架，分別計(jì)算格柵鋼架間距為1.2、1.5、1.8和2.0 m共4種工況下結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。受篇幅限制，以鋼支撐間距1.2 m為例，計(jì)算分析初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

當(dāng)鋼支撐間距為1.2 m時(shí)，計(jì)算得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩云圖如圖11所示。

從圖11可見，支護(hù)結(jié)構(gòu)全斷面受壓，拱頂和拱肩受到較大的彎矩作用，可能是不利截面部位。

根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果（表5）可知，Ⅲb型支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐間距為1.2 m時(shí)，最不利截面部位在拱肩處，為抗壓控制，其安全系數(shù)（2.54）＞規(guī)范安全系數(shù)控制值（1.53），支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)最小安全系數(shù)滿足規(guī)范控制要求，說明Ⅲb型初期支護(hù)原始設(shè)計(jì)方案參數(shù)尚存在優(yōu)化空間。

另外計(jì)算其余3種工況，最終得到Ⅲb型支護(hù)剛度對(duì)安全系數(shù)的影響規(guī)律曲線如圖12所示。

2）Ⅳa型初期支護(hù)

Ⅳa型初期支護(hù)采用I18型鋼鋼架，分別計(jì)算間距為1.2、1.4、1.6和1.8 m等4種工況下結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，得到Ⅳa型支護(hù)剛度對(duì)安全系數(shù)的影響規(guī)律曲線如圖13所示。

3）Ⅳb型初期支護(hù)

Ⅳb型初期支護(hù)采用I18型鋼鋼架，分別計(jì)算間距為1.0、1.2、1.6和1.8 m等4種工況下結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，得到Ⅳb型支護(hù)剛度對(duì)安全系數(shù)的影響規(guī)律曲線如圖14所示。

由圖12—14中各工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)結(jié)果（表5）可知，Ⅲb型、Ⅳa型、Ⅳb型支護(hù)在各工況下的最不利部位均為拱肩且均為受壓控制；根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）［17］，施工階

段鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受壓時(shí)安全系數(shù)控制基準(zhǔn)值為1.53，故3種支護(hù)類型的鋼支撐最大優(yōu)化間距分別為1.8、1.6、1.6 m，相應(yīng)的截面最小安全系數(shù)分別為1.65、1.63、1.57。

4" 結(jié)論

1）水平層狀圍巖隧道塌落拱頂將形成巖梁結(jié)構(gòu)，基于此，推導(dǎo)得到了考慮塌落拱頂巖梁穩(wěn)定性的塌落拱高度計(jì)算修正公式，進(jìn)而修正得到了水平層狀圍巖條件下深埋隧道豎向荷載荷載計(jì)算公式。

2）在考慮塌落拱頂巖梁作用效應(yīng)下，銅川隧道一號(hào)斜井工區(qū)水平層狀砂巖、泥巖的巖梁極限厚度分別為1.7、2.3 m，層狀圍巖巖層大于極限厚度時(shí)，巖梁可代替超前支護(hù)起到拱頂加固作用。

3）銅川隧道一號(hào)斜井工區(qū)Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖的施工工法均可采用全斷面法且掌子面穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4）銅川隧道一號(hào)斜井工區(qū)Ⅲb型、Ⅳa型和Ⅳb型初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，鋼支撐最大間距分別為1.8、1.6、1.6 m，相應(yīng)的截面最小安全系數(shù)分別為1.65、1.63、1.57，均滿足規(guī)范安全系數(shù)控制基準(zhǔn)要求。

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