高速鐵路隧道支護(hù)參數(shù)的計(jì)算研究

肖明清， 陳立保， 徐 晨， 王少峰， 王克金

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

0 引言

鐵路、公路等交通隧道常采用復(fù)合式襯砌。在復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)理念方面，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)初期支護(hù)和二次襯砌的功能有3種不同的設(shè)計(jì)理念[1]： 第1種是將初期支護(hù)作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，二次襯砌作為承載主體； 第2種是將初期支護(hù)作為承載主體，二次襯砌僅作為安全儲(chǔ)備或僅承受不大的荷載；第3種是將二者均作為承載主體看待。在復(fù)合式襯砌的初期支護(hù)計(jì)算方法方面，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究[2-5]，提出工程類比法、特征曲線法、地層-結(jié)構(gòu)法、基于極限分析的地層-結(jié)構(gòu)法等方法，文獻(xiàn)[6]對(duì)錨桿的計(jì)算方法進(jìn)行了介紹，但缺少明確的荷載值與安全系數(shù)計(jì)算； 在二次襯砌計(jì)算方法方面，一般采用荷載-結(jié)構(gòu)法。由于初期支護(hù)和二次襯砌采用不同的計(jì)算方法，難以統(tǒng)一評(píng)價(jià)復(fù)合式襯砌這一整體結(jié)構(gòu)的安全性。此外，不管采用何種設(shè)計(jì)理念與計(jì)算方法，由于初期支護(hù)缺少明確的安全系數(shù)值，實(shí)際設(shè)計(jì)中選取支護(hù)參數(shù)的隨意性大。

在深埋隧道圍巖壓力方面，不同的設(shè)計(jì)規(guī)范有不同的要求，《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]推薦采用松散荷載作為圍巖壓力并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式； 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]推薦采用釋放荷載法計(jì)算的形變壓力作為圍巖壓力，同時(shí)也提出了與《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》相同的松散荷載計(jì)算公式； 《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[9]推薦埋深較淺的隧道采用松散荷載作為圍巖壓力，圍巖強(qiáng)度比達(dá)到一定值時(shí)還應(yīng)考慮形變壓力，但沒(méi)有具體的取值； 文獻(xiàn)[6]提出“對(duì)于較穩(wěn)定的圍巖采用松散荷載(按普氏理論計(jì)算)、不穩(wěn)定圍巖采用形變壓力作為圍巖壓力”的觀點(diǎn)。由于圍巖壓力取值方法不同，對(duì)支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生很大影響。當(dāng)采用基于荷載-結(jié)構(gòu)模型的安全系數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求以“最不利荷載”作為圍巖壓力，而《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的圍巖壓力是以“算術(shù)平均值”作為數(shù)學(xué)期望值的回歸分析值，并非“最不利荷載”，客觀上與安全系數(shù)法的設(shè)計(jì)原理不符。此外，仇文革等[10]的實(shí)測(cè)表明，初期支護(hù)受力狀態(tài)不符合塌落拱式松散荷載下的受力模式，而是符合圍巖變形且與支護(hù)相互作用而產(chǎn)生的形變壓力特征。

目前高速鐵路隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)主要采用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)理念是： Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖初期支護(hù)作為承載主體，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備； Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)和二次襯砌都作為承載主體，二次襯砌分擔(dān)50%～70%的圍巖壓力，圍巖壓力按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》公式計(jì)算[11]。隨著我國(guó)隧道施工機(jī)械化的全面推廣以及施工管理的逐步完善[12]，初期支護(hù)的施工質(zhì)量已得到極大提高，為支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供了有利條件。本文在前人對(duì)隧道圍巖壓力研究得出的解析解[2-5]的基礎(chǔ)上，通過(guò)所建立的初期支護(hù)荷載結(jié)構(gòu)模型和安全系數(shù)計(jì)算方法，對(duì)埋深分別為400 m和800 m情況下的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖高速鐵路雙線隧道的合理支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算研究，并與現(xiàn)行時(shí)速350 km高速鐵路雙線隧道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，以期為支護(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供幫助。

1 初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)方案與計(jì)算方法研究

1.1 圍巖壓力代表值的取值

當(dāng)圍巖側(cè)壓力系數(shù)λ=1時(shí)，圓形隧道塑性區(qū)半徑(RP)和支護(hù)力(Pi)的關(guān)系見(jiàn)式(1)，即著名的卡斯特納方程，相應(yīng)的隧道周邊位移見(jiàn)式(2)。

