高水壓巖溶鐵路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承載安全性研究

中圖分類號(hào)：U459.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.054

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0183-04

0 引言

在山區(qū)地形中設(shè)計(jì)高鐵線路時(shí)，難免會(huì)穿越高水壓巖溶區(qū)1。自然降雨通過巖土體的孔隙與裂隙補(bǔ)給地下水，導(dǎo)致隧道建設(shè)面臨高水壓?jiǎn)栴}，這嚴(yán)重威脅了隧道施工與運(yùn)營(yíng)的安全性，因此高水壓?jiǎn)栴}成為隧道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的重要難點(diǎn)之一[2]。學(xué)者們通過試驗(yàn)、仿真和理論分析研究了高水壓隧道施工穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性受到高水壓的影響。隧道設(shè)計(jì)階段應(yīng)運(yùn)用數(shù)值模擬去探究合理開挖與注漿方案，以確保隧道施工方案的可行性[3-5]。巖溶區(qū)域大多數(shù)為軟弱圍巖，軟巖隧道建設(shè)既要確保圍巖施工的穩(wěn)定性，也要保證運(yùn)營(yíng)期間支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，而水壓大小、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)缺陷、背后空洞、滲流作用均對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承載安全性產(chǎn)生影響[6-7]軟巖隧道建設(shè)需要保證施工和運(yùn)營(yíng)期間的安全，考慮水壓、支護(hù)參數(shù)和缺陷等多個(gè)因素對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的影響。本研究以某高鐵隧道巖溶段為例，建立了標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)和抗水壓支護(hù)的數(shù)值模型，分析了圍巖變形和支護(hù)安全性，為類似隧道工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)提供參考。

1工程概況

該高鐵隧道設(shè)計(jì)行車速度為 250k m/h 設(shè)計(jì)使用壽命為100年，巖溶段地下水穩(wěn)定，隧頂以上水位變化為 隧道穿越粉質(zhì)黏土和砂巖夾泥巖層，圍巖與支護(hù)易受水軟化和氯離子侵蝕。選擇水位12m與埋深33m的斷面作為分析特征斷面，橫斷面設(shè)計(jì)見圖1（a），采用臺(tái)階法進(jìn)行開挖。在維持支護(hù)總厚度不變的情況下，設(shè)計(jì)了兩種支護(hù)類型：標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)，見圖1（b）；抗水壓支護(hù)，見圖1（c）。后者增加了一層噴射混凝土，初支為C35噴射混凝土，二襯為C45鋼筋混凝土。

2仿真模型與參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模型尺寸為 74m×74m×1m ，尺寸模型與網(wǎng)格劃分分別見圖2（a）和 2（b） 。采用實(shí)體單元模擬圍巖、注漿區(qū)、初支，Shel單元模擬二襯。除初支和二襯采用彈性材料外，其他使用摩爾一庫侖本構(gòu)。注漿區(qū)、初支和二襯的材料參數(shù)通過等效剛度法計(jì)算。力學(xué)邊界條件為頂部自由，其余邊界施加法向位移約束；滲流邊界條件為水頭距拱頂12m，水位以上圍巖干燥，以下為飽和，除底部不透水外，其余邊界透水，開挖臨空面水壓為0。初始地應(yīng)力僅考慮自重，側(cè)壓力系數(shù)為0.6，圍巖孔隙率為0.35。如表1所示為圍巖與支護(hù)材料參數(shù)取值表；測(cè)點(diǎn)布設(shè)見圖2（c）。

3支護(hù)安全性分析

考慮到邊界條件、荷載、圍巖和支護(hù)的對(duì)稱性，模型選取一半進(jìn)行分析即可。施工階段圍巖與初支協(xié)同變形和共同承載，因此分析圍巖變形和初支受力特征對(duì)于研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。隧道采用臺(tái)階法開挖后，按《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》（TB10304一2020）相關(guān)規(guī)定施工二襯，通過分析二襯內(nèi)力來評(píng)估支護(hù)安全性，為運(yùn)營(yíng)安全性研究提供依據(jù)。綜合圍巖變形、初支和二襯的安全性等三個(gè)方面來探討支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載安全性。

