基于BQ指標(biāo)的砂質(zhì)深埋單線鐵路隧道圍巖荷載研究

李繼剛

摘 要：圍巖荷載對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，現(xiàn)行規(guī)范所給圍巖荷載計(jì)算方法主要針對(duì)松弛（塌方）荷載，且對(duì)深埋單線鐵路隧道而言，其荷載值僅與圍巖級(jí)別因素相關(guān)，無法滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)需求，本文以砂質(zhì)深埋單線鐵路隧道作為研究對(duì)象，通過對(duì)圍巖實(shí)測(cè)荷載進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了基于BQ值指標(biāo)的圍巖荷載計(jì)算方法，為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)針對(duì)性設(shè)計(jì)起到了積極的指導(dǎo)和借鑒之用。

關(guān)鍵詞：砂質(zhì)圍巖;深埋;單線鐵路隧道;BQ指標(biāo);圍巖荷載確定方法

1 緒論

圍巖荷載是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的主要荷載類型，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因此，關(guān)于圍巖荷載的研究歷來就受到工程界人士的重視。我國(guó)現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中給出的圍巖荷載計(jì)算方法，主要是依據(jù)圍巖級(jí)別、隧道埋深、隧道段面尺寸等要素進(jìn)行計(jì)算，但需要指出的是，規(guī)范中圍巖荷載類型主要為松弛（塌方）荷載，這與當(dāng)時(shí)我國(guó)隧道支護(hù)水平是緊密相關(guān)的。隨著我國(guó)隧道支護(hù)技術(shù)水平的不斷提升，隧道及時(shí)支護(hù)成為了現(xiàn)實(shí)，故隧道支護(hù)所承圍巖荷載類型隨之也發(fā)生了本質(zhì)改變，即由松弛（塌方）荷載轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兒奢d，在此背景下，研究形變荷載逐漸成為當(dāng)今隧道圍巖荷載研究的主流趨勢(shì)。

砂質(zhì)圍巖在我國(guó)分布較為廣泛，是隧道工程建設(shè)中常見的一種地質(zhì)類型，我國(guó)現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中，將砂質(zhì)圍巖主要分為Ⅳ、Ⅴ級(jí)兩種圍巖級(jí)別，因此，對(duì)于深埋單線鐵路隧道而言，其圍巖荷載依據(jù)現(xiàn)行隧道規(guī)范公式只能獲取兩檔圍巖荷載數(shù)值，但在工程實(shí)踐中，因砂質(zhì)圍巖物理力學(xué)參數(shù)范圍較廣，僅采用兩檔圍巖荷載值指導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法滿足工程實(shí)踐中支護(hù)精細(xì)化設(shè)計(jì)需求，鑒于此，本文借鑒現(xiàn)行隧道規(guī)范中BQ值思想，通過對(duì)國(guó)內(nèi)多座砂質(zhì)深埋單線鐵路隧道圍巖壓力實(shí)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了基于BQ指標(biāo)的砂質(zhì)深埋單線鐵路隧道圍巖荷載計(jì)算方法，以為指導(dǎo)砂質(zhì)深埋單線鐵路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)提供參考和借鑒作用。

2 圍巖荷載樣本獲取及處理

2.1 圍巖荷載樣本獲取

通過對(duì)我國(guó)砂質(zhì)單線鐵路隧道進(jìn)行廣泛調(diào)研，共獲取9座砂質(zhì)單線鐵路隧道27個(gè)深埋地段監(jiān)測(cè)斷面的圍巖壓力實(shí)測(cè)樣本值，9座隧道的工程概況詳見表1所示。

2.2 圍巖荷載樣本處理

將各監(jiān)測(cè)斷面各監(jiān)測(cè)部位處圍巖接觸壓力實(shí)測(cè)穩(wěn)定值作為本次統(tǒng)計(jì)分析的圍巖荷載樣本值對(duì)象，由于各監(jiān)測(cè)部位圍巖接觸壓力實(shí)測(cè)值為隧道徑向壓力值，因此，參照現(xiàn)行隧道規(guī)范圍巖荷載分布模式，需將各部位徑向壓力值轉(zhuǎn)化為均布值，處理過程如下：