(1)

(2)

式中：R0為隧道開(kāi)挖半徑；P0為圍巖初始應(yīng)力；c為圍巖黏聚力；φ為圍巖內(nèi)摩擦角；u0為隧道周邊位移；G為圍巖剪切模量。

當(dāng)λ為任意正數(shù)時(shí)，對(duì)于符合摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則的圍巖，塑性區(qū)半徑和支護(hù)力的關(guān)系見(jiàn)式(3)，即魯賓涅特方程。

(3)

式中：θ為與隧道中心軸的夾角； 當(dāng)λ≠1時(shí)，P0應(yīng)采用水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力的平均值。

由式(3)可知，塑性區(qū)沿圓周接近橢圓分布，當(dāng)θ為45°的奇數(shù)倍時(shí)，塑性區(qū)半徑與λ=1時(shí)按式(1)計(jì)算的結(jié)果相同。此外，采用上述公式計(jì)算時(shí)，對(duì)于非圓形隧道，應(yīng)采用其外接圓進(jìn)行當(dāng)量化處理。

對(duì)于隧道工程，圍巖壓力(或所需支護(hù)力)的大小與變形有關(guān)，支護(hù)力與變形值的關(guān)系(即圍巖特征曲線)一般采用式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算。顯然，支護(hù)力并非定值，與支護(hù)剛度、支護(hù)時(shí)機(jī)等因素有關(guān)。盡管隧道圍巖壓力在某一個(gè)具體位置為定值，并作為恒載處理，但由于地質(zhì)條件的千變?nèi)f化以及不同地段施工方面的差異，即使圍巖級(jí)別相同，圍巖壓力在空間上也具有變異性，對(duì)于較長(zhǎng)區(qū)段采用相同支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮各種不利狀態(tài)下的荷載問(wèn)題。為便于分析，本文引用“圍巖壓力代表值”作為支護(hù)力，來(lái)解決實(shí)際荷載難以確定的問(wèn)題。需說(shuō)明的是，圍巖壓力代表值不是作用于支護(hù)上的實(shí)際值，只是一個(gè)用于結(jié)構(gòu)計(jì)算的荷載表征值。推薦頂部平均圍巖壓力代表值取式(3)中45°位置處的最大塑性區(qū)邊界(即Pi=0)與隧道開(kāi)挖輪廓線之間的圍巖自重，隧道側(cè)壓力代表值取頂部平均圍巖壓力與側(cè)壓力系數(shù)的乘積?？紤]到圍巖壓力在橫斷面上分布的差異性大，按式(3)得到的圍巖壓力代表值需再乘以1.2的安全系數(shù)。

式(1)和式(3)能夠合理體現(xiàn)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)、埋深和結(jié)構(gòu)斷面大小等因素的綜合影響，與圍巖特征曲線計(jì)算方法一致，比不考慮埋深影響的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式更為合理。

圍巖壓力代表值應(yīng)具備安全性和經(jīng)濟(jì)性2個(gè)特征，即圍巖壓力代表值既要能夠盡可能包絡(luò)可能的最大圍巖壓力，又不能過(guò)于保守而影響經(jīng)濟(jì)性。在安全性方面，頂部圍巖壓力代表值采用支護(hù)力為0時(shí)的最大塑性區(qū)自重，即隧道接近垮塌時(shí)的最大荷載，因此具有足夠的安全性。在經(jīng)濟(jì)性方面，即使施工時(shí)的實(shí)際支護(hù)力大于設(shè)定的圍巖壓力代表值，但由于隧道接近破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大變形，圍巖壓力將隨變形逐漸下降，只要隧道結(jié)構(gòu)具有較大的變形能力，實(shí)際圍巖壓力最終會(huì)接近所設(shè)定的代表值。根據(jù)大量計(jì)算總結(jié)，采用所提出的圍巖壓力代表值作為支護(hù)力時(shí)，可以將實(shí)際塑性區(qū)范圍控制在最大塑性區(qū)的70%～90%(根據(jù)圍巖等級(jí)不同而變化)，因而具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于V級(jí)圍巖，埋深超過(guò)100 m時(shí)圍巖壓力即大于規(guī)范取值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，深埋Ⅴ級(jí)圍巖大部分情況下為斷層破碎帶，受斷層寬度與產(chǎn)狀的影響，實(shí)際圍巖壓力會(huì)小于按式(3)得出的荷載。此外，設(shè)計(jì)中往往會(huì)采取超前注漿加固圍巖，也會(huì)大幅度減小荷載。考慮上述因素，在對(duì)注漿加固圈承載能力計(jì)算[13]的基礎(chǔ)上，取初期支護(hù)的圍巖壓力代表值為同埋深下Ⅳ級(jí)圍巖的180%。采用《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中圍巖物理力學(xué)參數(shù)表中的偏低值得出的不同埋深隧道圍巖壓力見(jiàn)表1。

