雙線鐵路隧道初期支護(hù)形式優(yōu)化研究

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(qiáng)度折減研究了隧道無支護(hù)時(shí)圍巖穩(wěn)定性?；跀?shù)值計(jì)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(chǎng)。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(qiáng)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(qiáng)度的50%，鋼架與噴射混凝土均有足夠的安全余量?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)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(qiáng)度折減法;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

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

0? 引言

目前鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用工程類比法[1]，基于不同的圍巖分級(jí)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(jí)法[4-7];③Hoek等地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)（GSI）指標(biāo)圍巖分級(jí)法[8，9]。國(guó)內(nèi)隧道設(shè)計(jì)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(qiáng)度;力學(xué)模型采用泰沙基的塌落拱理論計(jì)算荷載，作用于結(jié)構(gòu)上計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠計(jì)算出明確的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，缺點(diǎn)在于忽略了圍巖的承載能力。因此，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者在考慮圍巖自承能力的基礎(chǔ)上對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化[14-18]。本文基于數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)1335m，最大埋深約100m。優(yōu)化以Ⅳ級(jí)與Ⅴ級(jí)圍巖段為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)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(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，噴射混凝土（C25）厚度為22cm;系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)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(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，噴射混凝土（C25）厚度為30cm;系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)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(qiáng)度儲(chǔ)備分析

本文應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件對(duì)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(shí)隧道的強(qiáng)度儲(chǔ)備。選取ZDK252+690與ZDK252+860斷面進(jìn)行計(jì)算，圍巖采用摩爾庫倫準(zhǔn)則。數(shù)值計(jì)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(hào)圍巖，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖分別為2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)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(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，強(qiáng)度折減法計(jì)算Ⅳ級(jí)與Ⅴ級(jí)圍巖的安全系數(shù)分別為：2.59與1.87，均大于1.0，計(jì)算結(jié)果說明圍巖有一定強(qiáng)度儲(chǔ)備。

3? 初期支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，圍巖自身具有一定強(qiáng)度儲(chǔ)備。目前，原設(shè)計(jì)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(duì)于Ⅳ級(jí)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(duì)于Ⅴ級(jí)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(yàn)段，監(jiān)測(cè)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(cè)元件如圖6所示。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2.1 未優(yōu)化段錨桿軸力

錨桿軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：①錨桿受力較小，與設(shè)計(jì)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(qiáng)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(cè)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(cè)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(qiáng)度的44.5%，在充分利用混凝土抗壓性能的同時(shí)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(cè)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(qiáng)度為400MPa，鋼架仍然有足夠安全儲(chǔ)備。

3.3 小結(jié)

由監(jiān)測(cè)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(qiáng)度儲(chǔ)備，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段驗(yàn)證了優(yōu)化的合理性與可行性。

4? 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)值模擬方法得到圍巖強(qiáng)度儲(chǔ)備，基于此對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化并運(yùn)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(qiáng)度儲(chǔ)備。②縮減原設(shè)計(jì)中作用有限的錨桿，減少工序，提高施工效率。③通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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。

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