石质铁路隧道初期支护优化研究

黄海昀，仇文革，黄黆，李冰天，李思，田明杰



石质铁路隧道初期支护优化研究

黄海昀，仇文革，黄黆，李冰天，李思，田明杰

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，四川 成都 610031)

以蒙华铁路九岭山隧道为工程背景，运用强度折减法计算围岩强度储备并将其作为围岩稳定性的参考指标。依据现场监测，得到初期支护的受力特征。基于围岩强度储备指标与初期支护的受力特征，对初期支护进行优化设计，并应用于现场。研究结果表明：在围岩具有足够强度储备的前提下，初期支护主要承受形变压力；系统锚杆未发挥作用，喷射混凝土抗压性能未被充分利用，格栅钢架钢筋难以发挥其抗拉和抗弯性能；可将现有初期支护“喷射混凝土+格栅钢架+系统锚杆”的结构形式优化为“喷射混凝土+格栅钢架”。对原有设计和优化方案进行数值模拟，对比其锚杆轴力与喷射混凝土应力分布，同时应用现场试验验证该优化方案的安全性与可行性。该优化方案已在蒙华铁路应用推广。

初期支护；围岩强度储备；现场监测；优化设计；现场试验

目前隧道支护结构设计主要依据围岩分级与工程类比的方法[1]。国外常用的围岩分级方法有：1) Bieniawski等[2−3]提出的RMR岩体指标及改进的RMR14岩体指标围岩分级法；2) Barton等[4]提出的Q围岩分级法；3) Hoek等[5−6]提出、后经Sonmez等[7−8]改进的GSI指标围岩分级法。国内铁路、公路隧道设计规范则依据BQ指标进行围岩分级。对于支护结构的安全验算方法，欧洲7号规范采用考虑“围岩−支护”相互作用的收敛约束法[9]。然而，国内采用基于结构力学的“荷载−结构”模式计算隧道支护结构安全性，未考虑围岩的自承能力，计算结果不准确。因此，国内诸多学者对隧道初期支护结构的设计进行了优化研究。谭忠盛等[10−11]以郑西客专大断面黄土隧道为背景，基于现场试验分析得出深埋和浅埋黄土隧道中拱部系统锚杆均无明显作用，取消拱部系统锚杆不仅能加快断面封闭，控制沉降变形，还能节约工程投资；陈建勋等[12]以包家山公路隧道为背景，基于现场试验说明软弱围岩隧道中钢架发挥明显支护作用，取消系统锚杆不影响初支结构稳定，既能缩短工序循环时间，又能节约工程造价；张顶立等[13]采用室内试验、数值模拟、理论分析和现场试验相结合的方法对型钢钢架与格栅钢架支护结构作用机理、现场支护效果进行系统研究，为今后初期支护的设计和施工提供依据；邓斌等[14]以谷竹高速公路油坊坪隧道为背景，根据数值模拟和现场监测结果得到软岩大变形隧道中弱化锚杆，增强初期支护的刚度与强度的支护方案能有效控制大变形，为同类隧道支护提供参考。然而，现有研究并未定量分析围岩的自承能力。因此，本文运用强度折减法对围岩强度储备进行计算并将其作为围岩稳定性的参考指标，通过现场监测得到初期支护的受力特征，对初期支护进行优化设计。笔者将此优化设计方法应用于蒙华铁路九岭山隧道，验证了该方法的合理性和可行性。

1 工程概况

以蒙西至华中地区煤运铁路(后文简称蒙华铁路)九岭山隧道为依托。九岭山隧道位于江西省宜春市境内，隧道全长15 390 m，为单洞双线隧道，是蒙华铁路重点工程之一。隧道Ⅳ级围岩段里程为DK1695+790~DK1695+850，为中、强风化花岗岩、花岗闪长岩，岩体破碎，节理裂隙较发育，采用台阶法施工；Ⅴ级围岩段里程为DK1695+600~ DK1695+660，为强风化花岗岩、花岗闪长岩，岩体破碎，节理裂隙发育，地下水为基岩裂隙水，发育，采用三台阶法施工。各级围岩设计支护参数如表1所示。

表1 初期支护参数表

2 基于强度折减法的洞室稳定性分析

2.1 有限元强度折减法

有限元强度折减法是目前岩土工程中常用的分析方法之一。令为强度折减系数，折减后的围岩强度表示如下：

′=/，tan′=tan/(1)

式中：和′分别为初始黏聚力和极限黏聚力；和′分别为初始内摩擦角和极限内摩擦角。达到极限破坏时的强度折减系数即为结构的安全系数。

选用特征点位移突变作为隧道临界破坏的标志是最为直观和最容易判别，同时判别原理也与极限塑形应变和计算不收敛等判据相符[15]，本文应用FLAC3D有限差分软件，对围岩材料强度进行折减，分析无支护条件下洞室稳定性。

