新建太兴铁路Ⅴ级围岩黄土段隧道支护参数研究

贾 亮,戚 铁

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,太原 030009)

1 工程简介

新建太原至兴县铁路工程是由太原至静游段和静游至白文段两部分组成,线路全长168 km。其中太原至镇城底为既有线增建二线区段、静游至白文为新建单线铁路区段,隧道建筑限界采用“隧限-2A”；镇城底至静游为新建双线铁路区段,设计行车速度120 km/h,建筑限界采用“隧限-2B”。

全线新建单线隧道长47.4 km/36座,双线隧道长25.4 km/14座,其中黄土隧道长18.2 km,占隧道总长的25%。沿线黄土隧道通过区地貌单元主要为黄土丘陵及黄土台塬区,地下水类型主要为孔隙、裂隙潜水,地下水位埋深大,多数黄土隧道地下水不发育。隧道穿越的黄土地层主要为Q2黄土(10.1%)和Q3黄土(89.9%),其工程性质如下。

上更新统(Q3eol+al)砂质黄土：厚度20～30 m,最大厚度大于50 m。浅黄～黄褐色,夹有砂类土层或其透镜体,砂感明显,垂直节理较发育,多形成陡立边坡,具Ⅱ级非自重湿陷性及中、高压缩性,分布于低山、黄土丘陵区地表。γ=16.58 kN/m3,c=19.7 kPa,φ=26.4°。

中更新统(Q2al)黏质黄土：厚度10～30 m,棕红～褐红色,坚硬。局部垂直节理较发育,夹古土壤及钙质结核层,底部夹洪积砾石及砂层,主要出露于黄土丘陵中。γ=18.84 kN/m3,c=44 kPa,φ=25.6°[1,2]。

2 衬砌支护参数情况

按照初期支护承担施工阶段全部荷载,二次衬砌承担由于初期支护可能劣化而作用于二次衬砌上的荷载或由于软岩蠕变、环境条件变化等引起的附加荷载以及作为安全储备的原则[2],通过工程类比、结合太兴线黄土的特性,初步拟定双线隧道衬砌支护参数见表1。

表1 Ⅴ级围岩黄土隧道衬砌支护参数

注：“*”代表钢筋混凝土

3 设计支护结构的理论计算和分析

为保证隧道初期支护和二次衬砌结构的安全可靠性,对隧道的初期支护以及二次衬砌分别进行了理论分析。

3.1 初期支护理论计算

初期支护计算理论采用地层-结构模式,根据共同变形理论,对弧形导坑的施工动态及初期支护受力状态进行了模拟计算。偏于安全考虑,初期支护承担100%围岩释放荷载,计算埋深设为45 m。

3.1.1 计算范围

考虑边界约束效应,计算范围按左右边界距隧道中心线距离3～5倍洞径考虑,底部边界距隧道底部的距离按3～5倍隧道高度考虑,上部边界为自由地表。

3.1.2 计算参数选取

根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)并参阅以往类比工程分析经验,确定围岩和支护的物理力学参数见表2。

表2 围岩和支护的物理力学性能指标

初期喷混凝土支护中的钢拱架,根据抗压刚度相等的原则,将钢架的弹性模量折算到网喷混凝土衬砌的弹性模量,以简化计算。计算公式如下

式中E——折算后喷混凝土弹性模量,MPa；

E0——原混凝土弹性模量,MPa；

Sg——钢拱架截面积,m2；

Eg——钢材弹性模量,MPa；

Sc——混凝土截面积,m2。

3.2 二次衬砌结构计算

二次衬砌结构计算应用成熟的荷载-结构模式,采用局部变形理论计算弹性抗力来模拟围岩对衬砌变形的约束作用。作用在衬砌结构上的主要荷载有结构自重、黄土垂直压力、地层侧向水平压力和弹性抗力等,偏于安全考虑,二次衬砌按承受围岩压力的60%进行计算[3]。

浅埋和深埋隧道的分界,按荷载等效高度值,并结合地质条件、施工方法等因素综合判定,建议黄土的分界厚度24 m为极浅埋分界,深浅埋分界值为60 m。本隧道埋深45 m,因此垂直压力采用规范建议的谢家烋理论公式[4]进行计算,即

