浩吉鐵路黃土隧道初期支護(hù)格柵鋼架應(yīng)用研究

皮 圣

(川藏鐵路有限公司，四川 成都 610043)

0 引言

在黃土地區(qū)修建雙線或大跨度隧道，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展(尤其是鄭西高鐵的修建)，設(shè)計(jì)施工技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，形成了系統(tǒng)的黃土隧道修建成套技術(shù)[1-5]。針對(duì)現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，相關(guān)學(xué)者在錨桿設(shè)置、鋼架形式、應(yīng)用范圍等方面開展了一系列研究。錨桿設(shè)置方面：唐培連[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)拱頂錨桿支護(hù)效果不明顯，建議取消拱部錨桿；楊建民[7]根據(jù)對(duì)淺埋大斷面黃土隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，陳建勛等[8]采用數(shù)值分析，建議取消拱部系統(tǒng)錨桿，加強(qiáng)鎖腳錨桿設(shè)置；孟德鑫等[9]對(duì)大斷面黃土隧道采用離心試驗(yàn)，得出系統(tǒng)錨桿對(duì)控制隧道變形效果不明顯，建議取消系統(tǒng)錨桿。鋼架選型方面：譚忠盛等[10]開展型鋼和格柵2種鋼架現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究認(rèn)為采用格柵鋼架的圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較型鋼鋼架小，Ⅳ級(jí)黏質(zhì)老黃土隧道采用格柵鋼架更具優(yōu)越性；李健等[11]基于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)和支護(hù)與圍巖特征曲線相互作用研究，表明鄭西大斷面黃土隧道Ⅳ級(jí)黏質(zhì)老黃土隧道采用格柵鋼架的經(jīng)濟(jì)性和施工速率更佳，Ⅴ級(jí)砂質(zhì)新黃土宜采用型鋼鋼架；馬凱蒙[12]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法建立混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線，認(rèn)為混凝土早期強(qiáng)度控制較好且結(jié)構(gòu)對(duì)沉降控制要求不大時(shí)可選用格柵鋼架支護(hù)。以上研究成果及現(xiàn)有規(guī)范[13-14]推薦大跨度(12～14 m)黃土隧道Ⅳ級(jí)圍巖采用格柵鋼架，Ⅴ級(jí)圍巖基本不采用格柵鋼架。

結(jié)合既有研究成果，綜合考慮格柵鋼架相比型鋼鋼架質(zhì)量輕、安裝快、用鋼量少、能與噴射混凝土良好結(jié)合、應(yīng)力小且分布均勻、適應(yīng)變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[15]，研究將格柵鋼架推廣應(yīng)用到黃土雙線Ⅴ級(jí)圍巖地段，洛吉鐵路全線初期支護(hù)混凝土采用噴射速度大于15 m/h的濕噴機(jī)械手作業(yè)，能確保噴射混凝土的早期強(qiáng)度。為此，對(duì)全線黃土隧道初期支護(hù)鋼架類型和型號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，開展模型比例為1∶1的全環(huán)格柵鋼架混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)指標(biāo)測(cè)試。

1 黃土隧道概況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道(即“蒙華鐵路”，開通運(yùn)營(yíng)后更名為浩吉鐵路，以下簡(jiǎn)稱“浩吉鐵路”)北起內(nèi)蒙古自治區(qū)浩勒?qǐng)?bào)吉南站，途徑陜西、山西、河南、湖北、湖南，止于江西省吉安站，正線全長(zhǎng)1 813.544 km。全線共有隧道229座，長(zhǎng)468.5 km，其中74座隧道分布有黃土段落，共計(jì)176.4 km，主要分布在陜西、山西地段。

雙線黃土隧道開挖面積為101.44～170.87 m2，開挖跨度為11.16～15.40 m。洞身穿越黃土類型主要有砂質(zhì)新黃土(淺黃色，稍密—中密，土質(zhì)均勻，砂感較強(qiáng)，具濕陷性)、砂質(zhì)老黃土(棕褐色，中密—密實(shí)，土質(zhì)均勻)、黏質(zhì)新黃土(黃褐色，軟塑—硬塑，具濕陷性)、黏質(zhì)老黃土(棕褐色，硬塑—堅(jiān)硬，垂直節(jié)理發(fā)育，含蒙脫石，具弱膨脹性)。