2.2 数值计算模型

采用弹塑性模型，应用Mohr-Coulomb屈服准则。隧道中心距模型边界55 m( 即5倍洞径)，从上至下依次为粉质黏土、全风化、强风化、中风化花岗岩，隧道埋深按实际埋深，网络模型如图1所示。根据地勘资料确定围岩力学参数如表2所示。

2.3 洞室稳定性分析

计算得到无支护状态下Ⅳ级围岩安全系数为2.59，Ⅴ级围岩安全系数为1.87，均大于1.0，说明在连续介质的理想状态下围岩强度储备能够保证其自稳。

图1 计算网络模型

表2 围岩物理力学参数

3 初期支护变形和受力监测

通过现场监测对支护结构的受力状况进行 研究。

3.1 监测段布置

选取现行初期支护下的Ⅳ和Ⅴ级围岩各30 m作为监测段，试验段布置如表3所示。

另在试验段内选取DK1695+820和DK1695+ 655作为拱顶沉降和水平收敛监测断面。对表3中监测断面进行锚杆轴力、混凝土应力、钢架应力 监测。

表3 监测段布置情况

3.2 监测断面测点布置

3.2.1 拱顶沉降、水平收敛测点布置

监测点布置如图2所示，图中GD01为拱顶沉降监测点，SL01和SL02为相对水平收敛监测线。

(a) Ⅳ级围岩测点；(b) Ⅴ级围岩测点

3.2.2 系统锚杆轴力测点布置

监测点布置如图3所示，每个断面共计10根锚杆，锚杆编号为MG01~MG10，每根锚杆设置6个轴力测点。

3.2.3 喷射混凝土、钢架应变测点布置

测点布置如图4所示，混凝土应变每个断面布置10个侧位，每个侧位分内外2个测点，内侧测点编号为NT01~10，外侧测点编号为WT01~10。钢架应变每个断面布置10侧位，Ⅳ级围岩因仰拱无钢架，只有7个侧位，每个侧位分内外2个测点，内侧测点编号为NG01~10，外侧测点编号为WG01~10。

现场监测元件安装如图5所示。

图3 测力锚杆点位布置

图4 喷射混凝土、钢架应变测点布置

图5 现场监测元件安装图

3.3 监测结果及分析

由于文章篇幅限制，选取Ⅳ级围岩DK1695 +802与Ⅴ级围岩DK1695+650作为典型断面分析。

3.3.1 拱顶沉降、水平收敛分析

监测段拱顶沉降、水平收敛如图6~7所示。从图中可知，各个断面拱顶均发生沉降，两侧均向内收敛，表明隧道整体向净空侧收敛变形。

3.3.2 锚杆轴力分析

典型断面锚杆轴力如图8所示，正值表示锚杆受拉，0表示锚杆受压或不受力。从图8可知：随机性且数值上体现突变性和无规律性，与塌落拱式松动荷载作用下锚杆受力分布不同；Ⅳ级围岩中最大拉力值为25 kN，Ⅴ级围岩中最大拉力值为30 kN，是锚杆杆体极限抗拉力(197.6 kN)的12.7%~ 15.2%，未充分利用锚杆性能。施工中先安设钢架承受形变压力，导致锚杆作用有限。

图6 拱顶沉降时程曲线

图7 水平收敛时程曲线

(a) DK1695+802断面；(b) DK1695+650断面

3.3.3 喷射混凝土应力分析

典型断面喷射混凝土应力如图9~10所示，正值表示受压，负值表示受拉。从图中可知：喷混内、外侧大部分受压，仅个别点位受拉；最大压应力为8.09 MPa，最大拉应力为0.15 MPa，是喷混极限抗压强度的33.4%，极限抗拉强度的7.5%，未充分利用混凝土抗压性能。

(a) DK1695+802断面；(b) DK1695+650断面

(a) DK1695+802断面；(b) DK1695+650断面

3.3.4 钢架应力分析

典型断面钢架应力如图11~12所示，正值表示受压，负值表示受拉。从图中可知：格栅钢架内、外侧大部分受压，仅个别点位受拉；最大压应力为62.98 MPa，最大拉应力为6.66 MPa，是钢材极限抗压强度的15.7%，极限抗拉强度的1.7%，在普遍受压的条件下，未充分利用钢材抗拉性能。