3.1施工階段圍巖變形分析

圍巖變形可分解為水平和豎向位移，可通過沉降、鼓起、收斂進(jìn)行描述，通過深淺理計(jì)算分析，確定埋深33m為深埋隧道，按《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》（Q/CR9218一2015）的洞周圍巖充許位移規(guī)定，確定該隧道沉降、收斂最大允許值分別為 12m m，14m m ，標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)和抗水壓支護(hù)下圍巖位移分布及對(duì)比分析見圖3。

由圖3可知：

（1）單層初支條件下，圍巖的水平位移（收斂）峰值出現(xiàn)在邊墻，豎向位移（沉降和鼓起）峰值分別位于拱頂和拱底。隧道臺(tái)階開挖完成后，沉降和鼓起的峰值分別為8.7mm和6. 3m m ，分別達(dá)到允許值的 72.5% 和 52.5% 收斂峰值為 ，達(dá)到水平位移充許值的 44.3% 。這表明單層初支對(duì)應(yīng)的圍巖保持穩(wěn)定。

（2）在雙層初支條件下，圍巖的位移分布特征與單層初支類似，而沉降、鼓起和收斂的峰值分別減小至 分別占允許值的 60.8% ，45. 8% 、35. 7% 。這表明雙層初支條件下圍巖的施工穩(wěn)定性優(yōu)于單層初支。

（3比較不同支護(hù)類型的水平和豎直位移，兩種支護(hù)類型的水平位移近似對(duì)稱分布，且越靠近邊墻位移越大；越靠近邊墻，豎直位移（沉降值和鼓起值）越小。相較于標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)，抗水壓支護(hù)對(duì)應(yīng)的圍巖位移有所減小，表明雙層初支可以有效限制圍巖變形，提高隧道的穩(wěn)定性。

3.2施工初支安全性分析

已知雙層初支比單層初支更能限制圍巖施工變形，但由于圍巖變形受限，其自身承載能力減弱，導(dǎo)致更多施工荷載轉(zhuǎn)移到初支上。雙層初支（50cm厚）的截面慣性矩大于單層初支（25cm厚），從而提高了其強(qiáng)度、剛度等特性。通過分析不同支護(hù)類型初支的最大和最小主應(yīng)力，見圖4（a）、圖4（b），提取內(nèi)、外邊緣主應(yīng)力數(shù)據(jù)，計(jì)算初支的軸力和彎矩，求解過程見式 。按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010一2010）規(guī)定，借助軸力、彎矩計(jì)算初支安全系數(shù)，為計(jì)算所得的初支安全系數(shù)（見圖4（c））。初支材料抗拉、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為2.34 MPa 、23.4 ，安全系數(shù)限制值為 。

由圖4可知：

（1）不同支護(hù)類型的初支最大主應(yīng)力存在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力兩種形式，內(nèi)外邊緣應(yīng)力分布不同。拱底內(nèi)邊緣的拉應(yīng)力峰值和拱腳外邊緣的壓應(yīng)力峰值在雙層初支條件下均小于單層初支，且都低于材料的抗拉和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，表明支護(hù)材料未破壞，抗水壓支護(hù)在抗拉和抗壓性能上均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)。

（2）不同支護(hù)類型的初支最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且由外邊緣向內(nèi)邊緣逐漸增大。壓應(yīng)力峰值位于邊墻內(nèi)邊緣，最小值在拱頂外邊緣。單層和雙層初支的壓應(yīng)力峰值分別為3.80MPa和2.05 ，均低于抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，說明初支主要承受壓應(yīng)力且處于安全狀態(tài)，抗水壓支護(hù)在抗壓性能上優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)。