1.1 黃土物理力學(xué)特性

全線隧道黃土的物理力學(xué)性質(zhì)具有如下特點(diǎn)：

1)孔隙率大、密度小、透水性好?？紫堵蕿?5%～55%(孔隙比為0.8～1.1)，干密度為1.3～1.5 g/cm3。

2)含水率較高。含水率為10%～29%，飽和度為85%～90%，因含水率不同呈現(xiàn)硬塑—流塑狀態(tài)。

3)抗水性差。以粉粒和親水弱的礦物為主，具有大孔結(jié)構(gòu)，天然含水率小，具有黏粒的強(qiáng)結(jié)合水聯(lián)結(jié)和鹽分的膠結(jié)聯(lián)結(jié)，在干燥時(shí)可以承擔(dān)一定荷載而變形不大；但受水浸濕后，土粒聯(lián)結(jié)顯著減弱，引起土結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生濕陷變形。特別是對(duì)于干燥的黃土，遇水極易崩解。

4)黃土濕陷性差異大。濕陷性系數(shù)為0.015～0.126，從不具濕陷性到強(qiáng)濕陷性。

5)塑性較小。液限為23%～33%，塑限為15%～20%。

6)黏聚力和內(nèi)摩擦角差異大。自然狀態(tài)下黏聚力為0.03～0.06 MPa，內(nèi)摩擦角為15°～25°；受水浸濕后，黃土的壓縮性隨著含水率的增加而急劇增大，抗剪強(qiáng)度隨之顯著降低。

1.2 黃土不良地質(zhì)特點(diǎn)

黃土地區(qū)沖溝發(fā)育，洞口段常見陷穴、淺層溜塌體，淺埋、淺埋偏壓，主要分布新黃土，呈松散結(jié)構(gòu)，局部易發(fā)生坍塌；部分淺埋黃土區(qū)段，洞身位于地下水位以下，黃土呈流塑—軟塑狀，開挖成型難；土石界面區(qū)段，黃土豎向節(jié)理發(fā)育，基巖裂隙發(fā)育，伴隨裂隙水，黃土開挖易局部掉塊，下部巖體需采用控制爆破施工；埋深90 m以上老黃土地段，含水率較高(局部達(dá)到18%以上)，開挖后持續(xù)變形時(shí)間長(zhǎng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)形變壓力大。

2 初期支護(hù)鋼架形式及全環(huán)力學(xué)試驗(yàn)

2.1 初期支護(hù)鋼架形式

浩吉鐵路隧道建設(shè)明確初期支護(hù)作為主要承載結(jié)構(gòu)，與圍巖共同作用承擔(dān)施工期的全部荷載，不受二次襯砌步距限制。初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定后，二次襯砌施工根據(jù)施組安排確定。

考慮全線隧道Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)鋼架均有采用格柵鋼架和型鋼鋼架2種類型，鋼架型號(hào)和參數(shù)類型較多，不利于采用工廠化集中生產(chǎn)加工。綜合格柵鋼架和型鋼鋼架的力學(xué)性能特點(diǎn)，在征集全鐵路系統(tǒng)格柵鋼架設(shè)計(jì)圖的基礎(chǔ)上，編制了浩吉鐵路8字結(jié)格柵鋼架通用設(shè)計(jì)圖。根據(jù)隧道斷面形式、圍巖條件，全線黃土隧道格柵鋼架規(guī)格主要包含H150、H180、H230(H表示格柵鋼架高度)，格柵鋼架按40 mm(外側(cè))、30 mm(內(nèi)側(cè))厚度設(shè)置混凝土保護(hù)層。黃土隧道格柵鋼架規(guī)格類型見表1。

表1 黃土隧道格柵鋼架規(guī)格類型

以H180型格柵鋼架為例，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

(a)空間布置

2.2 格柵鋼架全環(huán)力學(xué)試驗(yàn)

