公路隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化下安全儲(chǔ)備分析

謝清忠， 劉東東， 傅鶴林， 張蒙， 秦龍飛

(1.中交第四公路工程局有限公司， 北京 100022；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

Ⅳ級(jí)圍巖隧道初期支護(hù)承擔(dān)55%～70%的應(yīng)力釋放，確保初期支護(hù)安全是隧道設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵。目前公路隧道設(shè)計(jì)多采用工程類(lèi)比法，結(jié)構(gòu)受荷特征與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)效匹配不足使初期支護(hù)安全儲(chǔ)備難以掌控，時(shí)常出現(xiàn)初期支護(hù)安全儲(chǔ)備缺乏和安全儲(chǔ)備過(guò)高的情況，導(dǎo)致隧道設(shè)計(jì)安全和經(jīng)濟(jì)失衡。

目前對(duì)隧道初期支護(hù)優(yōu)化的研究主要集中在隧道系統(tǒng)錨桿方面，對(duì)拱架、砼和鎖腳錨桿的研究較少。文獻(xiàn)[4-6]認(rèn)為，對(duì)于黃土等軟弱圍巖隧道，系統(tǒng)錨桿對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響小，取消系統(tǒng)錨桿可使隧道盡早形成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[7]認(rèn)為在巖體隧道中可取消系統(tǒng)錨桿；文獻(xiàn)[8-9]對(duì)系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度、間距、范圍進(jìn)行了優(yōu)化，但對(duì)于巖體隧道初期支護(hù)安全儲(chǔ)備量化和能否取消系統(tǒng)錨桿尚不明確；文獻(xiàn)[10-11]認(rèn)為可通過(guò)減小拱架間距、改變鋼拱架型號(hào)甚至取消鋼拱架對(duì)隧道初期支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[12-13]認(rèn)為可通過(guò)改變噴射砼厚度和強(qiáng)度等級(jí)優(yōu)化隧道初期支護(hù)，但對(duì)于預(yù)留變形量的優(yōu)化研究較少。上述研究對(duì)于隧道初期支護(hù)優(yōu)化較為系統(tǒng)，但就初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化下安全儲(chǔ)備量化問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。該文結(jié)合江玉(江口—玉屏)高速公路香樹(shù)坳隧道，針對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中初期支護(hù)變形和受荷力學(xué)效應(yīng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算，對(duì)隧道初期支護(hù)變形、錨桿軸力和拱架應(yīng)力進(jìn)行分析，從系統(tǒng)錨桿、預(yù)留變形量和鋼架3個(gè)方面對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖隧道初期支護(hù)安全儲(chǔ)備進(jìn)行研究，為隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

香樹(shù)坳隧道位于貴州省江口縣，地處云貴高原向湘西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，屬低山構(gòu)造溶蝕侵蝕地貌，線(xiàn)路總體地勢(shì)西北低、東南高。隧址區(qū)的地層由新至老分別為第四系殘坡積層、第四系崩坡積層、寒武系下統(tǒng)變馬沖組、寒武系下統(tǒng)清虛洞組、寒武系下統(tǒng)杷榔組。隧道區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

右洞起止里程樁號(hào)為YK7+555—YK9+242，長(zhǎng)1 687 m，進(jìn)口設(shè)計(jì)路面高程513.83 m，出口設(shè)計(jì)路面高程560.50 m。隧道起止依次通過(guò)Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級(jí)圍巖，其中Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段長(zhǎng)1 120 m，占總長(zhǎng)度的66.4%，故針對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖段右幅YK8+864—874進(jìn)行研究。該段隧道埋深212～217 m，主要由弱風(fēng)化鈣質(zhì)頁(yè)巖構(gòu)成，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，在整個(gè)隧道Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段具有較好的代表性。測(cè)試斷面見(jiàn)圖1，弱風(fēng)化鈣質(zhì)頁(yè)巖參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 弱風(fēng)化鈣質(zhì)頁(yè)巖的參數(shù)