(a) DK1695+802断面；(b) DK1695+650断面

(a) DK1695+802断面；(b) DK1695+650断面

4 初期支护优化设计及现场试验

4.1 优化设计

基于数值模拟与现场监测结果，分析认为在硬岩隧道中，围岩自身具有足够的强度储备，初期支护主要承受形变压力。初期支护在受压状态下，钢筋未发挥抗拉、抗弯性能，而混凝土的抗压性能又未被充分利用，原初期支护“喷射混凝土+格栅钢架+系统锚杆”组合形式明显偏于保守，可将其优化为“喷射混凝土+格栅钢架”或者“喷射混凝土+系统锚杆”，但考虑到现场锚杆施作机具和质量难以保证，最终优化设计取消系统锚杆，选用“喷射混凝土+格栅钢架”的组合形式。优化后的参数如表4所示。

将优化后的初期支护结构与挪威围岩分级法计算得到的初期支护设计进行对比[4]。

值计算公式为

=[RQD/n][R/a][w/SRF] (2)

式中：RQD为岩石质量指标；n代表节理组数；R为节理面的粗糙系数；a描述了节理面中填充物质的软弱程度；w为遇水折减系数；SRF为应力折减系数；本文按文献[16]所介绍方法进行取值。计算选取典型断面：Ⅳ级围岩DK1695+843断面与Ⅴ级围岩DK1695+617断面。

本文研究对象为双线铁路隧道，ESR取1.1。跨度与高度最大值为12.12 m，等效尺寸取12.12/ 1.1=11.01。

典型断面DK1695+843断面值为=[84/4] [3.0/2.0][0.5/2.0]=7.9，DK1695+617断面值为=[89/4][3.0/2.0][0.5/5]=1.48。法推荐的Ⅳ级围岩支护形式为“系统锚杆+喷混”，锚杆长3 m，间距1.8 m，喷混厚5 cm；Ⅴ级围岩支护形式为“系统锚杆+钢纤维喷混”，锚杆长3 m，间距1.3 m，钢纤维喷混厚9 cm。优化设计与法对比如表4所示。从表4可知，与法设计的永久支护参数比较，优化方案的初期支护参数相对较为保守，但相比于原有设计已有较大优化。

表4 隧道初期支护优化设计对比表

4.2 优化设计数值模拟

为验证优化方案的可行性，采用2.2小节相同的平面应变模型计算，比较原有设计与优化方案支护结构受力。采用弹性实体单元模拟喷射混凝土，Cable单元模拟系统锚杆。格栅钢架和喷射混凝土在计算模型中用等效刚度进行评价，具体计算公式如下：

=0+gg/c(3)

式中：为等效喷射混凝土弹性模量；0为喷射混凝土弹性模量；g为格栅钢架弹性模量；g为格栅钢架面积；c为喷射混凝土面积，喷射混凝土中钢筋网主要其防止喷层开裂拉破坏的作用，计算中不予考虑。

初期支护物理力学参数如表5~6所示，由于隧道实际隧道开挖是个三维释放围压的过程，平面计算中采用应力释放来模拟时空效应，本文取应力释放率为30%[17]。

表5 初期支护物理力学参数

表6 锚杆物理力学参数

4.2.1 锚杆轴力分析

原有设计锚杆轴力如图13所示，从图13可知，1) 对比现场监测数据，锚杆多数也呈现受拉状态；2) 对于Ⅳ级围岩，锚杆轴力最大值为13.1 kN，位于隧道拱顶附近，轴力从拱顶至边墙逐渐减小；3)对于Ⅴ级围岩，锚杆轴力最大值为29.5 kN，位于隧道拱脚处，边墙锚杆受力很小；4) 锚杆受力与现场监测结果基本一致，小于系统锚杆极限抗拉力(197.6 kN)，两者均说明未充分利用锚杆性能，优化可考虑取消系统锚杆。

单位：N

4.2.2 喷射混凝土应力分析

原有设计和优化设计喷射混凝土最大主应力和最小主应力如图14~15所示。从图14~15可知，1)对于Ⅳ级围岩，原有设计最大压应力为3.811 MPa，最大拉应力为0.540 MPa，优化方案中最大压应力为3.810 MPa，最大拉应力为0.541 MPa； 2) 对于Ⅴ级围岩，原有设计最大压应力为2.326 MPa，最大拉应力为0.232 MPa，优化方案中最大压应力为2.373 MPa，最大拉应力为0.204 MPa； 3) Ⅳ级围岩原有设计和优化方案喷射混凝土应力基本相同，Ⅴ级围岩中优化方案相比原有设计压应力增加，拉应力减少，改善了混凝土结构受力；4) 从应力数值上分析，原有设计与优化方案的最大、最小主应力值均小于极限强度。