2.2.1 圍巖荷載轉(zhuǎn)換計(jì)算

對(duì)于每個(gè)測(cè)試斷面，拱頂處的荷載為豎向荷載，無水平荷載;拱腳處荷載為水平荷載，無豎向荷載;拱肩處荷載方向與水平方向夾角近似成45°，近似指向拱軸線圓心，故左拱肩處的垂直荷載為F11=F1×2/2，右拱肩處的豎向荷載為F21=F2×2/2，左端三角區(qū)域底邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1=R×（1-2/2），中間梯形的高為L(zhǎng)2=R×（2/2）。

隧道總荷載等于各區(qū)域荷載之和，均布荷載等于總荷載除以跨度。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

2.2.2 圍巖荷載對(duì)應(yīng)的BQ值計(jì)算

為獲取各監(jiān)測(cè)斷面圍巖質(zhì)量指標(biāo)BQ值，依據(jù)各監(jiān)測(cè)斷面對(duì)巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度等指標(biāo)的測(cè)試及描述分析，參照現(xiàn)行規(guī)范中BQ值計(jì)算公式，獲取各監(jiān)測(cè)斷面所對(duì)應(yīng)的BQ計(jì)算值。BQ值計(jì)算公式見式1。

3 圍巖荷載計(jì)算方法回歸分析

以表2中砂質(zhì)深埋單線鐵路隧道圍巖荷載樣本值為基礎(chǔ)，繪制圍巖荷載隨BQ值間變化關(guān)系曲線，詳見圖2?；趪鷰r荷載與BQ值間相關(guān)性關(guān)系曲線，采用回歸分析方法，分別分析豎向荷載、水平荷載與BQ值間擬合式，結(jié)果見表3。

對(duì)比表3中相關(guān)性系數(shù)可知，豎向荷載和水平荷載均以采用指數(shù)形式回歸時(shí)相關(guān)性最大，因此，砂巖深埋單線鐵路隧道圍巖荷載計(jì)算公式建議采用指數(shù)型擬合公式，具體為：

（1）豎向荷載：q=874.86×e-0.01BQ（式2）

（2）水平荷載：q=1829.6e-0.021BQ（式3）

4 圍巖荷載計(jì)算方法工程驗(yàn)證

為驗(yàn)證圍巖荷載計(jì)算方法的可靠性，以新疆某砂巖深埋單線鐵路隧道為對(duì)象，對(duì)其開展工程驗(yàn)證。驗(yàn)證采用數(shù)值方法進(jìn)行，應(yīng)用荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，分別采用規(guī)范圍巖荷載計(jì)算值、本文圍巖荷載計(jì)算值進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果詳見圖3所示。

通過對(duì)比分析可知，擬合公式計(jì)算的彎矩值和軸力值比實(shí)測(cè)值大，比規(guī)范公式計(jì)算值小;安全系數(shù)實(shí)測(cè)值最大，擬合公式計(jì)算結(jié)果居中，規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果最小。因此，擬合公式計(jì)算結(jié)果較之規(guī)范計(jì)算結(jié)果更加趨于工程實(shí)際，說明了本文研究成果具有一定的合理性。

5 結(jié)語

圍巖荷載對(duì)指導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，現(xiàn)行隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中所給圍巖荷載計(jì)算方法，以圍巖松弛（塌方）荷載為對(duì)象，且對(duì)深埋單線鐵路隧道而言，荷載計(jì)算值僅以圍巖級(jí)別作為主要影響因素，無法滿足工程實(shí)踐中支護(hù)結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)的需求，本文以砂質(zhì)深埋單線鐵路隧道圍巖實(shí)測(cè)荷載為基礎(chǔ)，通過對(duì)圍巖實(shí)測(cè)荷載樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了基于BQ值的圍巖荷載計(jì)算方法，可實(shí)現(xiàn)不同圍巖狀態(tài)下圍巖荷載值的精準(zhǔn)計(jì)算，成果通過典型工程實(shí)例驗(yàn)證，具有較好的可靠性，為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)針對(duì)性設(shè)計(jì)起到了積極的參考和借鑒作用。

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