圖1 香樹(shù)坳隧道右幅縱斷面(單位：m)

1.2 初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

基于工程類(lèi)比法，右幅YK8+869處初期支護(hù)采取C25噴射砼(厚度22 cm)、C20系統(tǒng)錨桿(長(zhǎng)度3 m，縱向間距×環(huán)向間距80cm×120cm)、φ6.5鋼筋網(wǎng)(25 cm×25 cm)、I16工字型鋼拱架(間距80 cm)、預(yù)留8 cm變形量的方案(見(jiàn)圖2)。該隧道采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，雙洞同時(shí)開(kāi)挖，右幅開(kāi)挖至YK8+864—874區(qū)段時(shí)，左洞開(kāi)挖斷面位于右洞前方20 m處。

圖2 隧道支護(hù)方案(單位：cm)

依據(jù)JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》、JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》及設(shè)計(jì)資料，支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)

2 初期支護(hù)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)觀測(cè)與分析

2.1 安全儲(chǔ)備

當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度或剛度超過(guò)極限承載力時(shí)，構(gòu)件將發(fā)生破壞。因此，需預(yù)留一定量的安全儲(chǔ)備保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全。安全儲(chǔ)備定義如下：

(1)

(2)

式中：f為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全儲(chǔ)備；A為結(jié)構(gòu)極限承載力；B為結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值；f′為變形安全儲(chǔ)備；A′為預(yù)留變形量；B′為最大變形量。

2.2 測(cè)試方案

為明晰該隧道Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段初期支護(hù)受載特征，精確隧道初期支護(hù)安全儲(chǔ)備，在YK8+869斷面測(cè)試初期支護(hù)錨桿軸力、初期支護(hù)鋼架軸力、初期支護(hù)變形。測(cè)試位置見(jiàn)圖3。

圖3 傳感器布設(shè)位置

2.3 隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受荷特征

2.3.1 初期支護(hù)變形特征

初期支護(hù)累計(jì)變形量和變形速度是判定隧道施工安全性的關(guān)鍵指標(biāo)。如表3所示，測(cè)點(diǎn)D處初期支護(hù)累計(jì)變形隨時(shí)間增加而增大，最終累計(jì)變形穩(wěn)定在4.74 mm，平均速率隨時(shí)間推移先減少后略微增加，測(cè)試結(jié)束時(shí)穩(wěn)定在0.047 mm/d；測(cè)點(diǎn)E處初期支護(hù)累計(jì)變形隨時(shí)間增加先增大后減少，最終變形穩(wěn)定在-0.57 mm，初期支護(hù)變形速率先增大后減少，26 d后穩(wěn)定在0.023 mm/d。

表3 初期支護(hù)變形測(cè)試結(jié)果

由于該隧道左洞開(kāi)挖先于右洞，左側(cè)圍巖受施工爆破影響而松散，隧道測(cè)試斷面初期支護(hù)向左位移，支護(hù)5d后測(cè)點(diǎn)D向外變形3.77mm，測(cè)點(diǎn)E向隧道內(nèi)側(cè)產(chǎn)生1.47 mm變形(見(jiàn)圖4)。隨著時(shí)間推移，隧道頂部松散圍巖體對(duì)初期支護(hù)的豎向壓力增強(qiáng)，D、E兩處變形向隧道外側(cè)收斂，拱頂變形為5.6 mm時(shí)變形速率小于0.05 mm/d，初期支護(hù)變形趨于穩(wěn)定。拱頂處變形安全儲(chǔ)備為93%；測(cè)點(diǎn)E初期支護(hù)變形安全儲(chǔ)備最大，為99.3%；測(cè)點(diǎn)D初期支護(hù)變形向外收斂，不需考慮該處變形安全儲(chǔ)備。

圖4 初期支護(hù)累計(jì)變形(單位：mm)