表1 350 km/h高速鐵路雙線隧道頂部圍巖壓力

Table 1 Top surrounding rock pressure of high-speed double-track railway tunnel with speed of 350 km/h

埋深/mⅤ級(jí)圍巖(λ=0．7)Ⅳ級(jí)圍巖(λ=0．5)Ⅲ級(jí)圍巖(λ=0．4)Ⅱ級(jí)圍巖(λ=0．3)400410kPa(22．7m)228kPa(10．8m)47kPa(2．0m)6．1kPa(0．2m)800676kPa(37．5m)376kPa(17．9m)88kPa(3．7m)24kPa(0．9m)

注： 1)λ為側(cè)壓力系數(shù)； 2)括號(hào)內(nèi)數(shù)值為折算的土柱高度。

1.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)方案

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)方案可以有以下3種(為便于表述，不管噴射混凝土內(nèi)是否含有鋼筋網(wǎng)或鋼架，均簡(jiǎn)稱為噴層)。

支護(hù)方案1： 無(wú)系統(tǒng)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，即初期支護(hù)主要由噴層組成，不設(shè)置系統(tǒng)錨桿，僅設(shè)置局部錨桿防止掉塊。

支護(hù)方案2： 噴錨結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，即初期支護(hù)由噴層和系統(tǒng)錨桿共同組成。

支護(hù)方案3： 以錨為主支護(hù)結(jié)構(gòu)，即圍巖壓力全部由系統(tǒng)錨桿承擔(dān)，錨桿之間的局部松散荷載由網(wǎng)噴混凝土承擔(dān)，噴層最小結(jié)構(gòu)厚度為8 cm。

對(duì)于采取圍巖注漿的隧道，注漿層一方面可以減少地層變形與支護(hù)荷載，另一方面可以提高錨桿的支護(hù)效果，但為簡(jiǎn)化分析，暫不考慮注漿層的作用。

1.3 初期支護(hù)計(jì)算的荷載結(jié)構(gòu)模型

1.3.1 模型1(噴層的荷載結(jié)構(gòu)模型)

模型1中(見(jiàn)圖1)，噴層采用梁?jiǎn)卧M，結(jié)構(gòu)與地層的相互作用采用無(wú)拉徑向彈簧和切向彈簧模擬，錨桿采用桿單元模擬。求得噴層的內(nèi)力后，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》采用破損階段法進(jìn)行截面強(qiáng)度校核。

q為豎向荷載；e為水平荷載。

圖1模型1(噴層的荷載結(jié)構(gòu)模型)

Fig. 1 Model 1 (load-structure model of shotcrete layer)

1.3.2 模型2(錨桿的荷載結(jié)構(gòu)模型)

模型2中(見(jiàn)圖2)，由錨桿承擔(dān)全部圍巖壓力，每根錨桿的內(nèi)力等于其所承擔(dān)范圍內(nèi)的圍巖壓力。噴層僅承擔(dān)相鄰2根錨桿內(nèi)端頭(即噴射混凝土壁面的墊板)按45°角往圍巖擴(kuò)散后交點(diǎn)以下的三角形區(qū)域的圍巖自重，噴層內(nèi)力按多點(diǎn)支撐雙向板計(jì)算。該模型要求錨桿的最小長(zhǎng)度應(yīng)大于模型3計(jì)算所得的錨桿長(zhǎng)度。錨桿分別按屈服強(qiáng)度和抗拔極限強(qiáng)度采用不同的安全系數(shù)進(jìn)行校核，為充分發(fā)揮錨桿的材料強(qiáng)度，要求抗拔強(qiáng)度不低于錨桿的屈服強(qiáng)度。

圖2 模型2(錨桿的荷載結(jié)構(gòu)模型)

1.3.3 模型3(組合拱模型)