考慮全線黃土地段地質(zhì)條件復(fù)雜，格柵鋼架應(yīng)用范圍廣，為充分掌握格柵鋼架力學(xué)特性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多的H180型格柵鋼架，開展模型比例為1∶1的全環(huán)格柵鋼架混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)。

2.2.1 格柵鋼架噴混凝土試件

試件截面尺寸b×h=270 mm×800 mm，格柵鋼架位于試件中間位置。試件制作流程為：格柵鋼架拼接與架立—沿格柵鋼架弧度架設(shè)內(nèi)外木?！捎盟淼缹?shí)際工程所用C25噴射混凝土一次性澆筑成型—拆模以及對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)，直到混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2.2.2 試驗(yàn)加載系統(tǒng)

全環(huán)試驗(yàn)采用臥式靜力加載系統(tǒng)，從試驗(yàn)結(jié)構(gòu)縱向和環(huán)向方向施加均布荷載，加載系統(tǒng)分為4部分。試驗(yàn)由鋼筋混凝土反力墻提供反力，鋼絞線束錨固在反力墻與千斤頂之間以對(duì)構(gòu)件施加千斤頂提供的加載力，鋼板焊接組成的加載梁與工字鋼焊接組成的弧形分配梁位于千斤頂和試驗(yàn)試件之間，將千斤頂和鋼絞線束提供的點(diǎn)荷載轉(zhuǎn)變?yōu)榫己奢d作用在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上。加載系統(tǒng)如圖2—5所示。

圖2 全環(huán)加載示意圖

圖3 局部加載示意圖

圖4 分配梁與加載梁示意圖(單位：mm)

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試件

2.2.3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)采用拱頂加載-橫向約束，通過(guò)拱頂5個(gè)Ⅰ型弧形梁處10個(gè)千斤頂對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件施加徑向向內(nèi)的等大荷載，同時(shí)限制拱腰及邊墻位置上Ⅱ、Ⅲ型弧形梁及仰拱Ⅳ型弧形梁處沿徑向向外的位移，對(duì)加載處的試驗(yàn)構(gòu)件位移與變形進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)。

試驗(yàn)共制作2個(gè)試件，進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)，拱頂加載-橫向約束位移下結(jié)構(gòu)極限荷載-位移曲線如圖6所示(“中Ⅰ”表示處于示意圖中間位置的Ⅰ型弧形梁所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)部分，“左Ⅰ-1”表示處于示意圖左側(cè)距離中間最近處的結(jié)構(gòu)部分，以此類推)。

圖6 拱頂加載-橫向約束下結(jié)構(gòu)極限荷載-位移曲線

實(shí)時(shí)測(cè)量2個(gè)試件Ⅰ型結(jié)構(gòu)部分荷載與位移如表2所示。

表2 拱頂加載-橫向約束下結(jié)構(gòu)極限荷載與位移值

格柵鋼架混凝土全環(huán)力學(xué)試驗(yàn)研究成果表明，在拱頂加載-橫向約束狀態(tài)下，格柵鋼架混凝土全環(huán)結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下承載值為937.68 kN，換算圍巖壓力值為651.17 kPa，相當(dāng)于可承擔(dān)32.56 m高度的黃土自重，最大變形量均值為92.85 mm，在考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)為2.4的情況下，換算成黃土自重高度為13.56 m。格柵鋼架混凝土全環(huán)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較高的承載能力兼顧較大的變形協(xié)調(diào)能力。

3 黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及施工工法

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

全線黃土隧道支護(hù)類型主要包含Ⅳ土、Ⅴa土、Ⅴb土3種類型，其中Ⅳ土支護(hù)類型主要用于深埋黏質(zhì)老黃土、砂質(zhì)老黃土地段，Ⅴa土、Ⅴb土主要用于淺埋、偏壓等黏質(zhì)新黃土、砂質(zhì)新黃土及富水飽和黃土地段。黃土隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)包含拱部120°范圍超前小導(dǎo)管、全環(huán)格柵鋼架、鎖腳錨管、雙層鋼筋網(wǎng)片、φ22 mm縱向鋼架連接筋(環(huán)向間距1 m，單排交錯(cuò)布置)及C25噴射混凝土。Ⅴb土支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 Vb土支護(hù)結(jié)構(gòu)圖(單位：m)

