■賴士謙

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州　350004）

北門隧道VI級圍巖襯砌支護參數(shù)設(shè)計

■賴士謙

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

以福建省順邵高速公路北門隧道為例，采用工程類比和荷載-結(jié)構(gòu)法綜合確定其VI級圍巖襯砌的支護參數(shù)。初期支護和二襯截面強度驗算結(jié)果表明：初期支護和二襯彎矩較大值發(fā)生在拱頂、左右拱腰、左右拱腳和仰拱部位，施工中應(yīng)給予足夠的重視；初期支護危險截面的最小安全系數(shù)為1.93，二襯危險截面的最小安全系數(shù)為2.43，均大于規(guī)范規(guī)定值，滿足工程安全性要求。

隧道軟巖荷載-結(jié)構(gòu)法襯砌安全系數(shù)

1　引言

軟巖是隧道工程施工過程中經(jīng)常遇到的不良地質(zhì)體，具有軟、弱、松、散等低強度的特點，承受荷載的能力極低，從級別上看，這類圍巖基本屬于V、VI級圍巖。隧道開挖后，地應(yīng)力將重新分布，由于軟巖強度低，對工程擾動極其敏感，在受拉或受壓荷載條件下將產(chǎn)生塑性區(qū)，使圍巖和支護發(fā)生變形。一旦施工方法和工程措施不當(dāng)，將極易發(fā)生初期支護變形侵限或者隧道塌方等地質(zhì)災(zāi)害［1］。

目前，國內(nèi)學(xué)者和設(shè)計人員針對軟巖隧道也開展了大量研究。方貽立等［2］以十房高速公路通省隧道軟巖大變形為背景，分析了軟巖隧道的變形機理，并利用FLAC3D模擬開挖支護和圍巖變形過程。關(guān)巖鵬等［3］結(jié)合桃樹坪大斷面軟巖隧道工程，通過數(shù)值模型模擬隧道周邊超前支護、掌子面前方圍巖加固、拱腳補強3種隧道加固方式，得出合理的新意法施工加固參數(shù)。李勇峰等［4］通過現(xiàn)場試驗，對不同支護剛度下初支圍巖壓力、二襯圍巖壓力以及圍巖的變形情況進行分析，結(jié)合對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果確定了油坊坪隧道軟巖大變形段落合理的支護參數(shù)形式。

襯砌支護參數(shù)設(shè)計是軟巖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重，本文以福建省順邵高速公路北門隧道為例，采用工程類比和荷載-結(jié)構(gòu)法綜合確定其VI級圍巖襯砌的支護參數(shù)，對初期支護和二襯截面強度進行驗算，得出相應(yīng)的結(jié)論，對公路隧道類似軟巖段的支護設(shè)計有較好的借鑒作用。

2　工程概況

北門隧道進口位于福建省順昌縣水南鎮(zhèn)北側(cè)，出口位于順昌縣雙溪鎮(zhèn)下沙村東南側(cè)，跨越剝蝕丘陵。該隧道為分離式雙線雙洞隧道，左線起止樁號ZK1+ 440.0～ZK4+145.0，全長2705m；右線起止樁號YK1+ 445.0～YK4+175.0，全長2730m，隧道最大埋深261m，屬長隧道。

根據(jù)勘察結(jié)果，進口側(cè)自然山坡坡度15°～20°，隧道圍巖為第四系殘積砂質(zhì)粘性土及全風(fēng)化石英片巖，巖體極散亂，呈散體狀結(jié)構(gòu)。進口段發(fā)現(xiàn)一泉眼，地下水豐富，地下水以孔隙潛水為主，水位高于洞頂，［BQ］＜150。北山隧道右洞進口地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。

圖1　北門隧道右洞進口地質(zhì)縱斷面圖

3　VI級圍巖襯砌結(jié)構(gòu)驗算

3.1襯砌支護參數(shù)擬定

單洞隧道復(fù)合式襯砌可采用工程類比法進行設(shè)計，并通過計算分析進行驗算。根據(jù)省內(nèi)以往工程經(jīng)驗，初定北門隧道YK1+445～YK1+585段落襯砌支護參數(shù)如下（如圖2所示）：

圖2　北門隧道VI級圍巖襯砌支護設(shè)計圖

初期支護采用噴、錨、網(wǎng)、鋼支撐支護，錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，長度3.5m，環(huán)向間距1.0m，縱向間距1.0m，呈梅花型布置；采用Φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格20cm×20cm，拱墻設(shè)置；初支C25噴射混凝土厚度為30cm，采用工22b型鋼鋼支撐，縱向間距為0.5m。

二襯采用C25混凝土，厚度為55cm，環(huán)向主筋采用Φ25mm@100，每延米配筋面積為98.18 cm2（兩側(cè)）。

3.2驗算方法

當(dāng)隧道支護結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定洞室過程中起主要作用、承擔(dān)外部荷載較明確、自重荷載可能控制結(jié)構(gòu)強度時，宜采用荷載-結(jié)構(gòu)法進行內(nèi)力計算，并對其極限狀態(tài)進行校核［5］。

由于VI級圍巖基本無自承能力，采用荷載-結(jié)構(gòu)法計算較為合適。計算軟件采用我院自編的程序，根據(jù)平面彈性有限元原理，把隧道的初支和二襯離散為由梁單元組成的平面桿系，圍巖對初支和二襯的作用通過只受壓不受拉的桿單元來模擬。計算時荷載考慮圍巖壓力及混凝土收縮徐變。圍巖和襯砌材料參數(shù)參考地質(zhì)勘察報告和 《公路隧道設(shè)計細則》，參數(shù)選取如表1和表2所示。