模型3中(見(jiàn)圖3)，錨桿的外端頭按一定角度(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖分別對(duì)應(yīng)45°、40°、35°、30°)往隧道內(nèi)側(cè)進(jìn)行壓力擴(kuò)散，相鄰錨桿壓力擴(kuò)散后的交點(diǎn)所形成的連線即為組合拱的外邊線，組合拱內(nèi)邊線為噴層內(nèi)表面，這樣由錨桿群在空間上就形成了厚度為h的均勻壓縮帶，與噴層共同組成了承載組合拱。采用徑向彈簧模擬圍巖與組合拱的相互作用，組合拱內(nèi)的圍巖以及噴層內(nèi)所設(shè)置的鋼架均按等高度、等剛度的原則等效為噴射混凝土，該模型中要求錨桿的長(zhǎng)度大于其間距的2倍。

結(jié)構(gòu)內(nèi)力求取后，組合拱構(gòu)件可按材料力學(xué)的平截面假設(shè)求得截面的應(yīng)力分布，為內(nèi)側(cè)噴射混凝土控制時(shí)，采用混凝土的極限強(qiáng)度校核； 為外側(cè)圍巖控制時(shí)，可采用有側(cè)限力作用下圍巖的抗壓極限強(qiáng)度校核，側(cè)限力為有支護(hù)力時(shí)拱圈外側(cè)處徑向力的彈塑性解。

h為組合拱高度。

圖3模型3(組合拱模型)

Fig. 3 Model 3 (load-structure model of combined arch)

1.3.4 計(jì)算模型的選擇

上述3個(gè)計(jì)算模型互有關(guān)聯(lián)，互為補(bǔ)充。對(duì)于支護(hù)方案1，噴層的結(jié)構(gòu)組成(噴射混凝土、鋼架、鋼筋網(wǎng)等)、材料選擇與尺寸參數(shù)等可僅采用模型1計(jì)算； 對(duì)于支護(hù)方案2，噴層的計(jì)算采用模型1，錨桿的最小長(zhǎng)度計(jì)算采用模型3，錨桿材質(zhì)、直徑、抗拔所需長(zhǎng)度的計(jì)算采用模型2； 對(duì)于支護(hù)方案3，錨桿的最小長(zhǎng)度計(jì)算采用模型3，錨桿材質(zhì)、直徑、抗拔所需長(zhǎng)度的計(jì)算采用模型2。

1.4 安全系數(shù)取值

結(jié)合隧道工程的特點(diǎn)、目前隧道設(shè)計(jì)規(guī)范及安全系數(shù)設(shè)計(jì)法的原理，經(jīng)綜合分析研究，對(duì)初期支護(hù)安全系數(shù)取值的建議見(jiàn)表2。

2 初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

按初期支護(hù)的不同設(shè)計(jì)作用(為承載主體或臨時(shí)承載結(jié)構(gòu))，對(duì)不同支護(hù)方案的合理參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，其中噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)采用C30，錨桿材質(zhì)采用HRB400。由于Ⅱ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)僅為最低構(gòu)造要求(噴層厚度5 cm，拱部局部錨桿)，因此不再分析。下面對(duì)埋深400 m和800 m 2種情況進(jìn)行分析。

表2 初期支護(hù)安全系數(shù)建議值

注： 1)施工質(zhì)量好時(shí)取小值，否則取大值； 2)支護(hù)方案3中模型2的安全系數(shù)為錨桿安全系數(shù)，括號(hào)內(nèi)數(shù)值是錨桿屈服時(shí)的抗拔安全系數(shù)，防止抗拔強(qiáng)度低于錨桿強(qiáng)度； 3)“初期支護(hù)為臨時(shí)承載結(jié)構(gòu)”的含義是“初期支護(hù)僅需滿足施工期間的安全要求，但可以根據(jù)其耐久性的可靠程度來(lái)確定是否與二次襯砌共同作為承載主體”。

2.1 支護(hù)方案1(無(wú)系統(tǒng)錨桿支護(hù))的適用性

采用支護(hù)方案1時(shí)，按模型1計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3支護(hù)方案1不同圍巖計(jì)算結(jié)果

Table 3 Calculation results of support scheme 1 with different grades of surrounding rock