3.2 施工工法

全線黃土隧道采用微三臺(tái)階法開挖，臺(tái)階長(zhǎng)度一般為5 m，上臺(tái)階根據(jù)掌子面自穩(wěn)能力視情況預(yù)留核心土，預(yù)留核心土處左右同步開挖，下臺(tái)階帶仰拱一次開挖成型。一次開挖進(jìn)尺為1～2榀鋼架間距，強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)格柵鋼架緊跟掌子面，初期支護(hù)仰拱及時(shí)封閉成環(huán)緊跟下臺(tái)階；初期支護(hù)仰拱封閉成環(huán)距掌子面距離一般為1～1.5倍洞跨(特殊地段按不大于2倍洞跨控制)?，F(xiàn)場(chǎng)微三臺(tái)階法開挖如圖8所示。

圖8 微三臺(tái)階法開挖

4 黃土隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)測(cè)試

為確保全線黃土隧道初期支護(hù)采用格柵鋼架的可行性，在鄭莊隧道Ⅳ級(jí)圍巖地段和郭旗隧道Ⅴ級(jí)圍巖地段開展了現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)測(cè)試，對(duì)初期支護(hù)變形收斂、圍巖壓力、噴射混凝土應(yīng)力、格柵鋼架應(yīng)力等進(jìn)行測(cè)試分析。

4.1 Ⅳ級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)類型

鄭莊隧道Ⅳ級(jí)圍巖試驗(yàn)段長(zhǎng)30 m，埋深80～112 m，每隔10 m布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)3個(gè)，監(jiān)測(cè)斷面全環(huán)設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。掌子面圍巖主要為黏質(zhì)老黃土、砂質(zhì)老黃土，掌子面揭露呈黃色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，開挖局部掉塊，有少量地下水。全環(huán)采用H150型格柵鋼架，間距0.6 m，網(wǎng)噴C25噴射混凝土，厚度為22 cm。

4.1.1 拱頂下沉及水平收斂

拱頂下沉及水平收斂曲線如圖9所示。由圖可知，監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉值為80 mm，水平收斂值為32 mm。初期支護(hù)全斷面封閉成環(huán)后，拱頂沉降及水平收斂速率快速下降并趨于穩(wěn)定，后期拱頂下沉值僅增加20 mm，水平收斂值基本無(wú)增加，歷時(shí)約1個(gè)月變形趨于穩(wěn)定。

(a)拱頂下沉

4.1.2 圍巖壓力

選取一試驗(yàn)斷面進(jìn)行圍巖與初期支護(hù)間壓力測(cè)試，部分有效測(cè)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)如圖10所示。由圖可知，隧道拱腰至邊墻部位圍巖壓力較大，最大值位于左側(cè)邊墻上部，為352.6 kPa，約占初期支護(hù)極限承載圍巖壓力值的54.2%。隧道拱頂部位可能因壓力盒與圍巖間接觸不緊密，導(dǎo)致實(shí)測(cè)壓力值偏小。

圖10 圍巖壓力(單位：kPa)

4.1.3 格柵鋼架應(yīng)力

監(jiān)測(cè)斷面格柵鋼架應(yīng)力包絡(luò)圖如圖11所示。由圖可知，全環(huán)格柵鋼架承受壓應(yīng)力，內(nèi)外側(cè)鋼架應(yīng)力值相差不大，最大壓應(yīng)力值為36.74 MPa，位于右邊墻。格柵鋼架應(yīng)力值遠(yuǎn)小于HRB400鋼筋屈服強(qiáng)度(400 MPa)，強(qiáng)度利用率不到10%。

(a)內(nèi)側(cè)