2.3.2 系統(tǒng)錨桿錨固效果

在隧道環(huán)向施加系統(tǒng)錨桿并利用錨固劑與圍巖咬合，提高圍巖的抗拉抗剪能力，進(jìn)而提高圍巖的自穩(wěn)能力。系統(tǒng)錨桿受力狀態(tài)作為初期支護(hù)的重要安全指標(biāo)，錨桿受荷特性可客觀反映圍巖自身的自穩(wěn)能力及圍巖與錨桿之間的錨固效果。如表4所示，在隧道拱頂A處錨桿軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力，最大值為5.4 MPa；其余四處錨桿軸向應(yīng)力為拉應(yīng)力，左拱肩B處軸向應(yīng)力最小，為3.2 MPa；拱腰E處錨桿軸向應(yīng)力最大，為22.5 MPa?？傮w來(lái)看，隧道系統(tǒng)錨桿受力不大，最大拉應(yīng)力僅為鋼材極限強(qiáng)度的7.6%，系統(tǒng)錨桿強(qiáng)度安全儲(chǔ)備為92.4%。表明工程類(lèi)比法得到的系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)在實(shí)際受荷狀態(tài)中

表4 錨桿軸向應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

作用不明顯，安全儲(chǔ)備優(yōu)化空間較大。

由于隧道圍巖節(jié)理，右側(cè)錨桿軸向應(yīng)力大于左側(cè)錨桿軸向應(yīng)力，可根據(jù)情況調(diào)整系統(tǒng)錨桿分布，使隧道兩側(cè)錨桿安全儲(chǔ)備均衡。

2.3.3 隧道初期支護(hù)拱架應(yīng)力

拱架與噴射砼使隧道初期支護(hù)形成鋼筋砼，增強(qiáng)隧道初期支護(hù)受力承載性能。為方便分析拱架受力，將拱架應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為拱架軸向應(yīng)力。如表5所示，隧道拱頂測(cè)點(diǎn)A處拱架應(yīng)力最大，為120.3 MPa；右拱腰測(cè)點(diǎn)E處拱架應(yīng)力最小，為20.6 MPa；拱架應(yīng)力最大壓應(yīng)力僅為鋼材極限強(qiáng)度的36.5%，拱架應(yīng)力仍有63.5%的優(yōu)化空間。

表5 拱架軸向應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

3 初期支護(hù)受載數(shù)值分析與參數(shù)優(yōu)化

3.1 建立模型

為方便計(jì)算和分析隧道初期支護(hù)受荷特征，建立初期支護(hù)隧道模型(見(jiàn)圖5)。建模時(shí)作如下假設(shè)：1) 所有材料為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，不考慮圍巖節(jié)理產(chǎn)狀；2) 模型中鋼拱架支護(hù)作用等效至初期支護(hù)砼中，不考慮鋼筋網(wǎng)和鎖腳錨桿的支護(hù)作用，將其作為安全儲(chǔ)備；3) 初期支護(hù)荷載分擔(dān)比按最不利狀態(tài)計(jì)算，取80%。

圖5 隧道斷面模型(單位：kN/m)

按彈性地基計(jì)算襯砌內(nèi)力，地基彈簧抗力計(jì)算公式如下：

Fn=Kn·Un

(3)

Fs=Ks·Us

(4)

式中：Fn、Fs分別為法向和切向彈簧抗力；Kn、Ks分別為圍巖法向和切向彈性抗力系數(shù)，分別按式(5)、式(6)計(jì)算。

(5)

(6)

計(jì)算時(shí)，將初期支護(hù)中的拱架等效為等厚度砼，并利用等效原則進(jìn)行剛度疊加，公式如下：

EI1=E1I1+E2I2

(7)

式中：E為等效彈性模量；E1、I1分別為砼的彈性模量、慣性矩；E2、I2分別為拱架的彈性模量、慣性矩。

依據(jù)JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》、JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》及設(shè)計(jì)資料，數(shù)值計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