結(jié)構(gòu)類型圍巖級(jí)別400m埋深噴層厚度/cm安全系數(shù)800m埋深噴層厚度/cm安全系數(shù) 主要承載結(jié)構(gòu)Ⅲ84．61103．16Ⅳ223．02373．01Ⅴ423．06643．06 臨時(shí)承載結(jié)構(gòu)Ⅲ84．6182．54Ⅳ131．92221．86Ⅴ251．89401．80

注： Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖考慮鋼架作用。

由表3可知： 1)支護(hù)方案1作為承載主體用于Ⅲ級(jí)圍巖以及400 m埋深以內(nèi)的Ⅳ級(jí)圍巖是可行的； 2)800 m埋深的Ⅳ級(jí)圍巖以及400 m和800 m埋深的Ⅴ級(jí)圍巖因噴層厚度過(guò)大，經(jīng)濟(jì)性差，不宜采用支護(hù)方案1。

2.2 支護(hù)方案3(以錨為主支護(hù))的適用性

采用支護(hù)方案3時(shí)，在噴層厚度取8 cm，錨桿間距為1 m×1 m的條件下，按模型2和模型3計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知： 1)Ⅲ級(jí)圍巖采用支護(hù)方案3作為承載主體的方案是可行的，錨桿長(zhǎng)度和直徑在可接受范圍內(nèi)； 2)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖因錨桿直徑或長(zhǎng)度過(guò)大，實(shí)施難度大，不宜采用支護(hù)方案3。

2.3 支護(hù)方案2(噴錨組合支護(hù))的適用性

支護(hù)方案2既有噴層也有系統(tǒng)錨桿，應(yīng)分別計(jì)算其參數(shù)與安全系數(shù)，噴錨支護(hù)的綜合安全系數(shù)由噴層(模型1)和錨桿(模型2)的安全系數(shù)相加得出。理論上，采用噴錨組合支護(hù)時(shí)，噴層和錨桿的參數(shù)可以有多種組合。為減少計(jì)算工作量并便于對(duì)比，根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果，擬定支護(hù)參數(shù)時(shí)，取錨桿安全系數(shù)約為1.0(初期支護(hù)為承載主體)或0.5(初期支護(hù)為臨時(shí)承載結(jié)構(gòu))，其余所需安全系數(shù)由噴層提供，同時(shí)錨桿環(huán)縱向間距統(tǒng)一采用1.0 m×1.0 m。根據(jù)大量計(jì)算整理出的結(jié)果見(jiàn)表5，時(shí)速350 km高速鐵路雙線隧道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表6。

由表5和表6可知： 1)Ⅲ級(jí)圍巖在噴層厚度僅8 cm、錨桿長(zhǎng)度僅2 m時(shí)即可采用支護(hù)方案2作為承載主體，且有較高的安全冗余度； 2)Ⅳ級(jí)圍巖可采用支護(hù)方案2作為承載主體，400 m埋深時(shí)噴層可弱于時(shí)速350 km高速鐵路雙線隧道支護(hù)參數(shù)，而錨桿直徑需要加大，800 m埋深時(shí)錨桿用量略高于高速鐵路雙線隧道支護(hù)參數(shù)，因此可以通過(guò)區(qū)分埋深來(lái)提高支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性； 3)Ⅴ級(jí)圍巖在400 m埋深時(shí)可采用支護(hù)方案2作為承載主體，但錨桿用量與高速鐵路雙線隧道支護(hù)參數(shù)相比有所增加，而僅作為臨時(shí)支護(hù)則可大幅減弱支護(hù)參數(shù)； 在800 m埋深時(shí)，即使僅作為臨時(shí)支護(hù)，所需錨桿長(zhǎng)度與直徑均超出了高速鐵路雙線隧道支護(hù)參數(shù)，因此二次襯砌應(yīng)承擔(dān)部分荷載。

3 二次襯砌承載能力分析

二次襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與圖1相同，但由于初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)有防水層，因而取消拱墻部位的切向彈簧。

如采用“初期支護(hù)為承載主體、二次襯砌按構(gòu)造要求或僅承擔(dān)少量荷載”的設(shè)計(jì)理念，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌厚度分別由現(xiàn)行時(shí)速350 km高速鐵路雙線隧道的35、40、45、50 cm調(diào)整至35、35、40、40 cm，且Ⅳ級(jí)圍巖由鋼筋混凝土調(diào)整為素混凝土，Ⅴ級(jí)圍巖仍采用鋼筋混凝土，但適當(dāng)加大配筋率(在現(xiàn)行高速鐵路雙線隧道基礎(chǔ)上將鋼筋型號(hào)加大一級(jí))。