4.1.4 噴射混凝土應(yīng)力

監(jiān)測(cè)斷面噴射混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖如圖12所示。由圖可知，全環(huán)噴射混凝土承受壓應(yīng)力，內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力稍大于外側(cè)壓應(yīng)力;隧道拱部及邊墻壓應(yīng)力值較大，最大壓應(yīng)力值為28.8 MPa，位于邊墻左側(cè)。除個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余部位噴射混凝土壓應(yīng)力值均在C25噴射混凝土彎曲抗壓極限強(qiáng)度24.2 MPa之內(nèi)，初期支護(hù)噴射混凝土總體強(qiáng)度滿足安全需求。

(a)內(nèi)側(cè)

4.2 Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)類型

姚店隧道Ⅴ級(jí)圍巖試驗(yàn)段長(zhǎng)30 m，埋深92～94 m，每隔10 m布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)3個(gè)，監(jiān)測(cè)斷面全環(huán)設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。掌子面圍巖主要為黏質(zhì)新黃土、砂質(zhì)新黃土，局部黏質(zhì)老黃土、砂質(zhì)新黃土，掌子面揭露呈黃色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，開挖面自穩(wěn)較困難，開挖局部掉塊，有少量地下水，上臺(tái)階開挖預(yù)留核心土。全環(huán)采用H180型格柵鋼架，間距為0.75 m，網(wǎng)噴C25噴射混凝土，厚度為25 cm。

4.2.1 拱頂下沉及水平收斂

拱頂下沉及水平收斂曲線如圖13所示。由圖可知，監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉值為110 mm，水平收斂值為42 mm。中下臺(tái)階開挖階段，初期支護(hù)拱頂下沉變化速率較快，下臺(tái)階開挖基本完成時(shí)，拱頂下沉值達(dá)到100 mm，水平收斂值呈震蕩性變化；初期支護(hù)全斷面封閉成環(huán)后，拱頂沉降及水平收斂速率快速下降并趨于穩(wěn)定；歷時(shí)約1個(gè)月變形趨于穩(wěn)定。

(a)拱頂下沉

4.2.2 圍巖壓力

選取一試驗(yàn)斷面進(jìn)行圍巖與初期支護(hù)間壓力測(cè)試，測(cè)得圍巖壓力如圖14所示。受圍巖巖性、節(jié)理裂隙等因素影響，圍巖左側(cè)部分壓力值明顯大于右側(cè)；隧道拱部、墻腳及仰拱中心存在較大的圍巖壓力，最大值位于拱腰處，為298.5 kPa，約占初期支護(hù)極限承載圍壓值的45.9%。

圖14 圍巖壓力(單位：kPa)

4.2.3 格柵鋼架應(yīng)力

監(jiān)測(cè)斷面格柵鋼架應(yīng)力包絡(luò)圖如圖15所示。由圖可知，全環(huán)格柵鋼架承受壓應(yīng)力，總體上內(nèi)側(cè)鋼架應(yīng)力值大于外側(cè)，隧道拱部及邊墻承受較大的壓應(yīng)力；格柵鋼架最大壓應(yīng)力值為242.4 MPa，位于右側(cè)拱腰。除少數(shù)部位格柵鋼架強(qiáng)度利用率達(dá)到60%外，多數(shù)部位格柵鋼架強(qiáng)度利用率為20%～46%。

(a)內(nèi)側(cè)

4.2.4 噴射混凝土應(yīng)力

監(jiān)測(cè)斷面噴射混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖如圖16所示。由圖可知，全環(huán)噴射混凝土承受壓應(yīng)力，內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力稍大于外側(cè)壓應(yīng)力；隧道拱腰及邊墻壓應(yīng)力值較大，最大壓應(yīng)力值為47.34 MPa，位于左側(cè)拱腰?？傮w上噴射混凝土壓應(yīng)力均值為7.42～26.87 MPa，除個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余部位噴射混凝土壓應(yīng)力值均在C25噴射混凝土彎曲抗壓極限強(qiáng)度24.2 MPa之內(nèi)，初期支護(hù)噴射混凝土總體強(qiáng)度滿足安全需求。