3.2 初期支護(hù)變形特征

如圖6所示，初期支護(hù)水平方向變形主要分布在上臺(tái)階，最大值為2.325 7 mm，僅為預(yù)留變形的2.9%；圍巖豎直方向變形在拱頂處最大，且距離拱頂越遠(yuǎn)豎直方向變形越小，最大變形為9.261 2 mm，豎向變形具有88.4%的安全儲(chǔ)備；拱底處變形較小，僅為0.194 8 mm。在數(shù)值計(jì)算中未考慮隧道圍巖產(chǎn)狀，初期支護(hù)變形左右對(duì)稱(chēng)，與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)有所偏差，但相差不大。

圖6 隧道初期支護(hù)變形(單位：mm)

3.3 隧道初期支護(hù)受載力學(xué)性能

如圖7所示，初期支護(hù)受載時(shí)，彎矩左右對(duì)稱(chēng)，拱頂彎矩最大，為42.43 kN·m；拱肩處彎矩最小，為-36.68 kN·m。初期支護(hù)剪力沿隧道中線(xiàn)左右兩側(cè)反對(duì)稱(chēng)，左側(cè)拱腳剪力最大，為137.88 kN；右側(cè)拱腳剪力最小，為-137.88 kN。初期支護(hù)受載時(shí)，軸力左右對(duì)稱(chēng)，拱頂處軸力最小，為640.47 kN；拱底處軸力最大，為992.25 kN。

圖7 初期支護(hù)軸載力學(xué)性能

3.4 安全性評(píng)估與支護(hù)優(yōu)化

3.4.1 安全性評(píng)估

為保證隧道滿(mǎn)足凈空和結(jié)構(gòu)尺寸要求，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)圍巖級(jí)別、斷面大小、埋置深度、施工方法和支護(hù)方式等設(shè)計(jì)預(yù)留變形量。在工程類(lèi)比法中Ⅳ級(jí)圍巖兩車(chē)道隧道預(yù)留8 cm變形量，實(shí)測(cè)隧道最大變形為5.6 mm，仍有93%的變形安全儲(chǔ)備；利用數(shù)值計(jì)算得到初期支護(hù)最大變形為9.26 mm，具有88.4%的安全儲(chǔ)備。數(shù)值計(jì)算中按最大荷載分擔(dān)比進(jìn)行計(jì)算，故變形比實(shí)測(cè)值大?？傮w上，隧道預(yù)留變形量安全儲(chǔ)備大，具有大量?jī)?yōu)化空間。

隧道施工中除構(gòu)件剛度問(wèn)題造成圍巖大變形帶來(lái)工程隱患外，構(gòu)件強(qiáng)度問(wèn)題也不容忽視。Q235鋼的極限強(qiáng)度為330 MPa，系統(tǒng)錨桿最大軸向應(yīng)力為22.5 MPa，拱架最大軸向應(yīng)力為-120.3 MPa，兩者均小于極限強(qiáng)度。且系統(tǒng)錨桿安全儲(chǔ)備為92.4%，受載后系統(tǒng)錨桿未能物盡其用；拱架強(qiáng)度為極限強(qiáng)度的36.5%，拱架安全儲(chǔ)備高。因此，強(qiáng)度方面，隧道支護(hù)構(gòu)件滿(mǎn)足安全要求。

3.4.2 隧道初期支護(hù)優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，初期支護(hù)安全儲(chǔ)備大，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，造成巨大的物力、財(cái)力浪費(fèi)。可從以下方面進(jìn)行優(yōu)化：