结合锚杆受力和喷射混凝土受力数值模拟结果，优化设计后喷射混凝土应力无明显改变，但结构受力形态得到改善，从理论上说明优化方案 可行。

4.3 现场优化试验

为了现场验证优化方案的安全性和可行性，选取Ⅳ和Ⅴ级围岩各30 m作为试验段，试验段布置如表7所示。

单位：Pa

单位：Pa

另在试验段内选取DK1695+840和DK1695+ 620作为拱顶沉降和水平收敛监测断面。对表7中监测断面进行锚杆轴力、混凝土应力、钢架应力监测。试验断面测点布置与监测断面布置相同。

表7 试验段布置情况

4.4 优化试验结果及分析

由于文章篇幅限制，选取Ⅳ级围岩DK1695+ 843与Ⅴ级围岩DK1695+617作为典型断面分析。

4.4.1 拱顶沉降、水平收敛分析

试验段拱顶沉降、水平收敛结果如表8所示。从表8可知，优化设计后收敛变形仍在允许范围内。

表8 试验段收敛变形表

(a) DK1695+843断面；(b) DK1695+617断面

4.4.2 喷射混凝土应力分析

典型断面喷射混凝土应力如图16~17所示，正值表示受压，负值表示受拉。从图16~17可知，最大压应力为10.78 MPa，无拉应力，是混凝土极限抗压强度的44.5%，相比与原有设计，混凝土压应力值增大，受拉区面积减小，与数值模拟结果相验证，在更充分利用混凝土抗压性能的同时仍有足够的安全余量。

4.4.3 钢架应力分析

典型断面钢架应力如图18~19所示，正值表示受压，负值表示受拉。从图18~19可知，格栅钢架仍以受压为主；最大压应力为200.12 MPa，无拉应力，是钢材极限抗压强度的50%，相比与原有设计，钢筋压应力值增大，但仍有足够的安全余量。

单位：MPa

单位：MPa

单位：MPa

5 结论

1) 现有隧道围岩强度储备能够保证隧道开挖后自稳，初期支护主要承受形变压力。

2) 现场监测得到锚杆轴力最大值是杆体极限抗拉力(197.6 kN)的12.7%~15.2%，锚杆性能未被充分利用；喷射混凝土最大压应力值仅为极限抗压强度的33.4%，其抗压性能未被充分利用；格栅钢架钢筋最大拉应力值仅为极限抗拉强度的1.7%，难以发挥钢材抗拉、抗弯性能。

3) 原初期支护“喷射混凝土+格栅钢架+系统锚杆”结构形式偏于保守，可优化为“喷射混凝土+格栅钢架”。

4) 对原有设计和优化设计进行数值模拟分析，对比其锚杆轴力与喷射混凝土应力分布，验证了优化方案的可行性。

5) 将优化后的初期支护形式应用于现场，监测得到混凝土最大压应力值为极限抗压强度的44.5%，其抗压性能得到更充分的利用，同时保证混凝土和格栅钢架仍有足够的安全余量，验证了优化设计是合理和可行的，并在蒙华铁路应用推广。

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Study on primary support optimization for railway tunnel in rock

HUANG Haiyun, QIU Wenge, HUANG Guang, LI Bingtian, LI Si, TIAN Mingjie

(Key Laboratory of Tunnel Engineering, Ministry of Education, School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

This paper took the Jiulingshan tunnel of Menghua railway as the engineering background, the strength reserve of surrounding rock was used as a reference index for the stability of surrounding rock which was calculated by the strength reduction method. The stress characteristic of primary support was obtained according to the in-site monitoring. Based on the strength reserve of surrounding rock and the stress characteristic of primary support, the primary support was optimized and applied to the site. The results show that, under the premise that the surrounding rock has sufficient strength reserve, the primary support is mainly subjected to the pressure of deformation. The systemic anchor bolts do not play an role. The compressive properties of concrete are not fully utilized. The tensile and bending behavior of the rebar in steel frames is difficult to deform. The structure of the existing primary support “shotcrete + steel frames + systemic anchor bolts” can be optimized into “shotcrete + steel frames”. The original design and optimized scheme are numerically simulated, and the axial force and the stress distribution of shotcrete are compared. At the same time, the safety and feasibility of the optimized scheme are verified by in-site test. Now it has been popularized and applied in Menghua railway.

primary support; strength reserve of surrounding rock; in-site monitoring; optimization design; in-site test

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.021

U25

A

1672 − 7029(2019)01 − 0152 − 10

2017−11−28

蒙西华中铁路股份有限公司资助项目(MHHTZX[2016]0002，TKKY201601002)；国家自然科学基金资助项目(U1434206，51678497)

仇文革(1959−)，男，山东烟台人，教授，博士，从事隧道及地下工程方面的教学与研究；E−mail：qiuwen_qw@163.com

(编辑 阳丽霞)