（3）兩種支護(hù)類型的各測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)雷達(dá)圖關(guān)于隧道中線對(duì)稱，雙層初支的同測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)均高于單層初支，并沿輪廓線從上至下呈先減小后增大的趨勢(shì)，拱頂和拱底處安全系數(shù)較高，最小值在邊墻處。雙層初支的安全系數(shù)約為單層初支的 倍，以安全系數(shù)限制值2.4為標(biāo)準(zhǔn)，不同類型的初支均處于安全狀態(tài)，但雙層初支的安全性更高。

3.3運(yùn)營(yíng)二襯安全性分析

已發(fā)現(xiàn)初支主要承受施工荷載，而二襯于基本穩(wěn)定后施工，其作用是提供安全儲(chǔ)備作用。初支和二襯共同構(gòu)成永久性支護(hù)，初支承擔(dān)大部分圍巖荷載后，可減少二襯厚度。在保持總支護(hù)厚度不變的情況下，標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)和抗水壓支護(hù)的二襯厚度分別選為50cm和25cm。不同支護(hù)類型的二襯內(nèi)力、安全系數(shù)見圖5，其二襯安全系數(shù)限制值為 2.0

由圖5可知：

（1）標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)的二襯軸力均為壓力，而抗水壓支護(hù)存在拉力和壓力，且拉力僅于拱底附近出現(xiàn)。兩種支護(hù)類型的壓力峰值均位于邊墻，標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)和抗水壓支護(hù)的壓力峰值分別為540.1KN和412.8KN。不同支護(hù)類型的正負(fù)彎矩峰值分別位于拱腳、拱底附近，標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)的正、負(fù)彎矩峰值分別為56.7kN·m和49.0kN·m，而抗水壓支護(hù)的峰值分別為31.5KN·m和27.5kN·m，說明抗水壓支護(hù)相比標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)分擔(dān)的二襯內(nèi)力少，這是因?yàn)榭顾畨褐ёo(hù)類型的初支承擔(dān)較多荷載，減少了二襯的荷載分擔(dān)比例。

（2）各測(cè)點(diǎn)的安全系數(shù)對(duì)稱分布于隧道中線，抗水壓支護(hù)的安全系數(shù)普遍低于標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)，且從拱頂?shù)焦暗壮尸F(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)榈叵滤畯南峦蠞B入隧道，導(dǎo)致抗水壓支護(hù)的二襯安全系數(shù)降低。以安全系數(shù)限制值2.0為標(biāo)準(zhǔn)，兩種支護(hù)類型的二襯均安全，但抗水壓支護(hù)的二襯安全性略低于標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)，這是因?yàn)榭顾畨褐ёo(hù)減少了二襯厚度以增加初支厚度。

4結(jié)語

（1）在施工階段，不同支護(hù)類型的圍巖位移包括沉降、鼓起和收斂，相應(yīng)峰值分別位于拱頂、拱底和邊墻。雙層初支的位移峰值低于單層初支，收斂在邊墻附近最大，而沉降和鼓起在邊墻附近最小。兩種支護(hù)類型都具有良好的施工穩(wěn)定性，其中雙層初支更為穩(wěn)定。

（2）不同支護(hù)類型在施工階段的初支應(yīng)力滿足材料抗拉和抗壓強(qiáng)度要求，其中雙層初支的性能優(yōu)于單層初支。雙層初支的安全系數(shù)高于單層初支，兩種支護(hù)類型的初支均處于安全狀態(tài)，雙層初支的施工安全性更佳。

（3）在運(yùn)營(yíng)階段，不同支護(hù)類型的壓力峰值位于邊墻，而彎矩峰值在拱腳、拱底附近?？顾畨褐ёo(hù)的二襯荷載分擔(dān)比例低于標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)也略低于標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)，但兩種支護(hù)類型的二襯均處于安全狀態(tài)。

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