(1) 該隧道系統(tǒng)錨桿受力不足極限強(qiáng)度的7.6%，系統(tǒng)錨桿對(duì)初期支護(hù)的貢獻(xiàn)小。通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)系統(tǒng)錨桿進(jìn)行優(yōu)化，單獨(dú)取消系統(tǒng)錨桿后初期支護(hù)變形和強(qiáng)度安全儲(chǔ)備變化小于0.1%，對(duì)于弱風(fēng)化鈣質(zhì)頁(yè)巖隧道，可取消系統(tǒng)錨桿。

(2) 隧道拱架實(shí)測(cè)軸向應(yīng)力僅為極限強(qiáng)度的36.5%，保持其他支護(hù)參數(shù)不變，將拱架間距由0.8 m增加至1.5 m，最大軸向應(yīng)力增加0.4%，初期支護(hù)變形安全儲(chǔ)備減少2.85%。單獨(dú)將初期支護(hù)中的工字鋼尺寸由I16優(yōu)化至I14，拱架最大軸向應(yīng)力增加0.3%，初期支護(hù)變形安全儲(chǔ)備減小2.24%。在保證隧道其他初期支護(hù)質(zhì)量的前提下，可將拱架間距增加至1.5 m，也可在拱架間距保持不變時(shí)將拱架型號(hào)減小至I14。

(3) 綜合隧道實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，初期支護(hù)最大變形不超過(guò)1 cm，對(duì)于弱風(fēng)化鈣質(zhì)頁(yè)巖隧道，保持初期支護(hù)形式不變可減少6 cm預(yù)留變形量，從而減少開(kāi)挖量和運(yùn)輸量。

3.4.3 優(yōu)化參數(shù)差異性評(píng)估

數(shù)值計(jì)算方法和隧道模型偏理想化，部分參數(shù)合理性難以保證。為此，在隧道試驗(yàn)段增加系統(tǒng)錨桿25%橫向間距，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性。

如表7所示，初期支護(hù)系統(tǒng)錨桿優(yōu)化前后，初期支護(hù)變形和拱架應(yīng)力變化均小于9%?？紤]到測(cè)試誤差和數(shù)值計(jì)算的理想化，初期支護(hù)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)受荷特征與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性。

表7 優(yōu)化前后隧道測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算得出香樹(shù)坳隧道設(shè)計(jì)過(guò)于保守，存在優(yōu)化空間，并利用數(shù)值計(jì)算從系統(tǒng)錨桿、拱架、預(yù)留變形量3個(gè)方面對(duì)支護(hù)優(yōu)化下安全儲(chǔ)備進(jìn)行分析，為弱風(fēng)化鈣質(zhì)頁(yè)巖隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供參考。結(jié)論如下：

(1) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果差異小，在一定程度上互相驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的可靠性，說(shuō)明香樹(shù)坳隧道初期支護(hù)滿(mǎn)足安全性要求，存在優(yōu)化空間。

(2) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，香樹(shù)坳隧道圍巖預(yù)留變形具有88.4%的變形安全儲(chǔ)備，系統(tǒng)錨桿和拱架最大軸向應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材極限強(qiáng)度，且分別具有92.4%、63.5%的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備。

(3) 在弱風(fēng)化鈣質(zhì)頁(yè)巖隧道中，在保證初期支護(hù)質(zhì)量的前提下，取消系統(tǒng)錨桿對(duì)隧道安全儲(chǔ)備的影響不足0.1%；將拱架間距增加87.5%和單獨(dú)將鋼架尺寸減小17.7%，初期支護(hù)安全儲(chǔ)備變化均小于3%，對(duì)初期支護(hù)穩(wěn)定性和安全性的影響在可控范圍內(nèi)；初期支護(hù)變形不超過(guò)1 cm，將預(yù)留變形減小6 cm后安全儲(chǔ)備仍有53.7%，可節(jié)約開(kāi)挖和渣土運(yùn)輸成本。

(4) 初期支護(hù)系統(tǒng)錨桿橫向間距優(yōu)化25%，初期支護(hù)受荷效應(yīng)變化不超過(guò)9%，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的差異在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性。