根據(jù)計(jì)算，在二次襯砌僅承受圍巖壓力的情況下，滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)時(shí)，Ⅱ～Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌能單獨(dú)承受的圍巖壓力所對(duì)應(yīng)的埋深分別約為>1 000、825、125(為800 m埋深圍巖壓力的20%)、600 m(為800 m埋深圍巖壓力的82%)。說(shuō)明Ⅱ級(jí)圍巖二次襯砌基本可以承受全部荷載，初期支護(hù)只需要保證施工安全； Ⅲ級(jí)圍巖二次襯砌獨(dú)立承受荷載可適應(yīng)的埋深約800 m，埋深更大時(shí)，需要初期支護(hù)分擔(dān)部分荷載； Ⅳ級(jí)圍巖二次襯砌只能承擔(dān)少量荷載，初期支護(hù)必須作為承載主體； Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌具有較強(qiáng)的承載能力，但埋深較大時(shí)不足以承擔(dān)全部荷載，應(yīng)與初期支護(hù)共同作為承載主體。

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化建議

4.1 對(duì)支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化建議

對(duì)比分析3種支護(hù)方案的計(jì)算結(jié)果以及二次襯砌可分擔(dān)圍巖壓力的計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

1)Ⅲ級(jí)圍巖初期支護(hù)采用3種支護(hù)方案都是可行的，從工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，為松動(dòng)巖塊提供錨固力，以錨為主的支護(hù)體系更為合理。

2)Ⅳ級(jí)圍巖二次襯砌只能承擔(dān)少量荷載，初期支護(hù)必須作為承載主體，以錨為主的支護(hù)方案不適用，以噴層為主的支護(hù)方案經(jīng)濟(jì)性差，應(yīng)采用噴錨組合支護(hù)方案，且應(yīng)考慮埋深的影響。

3)Ⅴ級(jí)圍巖噴錨組合支護(hù)方案在400 m埋深以內(nèi)的情況下可以作為承載主體，但考慮到經(jīng)濟(jì)性，二次襯砌應(yīng)發(fā)揮部分承載作用。當(dāng)埋深大于400 m時(shí)，采用初期支護(hù)作為承載主體經(jīng)濟(jì)性差，而由于二次襯砌具有較強(qiáng)的承載能力，因此可適當(dāng)降低初期支護(hù)的安全系數(shù)要求，初期支護(hù)和二次襯砌均作為承載主體。

綜合上述研究結(jié)論，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及工程耐久性要求，并考慮到此理論計(jì)算尚缺少現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的實(shí)際情況，在初期支護(hù)安全性不低于現(xiàn)行高速鐵路雙線隧道的前提下，對(duì)支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化建議見(jiàn)表7。與現(xiàn)行高速鐵路雙線隧道支護(hù)參數(shù)對(duì)比，主要不同點(diǎn)如下。

初期支護(hù)： 1)噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C25提高至C30； 2)減小了部分情況下噴射混凝土的厚度，Ⅱ級(jí)圍巖與現(xiàn)行參數(shù)相同，厚度為5 cm； Ⅲ級(jí)圍巖由12 cm減小至10 cm； Ⅳ級(jí)圍巖深埋由25 cm減小至20 cm，Ⅴ級(jí)圍巖深埋由28 cm減小至25 cm，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖深埋加強(qiáng)維持不變； 3)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖根據(jù)埋深的不同采用不同的支護(hù)參數(shù)。

二次襯砌： Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌厚度分別由35、40、45、50 cm調(diào)整至35、35、40、40 cm，且Ⅳ級(jí)圍巖由鋼筋混凝土調(diào)整為素混凝土，Ⅴ級(jí)仍采用鋼筋混凝土，但適當(dāng)加大配筋率。

4.2 優(yōu)化前后的安全系數(shù)對(duì)比

僅考慮圍巖壓力時(shí)，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分別見(jiàn)表8和表9。其中二次襯砌安全系數(shù)按承受全部圍巖壓力計(jì)算得出，結(jié)構(gòu)總安全系數(shù)由初期支護(hù)與二次襯砌各自的安全系數(shù)相加而成[14]。由表8和表9可知，優(yōu)化前后的初期支護(hù)安全系數(shù)差別不大，但優(yōu)化后的二次襯砌安全系數(shù)有所降低，特別是Ⅳ級(jí)圍巖降低幅度較大，但各級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌的總安全系數(shù)均大于3.0。由表8也可以看出，對(duì)于實(shí)際施工中部分工點(diǎn)省略系統(tǒng)錨桿的情況，僅依靠噴層也可以提供一定的安全系數(shù)來(lái)保證圍巖穩(wěn)定，但會(huì)降低總安全系數(shù)，這也間接說(shuō)明了本計(jì)算與實(shí)際情況基本符合。

