双线铁路隧道初期支护形式优化研究

赵治治

摘要：本文以渝怀铁路增建二线新四方沱隧道为背景，利用有限差分强度折减研究了隧道无支护时围岩稳定性。基于数值计算结果提出了初期支护优化形式，取消了锚杆支护并应用于现场。结果表明，优化后的初期支护中喷射混凝土最大压应力为其极限抗压强度的44.5%，其抗压性能得到更充分的利用;钢架的压应力是钢材极限抗压强度的50%，钢架与喷射混凝土均有足够的安全余量。现场监测结果验证了该优化方案的安全性与可行性。该方案已在新建渝怀铁路新四方沱隧道中推广。

Abstract： Based on new Sifangtuo tunnel of the newly-added railway line Yuhuai railway， strength storage of rock mass is calculated using the strength reduction method as the stability index of the rock mass. According to numerical results， optimization is proposed to cancel the rock bolts and use in the field practise. The results show that maximum compressive pressure is the 44.5% of the limit compressive strength in the primary support. The compressive performance was sufficiently employed. The compressive stress of the girders is the 50% of the limit compressive strength. The safety abundance of the girders and shotcrete is enough.. Field test proves the safety and feasibility of the optimization plan. The optmized plan has been used in new Sifangtuo tunnel.

关键词： 初期支护;强度折减法;现场监测;优化设计

Key words： primary support;strength reduction method;site monitoring;optimization design

中图分类号：U456                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）16-0072-04

0  引言

目前铁路隧道结构设计采用工程类比法[1]，基于不同的围岩分级理论：①Bieniawski的岩体完整性指标RMR[2，3];②挪威法中的Q围岩分级法[4-7];③Hoek等地质强度指数（GSI）指标围岩分级法[8，9]。国内隧道设计规范在岩体完整性基础上作了相关修正[10，11]，但并未考虑隧道围岩的强度;力学模型采用泰沙基的塌落拱理论计算荷载，作用于结构上计算结构的安全系数。该方法的优点在于能够计算出明确的结构安全系数，缺点在于忽略了围岩的承载能力。因此，国内诸多学者在考虑围岩自承能力的基础上对初期支护进行了优化[14-18]。本文基于数值计算与现场监测研究了在新四方沱隧道施工中取消初期支护锚杆的可行性。

1  工程概况

本文以新建渝懷铁路新四方沱隧道为依托。隧道位于重庆市彭水县郁山镇境内，中心里程ZDK253+327.5，进口里程：ZDK252+660，出口里程：ZDK253+995，全长1335m，最大埋深约100m。优化以Ⅳ级与Ⅴ级围岩段为研究对象，设计支护参数如表1所示。支护形式为喷射混凝土、系统锚杆、钢筋网与格栅钢架。对于Ⅳ级围岩，喷射混凝土（C25）厚度为22cm;系统锚杆长度3m，间距1.2m×1.0m;拱墙设置钢筋网，直径8cm，尺寸25cm×25cm;格栅钢架（四肢C22（h=150mm）），置于拱墙，间距1m。对于Ⅴ级围岩，喷射混凝土（C25）厚度为30cm;系统锚杆长度3.5m，间距1.0m×0.8m;拱墙设置钢筋网，直径8cm，尺寸20cm×20cm;格栅钢架（四肢C22（h=220mm）），置于全环，间距0.5m。

2  洞室围岩强度储备分析

本文应用FLAC3D有限差分软件对围岩的粘聚力与内摩擦角进行折减，研究了无支护时隧道的强度储备。选取ZDK252+690与ZDK252+860断面进行计算，围岩采用摩尔库伦准则。数值计算模型如图1所示，地层主要有粉质黏土与不同风化程度的花岗岩，其中粉质黏土为1号围岩，全风化、强风化、中风化花岗岩分别为2号、3号、4号围岩，它们的围岩力学参数如表1所示。隧道四周为水平位移固定FIX边界，底部为竖向与水平固定FIX边界，顶部为自由边界。模型左、右与底部为隧道跨度的5倍。围岩力学参数如表1所示。以位移突变为判断围岩破坏的标志，位移突变计算结果如图2所示。由图2可知，强度折减法计算Ⅳ级与Ⅴ级围岩的安全系数分别为：2.59与1.87，均大于1.0，计算结果说明围岩有一定强度储备。

3  初期支护优化设计及现场试验

3.1 优化设计

由数值模拟结果可知，围岩自身具有一定强度储备。目前，原设计的支护结构为四种结构组合的形式（喷射混凝土、系统锚杆、钢筋网与格栅钢架），在施工过程中由于不利于平行作业，且安全度冗余较高，因此，研究拟取消系统锚杆。优化后初期支护方案为：对于Ⅳ级围岩，喷射混凝土（C25）厚度为22cm;拱墙设置钢筋网，直径8cm，尺寸25cm×25cm;格栅钢架（四肢C22（h=150mm）），置于拱墙，间距1m。对于Ⅴ级围岩，喷射混凝土（C25）厚度为30cm;拱墙设置钢筋网，直径8cm，尺寸20cm×20cm;格栅钢架（四肢C22（h=220mm）），置于全环，间距0.5m。

优化的初期支护方案后，将其用于试验段，监测了未优化段的系统锚杆受力与优化段的喷射混凝土、钢架受力如图3-图5所示。监测元件如图6所示。

3.2 监测结果

3.2.1 未优化段锚杆轴力

锚杆轴力监测结果如图6所示。由图6可知：①锚杆受力较小，与设计假定的塌落拱荷载下的锚杆受力分布不同;②锚杆最大拉力为30kN，锚杆极限抗拉力为198kN，最大拉力仅为强度的15%，锚杆钢材性能利用率低。施工中先施做格栅钢架，控制围岩变形，再施做锚杆。由监测结果可知锚杆受力较小，承受围岩形变压力较低。

3.2.2 喷射混凝土应力分析

喷射混凝土应力监测结果如图7、图8所示。由图7～图8可知，喷射混凝土全环受压，最大压应力为10.78MPa，是混凝土极限抗压强度的44.5%，在充分利用混凝土抗压性能的同时仍有足够的安全余量。

3.2.3 钢架应力分析

钢架应力监测结果如图9、图10所示。由图9、图10可知：①格栅钢架全环受压;②格栅钢架最大压应力为200.12MPa，钢材的屈服强度为400MPa，钢架仍然有足够安全储备。

3.3 小结

由监测结果可知，在初支结构中取消锚杆后，钢架与喷射混凝土内力有所增加，但是仍有足够强度储备，现场试验段验证了优化的合理性与可行性。

4  结论

本文运用数值模拟方法得到围岩强度储备，基于此对初期支护进行优化并运用于得到以下结论：①基于连续介质理论，现有隧道围岩有一定强度储备。②缩减原设计中作用有限的锚杆，减少工序，提高施工效率。③通过现场监测得到喷射混凝土与钢架的材料性能利用率均有提高，且安全系数仍有保证。取消锚杆的初期支护优化取得成功。

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