(a)內(nèi)側(cè)

5 黃土隧道初期支護(hù)變形收斂數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

為進(jìn)一步探究黃土隧道初期支護(hù)采用格柵鋼架的可靠性，對(duì)全線黃土隧道約15 000個(gè)測(cè)試斷面的初期支護(hù)變形收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均持續(xù)監(jiān)測(cè)1個(gè)月以上并趨于穩(wěn)定，同時(shí)刪除了部分變形異常點(diǎn)數(shù)據(jù)。

5.1 Ⅳ級(jí)圍巖

5.1.1 變形總量

Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形最大值分布情況如圖17所示。全線黃土隧道Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)拱頂下沉最大值為77.5 mm，水平收斂最大值為47.8 mm；95%以上監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉值小于45 mm，水平收斂值小于35 mm；拱頂下沉和水平收斂隨埋深分布離散性較大，無(wú)顯著規(guī)律。拱頂下沉及水平收斂值均小于開挖預(yù)留變形量控制值(80～120 mm)。

圖17 Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形最大值分布情況

5.1.2 變形速率

Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形速率分布情況如圖18所示。全線黃土隧道Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形速率分布主要集中在5 mm/d以內(nèi);淺埋隧道初期支護(hù)變形速率均未超過(guò)5 mm/d；深埋隧道初期支護(hù)約13%的監(jiān)測(cè)斷面拱頂變形速率超過(guò)5 mm/d，最大變形速率為10 mm/d。

圖18 Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形速率分布情況

5.2 Ⅴ級(jí)圍巖

5.2.1 變形總量

Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形最大值分布情況如圖19所示。全線黃土隧道Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)拱頂下沉最大值為145 mm，水平收斂最大值為45 mm;90%以上監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉值在50 mm以內(nèi)。淺埋隧道相比深埋隧道拱頂下沉量要大，但達(dá)到80～120 mm的僅占2%。拱頂下沉及水平收斂值均在開挖預(yù)留變形量控制值之內(nèi)(120～150 mm)。

圖19 Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形最大值分布情況

5.2.2 變形速率

Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形速率分布情況如圖20所示。全線黃土隧道Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形速率分布主要集中在5 mm/d以內(nèi)。淺埋隧道拱頂變形速率在5～10 mm/d的占比約7%，10～15 mm/d的占比約6%，個(gè)別斷面變形速率達(dá)到30 mm/d；深埋隧道拱頂變形及水平收斂變形速率基本在5 mm/d以內(nèi)。

圖20 Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)變形速率分布情況

6 結(jié)論與建議

本文基于浩吉鐵路黃土隧道初期支護(hù)格柵鋼架模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)測(cè)試及初期支護(hù)變形收斂數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出如下結(jié)論：

1)8字結(jié)格柵鋼架混凝土結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較高的承載能力兼顧較大的變形協(xié)調(diào)能力。在承載能力極限狀態(tài)下，H180型格柵鋼架可承載相當(dāng)于32.56 m的黃土自重，考慮安全系數(shù)為2.4情況下可承載13.56 m的黃土自重。

2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段的力學(xué)測(cè)試表明，無(wú)論圍巖為老黃土還是新黃土，格柵鋼架均可應(yīng)用于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，初期支護(hù)變形收斂值、格柵鋼架應(yīng)力、噴射混凝土應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)。

3)基于大數(shù)據(jù)的初期支護(hù)變形收斂統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，黃土隧道初期支護(hù)采用格柵鋼架型式，Ⅳ級(jí)圍巖95%以上監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉值小于45 mm，水平收斂值小于35 mm；Ⅴ級(jí)圍巖90%以上監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉值小于50 mm。拱頂下沉及水平收斂值均在開挖預(yù)留變形量控制值之內(nèi)。

鑒于本線為重載鐵路隧道，黃土隧道斷面呈馬蹄形，隧道跨度和高度相差不大，斷面受力相對(duì)較好。為進(jìn)一步推廣格柵鋼架應(yīng)用范圍，建議在黃土隧道各類圍巖條件下的高鐵大斷面開展應(yīng)用研究。