根據(jù)公路隧道設(shè)計手冊［6］，對于VI級圍巖襯砌，初期支護的承載能力應(yīng)大于設(shè)計總荷載30%，二次襯砌承載能力應(yīng)大于設(shè)計總荷載80%。為保證施工過程的安全，本文取初期支護荷載分擔(dān)值為50%，二次襯砌荷載分擔(dān)值為80%。

表1　圍巖參數(shù)表

表2　襯砌參數(shù)表

3.3荷載確定

根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范［7］，計算得到VI級圍巖的荷載等效高度：

q=0.45×2S-1×［1+i（B-5）］=0.45×32×1.75=25.2m

根據(jù)縱斷面設(shè)計圖，右洞VI級圍巖最大埋深為25m，樁號為YK1+580，左洞 VI級圍巖最大埋深為16m，樁號為ZK1+560。左右洞最大埋深均小于荷載等效高度，為超淺埋，故選取YK1+580斷面為典型計算截面，其荷載分布如圖3所示。

q=γh=375kN/m

頂部側(cè)壓力為：

e1=γh×tan2（45°-φc/2）=125kN/m底部側(cè)壓力為：

e2=γ（h+Ht）×tan2（45°-φc/2）=175kN/m

圖3　荷載分布圖

3.4初期支護受力分析及截面強度驗算

按荷載分擔(dān)值50%考慮，計算得到的初期支護軸力如圖4和圖5所示。由圖可知，初期支護彎矩較大的節(jié)點分別為13（拱頂）、7（左拱腰）、19（右拱腰）、36（左拱腳）、26（右拱腳）、28和34（仰拱），這些節(jié)點均應(yīng)進行截面強度驗算，并在施工中給予足夠的重視。

圖4　初期支護軸力分布圖

圖5　初期支護彎矩分布圖

圖6　鋼支撐有效配筋面積示意

在進行初期支護截面強度驗算時，將嵌在噴混凝土中的鋼支撐看成是對噴混凝土的配筋［8］，將C25噴混凝土＋鋼支撐的聯(lián)合承載體看作鋼筋混凝土，該簡化方法較合理地考慮了C25噴混凝土＋鋼支撐的聯(lián)合承載作用。鋼支撐、鋼筋網(wǎng)對噴射混凝土都有加筋作用，計算時偏于安全將工字鋼翼緣附近的部分作為有效配筋面積，如圖6所示，而腹板、鋼筋網(wǎng)則作為安全儲備。對于工22b型鋼，每榀有效配筋面積為29.52cm2，則每延米有效配筋面積為59.04cm2。

表3給出了初期支護危險截面的安全系數(shù)，最小值為2.11（右拱腳）。根據(jù) 《公路隧道設(shè)計規(guī)范》［7］，驗算施工階段的強度時，噴射混凝土最危險單元的安全系數(shù)應(yīng)為2.0×0.9=1.8。因此，北門隧道VI級圍巖初支結(jié)構(gòu)滿足安全性要求。

表3　初期支護危險截面安全系數(shù)

3.5二次襯砌受力分析及截面強度驗算

二次襯砌荷載分擔(dān)系數(shù)取0.8，計算得到的二襯軸力計算結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖可知，二襯危險截面位置與初期支護比較接近，由于其荷載分擔(dān)系數(shù)較大，軸力值明顯大于初期支護。

表4給出了二次襯砌危險截面的安全系數(shù)，最小值為2.45，發(fā)生在拱頂位置。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》［7］，二次襯砌最危險單元的安全系數(shù)應(yīng)為2.0。因此，北門隧道VI級圍巖二襯結(jié)構(gòu)同樣滿足安全性要求。

圖7　二次襯砌軸力分布圖

圖8　二次襯砌彎矩分布圖

表4　二次襯砌危險截面安全系數(shù)

4　結(jié)論

本文以福建省順邵高速公路北門隧道為例，采用工程類比和荷載-結(jié)構(gòu)法綜合確定其VI級圍巖襯砌的支護參數(shù)，對初期支護和二襯截面強度進行了驗算，得出以下結(jié)論：

（1）襯砌支護參數(shù)設(shè)計是軟巖隧道設(shè)計的重中之重，應(yīng)嚴格按照規(guī)范和細則的要求進行結(jié)構(gòu)計算。

（2）荷載-結(jié)構(gòu)法計算結(jié)果表明，在軟巖荷載作用下，初期支護和二次襯砌彎矩較大值發(fā)生在拱頂、左右拱腰、左右拱腳和仰拱部位，這些部位在施工中應(yīng)給予足夠的重視。

（3）截面驗算結(jié)果表明，北門隧道VI級圍巖初期支護危險截面的最小安全系數(shù)為2.11，二次襯砌危險截面的最小安全系數(shù)為2.43，均大于規(guī)范規(guī)定值，滿足工程安全性要求。

［1］關(guān)寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］方貽立，李睿哲，陳建平，等.軟巖隧道大變形機理分析［J］.華東公路，2013，6：56-59.

［3］關(guān)巖鵬，黃明利，彭峰，等.大斷面軟巖隧道新意法加固參數(shù)研究［J］.公路交通科技，2013，30（3）：105-110.

［4］李勇峰，孫洋，徐穎，等.軟巖隧道大變形機理及支護參數(shù)優(yōu)化分析［J］.施工技術(shù)，2013，42（23）：78-81.

［5］廖朝華，郭曉紅.公路隧道設(shè)計手冊［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［6］田志宇，鄧承波，林國進.隧道塌方處治支護參數(shù)選取 ［J］.鐵道建設(shè)，2012，06：54-57.