表8 現(xiàn)行時(shí)速350 km高速鐵路雙線隧道支護(hù)參數(shù)的安全系數(shù)計(jì)算值

表9 優(yōu)化后時(shí)速350 km高速鐵路雙線隧道支護(hù)參數(shù)的安全系數(shù)計(jì)算值

5 結(jié)論與建議

通過(guò)建立初期支護(hù)荷載結(jié)構(gòu)模型和安全系數(shù)計(jì)算方法，針對(duì)時(shí)速350 km高速鐵路雙線隧道，提出了3種不同的初期支護(hù)方案，對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行了分析，對(duì)不同埋深(400 m和800 m)條件下初期支護(hù)的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)優(yōu)化后的二次襯砌承載能力進(jìn)行了計(jì)算分析，在此基礎(chǔ)上提出了高鐵隧道優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)建議值，并對(duì)優(yōu)化前后的安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算與對(duì)比，得到以下結(jié)論。

1)提出了采用圍巖壓力代表值作為設(shè)計(jì)荷載的思路，可以解決設(shè)計(jì)中圍巖壓力不確定的問(wèn)題，所推薦的計(jì)算公式與方法能夠合理體現(xiàn)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)、埋深、結(jié)構(gòu)斷面大小等因素的綜合影響，與圍巖特征曲線計(jì)算方法一致，比現(xiàn)有規(guī)范公式更為合理，且具有安全性與經(jīng)濟(jì)性。

2)建立了初期支護(hù)荷載結(jié)構(gòu)模型與安全系數(shù)計(jì)算方法，為初期支護(hù)構(gòu)件的選擇與量化設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

3)對(duì)無(wú)系統(tǒng)錨桿支護(hù)、噴錨結(jié)合支護(hù)、以錨為主的3種支護(hù)結(jié)構(gòu)方案的適應(yīng)性研究表明，Ⅲ級(jí)圍巖可以采用以錨為主的支護(hù)方案； Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖應(yīng)采用噴錨組合支護(hù)方案，且Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)應(yīng)作為承載主體； Ⅴ級(jí)圍巖在埋深小于400 m時(shí)可作為承載主體，但考慮經(jīng)濟(jì)性的影響，二次襯砌應(yīng)承擔(dān)部分荷載。

4)綜合3種支護(hù)方案的計(jì)算結(jié)果以及二次襯砌可分擔(dān)圍巖壓力的研究成果，當(dāng)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖二次襯砌分別采用35、35、40 cm的素混凝土、Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌采用40 cm鋼筋混凝土?xí)r，Ⅱ級(jí)圍巖二次襯砌基本可以承受全部圍巖壓力，初期支護(hù)只需要保證施工安全即可； Ⅲ級(jí)圍巖二次襯砌獨(dú)立承載可適應(yīng)的埋深接近800 m，埋深更大時(shí)，需要初期支護(hù)分擔(dān)部分荷載； Ⅳ級(jí)圍巖二次襯砌只能承擔(dān)少量荷載，初期支護(hù)必須作為承載主體； Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌具有較強(qiáng)的承載能力，但埋深較大時(shí)不足以承擔(dān)全部荷載，應(yīng)與初期支護(hù)共同作為承載主體。

5)隧道埋深對(duì)圍巖壓力影響較大，建議按照不同埋深采用相應(yīng)支護(hù)參數(shù)。

本文僅從理論計(jì)算角度對(duì)高速鐵路隧道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了研究，尚缺少室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的支撐，有待進(jìn)一步完善。此外，結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)工作環(huán)境(初期支護(hù)與水土直接接觸)且運(yùn)營(yíng)難以維護(hù)的特點(diǎn)，今后需要在地下水對(duì)圍巖壓力和結(jié)構(gòu)耐久性的影響、初期支護(hù)最小安全系數(shù)、復(fù)合式襯砌總安全系數(shù)、初期支護(hù)劣化對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響等方面進(jìn)一步研究。

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