垂直压力

水平压力

式中h——洞顶地面高度；

γ——围岩重度；

θ——滑面摩擦角；

B——隧道开挖宽度；

Ht——隧道高度；

λ——侧压力系数；

φc——围岩计算摩擦角。

将各参数代入上式,得：

侧压力系数λ=0.293

垂直压力q=192.26 kN/m2

水平压力e=145.18 kN/m2

3.3 预留变形量计算

现行《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)规定,隧道周边变形量是随围岩条件、隧道宽度、埋置深度、施工方法和支护刚度等影响而不同,采用工程类比方法确定,而黄土隧道的预留变形量规范没有明确提出,因此按弹塑性解析公式预测预留变形量的大小。不考虑塑性区体积扩容,则根据修正的芬纳公式有[5-7]

式中u0——洞壁径向位移(变形量)；

σz——初始地应力；

pa——初期支护阻力；

r0——洞室计算半径；

μ——泊松比；

E——土体的弹性模量；

c——黏聚力。

初期支护阻力由初喷混凝土的阻力P1、型钢钢架支撑力P2和系统锚杆阻力P3共同组合而成。初喷厚度ds≥0.04r0,按厚壁圆筒公式计算

Ⅰ20a钢架间距0.6m。

P2=nAsσt/100r0=

1.6×35.5×240/(100×587)=0.23MPa

式中 σt——钢材的屈服强度，取240MPa；

As——钢支撑的断面积。

P3是系统锚杆提供的支护阻力,由于本隧道拱部没有设置系统锚杆,仅边墙的系统锚杆支护阻力影响较小,可忽略不计。

将计算出的各参数代入上述公式,取μ为0.4,按隧道埋深45 m计算初始应力,则计算出的洞壁径向位移u0=9.5 cm,结合工程类比,设计预留变形量范围为10～12 cm,并根据现场监控量测结果修正。

4 计算结果分析

4.1 围岩位移场和应力场分析

洞室开挖完成后,围岩的位移场和应力场如图1～图2所示。从图中看出位移场和应力场对称分布,开挖后围岩朝洞内方向移动,拱顶围岩最大沉降值为34.7 mm,底拱隆起最大值为30.5 mm。大主应力最大值出现在距洞壁3 m之外的区域,其边墙处大主应力值为0.48 MPa。整个计算区域处于受压状态。

图1 围岩位移等值线

图2 围岩主应力等值线

4.2 初期支护受力分析

把喷射混凝土、钢拱架组成的初期支护作为一个整体来计算。隧道开挖完成后,初期支护的弯矩和应力如图3、图4所示。从图中看出,最大弯矩发生在拱脚处,量值为5.3 kN·m,最大主压应力0.65 MPa,最大主拉应力0.17 MPa。经计算分析,初期支护安全系数最小值均不小于1,初期支护变形值也均小于《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)中关于双线隧道初期支护极限位移的要求,从而可以判断初期支护有一定的安全储备,满足施工过程中围岩稳定性和安全性要求。

图3 初期支护弯矩

图4 初期支护应力

4.3 锚杆受力分析

锚杆是隧道施工过程中维护围岩稳定,保证施工安全的重要支护手段之一。它可以提高裂隙围岩的抗剪强度,抑制软弱围岩变形,防止坍塌；可以提高地层的承载能力,增强地层间的摩阻力；可以将一些不连续的岩块联系在一起,并基本不占用作业空间,施工性好,因此在工程领域中得到广泛的应用。但是根据计算结果,黄土隧道系统锚杆,尤其是拱部的锚杆,所起作用并不大。锚杆轴力如图5所示,从图中可以看出,锚杆受力均呈现拱部小而边墙大的分布特征,拱部锚杆受力很小,难以发挥本身的作用,而边墙锚杆能提供一定的拉应力。因此建议黄土隧道加强锁脚锚杆,保留边墙系统锚杆,以提供显著的拉应力,改善土体的受力状况、控制土体的位移；取消拱部系统锚杆,及时喷射混凝土,减少围岩暴露时间,有利于围岩稳定,降低工程造价[8,9]。

图5 锚杆轴力

4.4 二次衬砌受力分析

二次衬砌的弯矩和轴力如图6和7所示。从图中看出,衬砌全断面受压,最大压力发生在边墙底部及拱脚处,最大值为1 264.9 kN。由于曲面弹簧限制了衬砌的竖向位移,造成仰拱承受较大的轴力,且未考虑仰拱回填等影响,造成计算得到的仰拱受力比实际情况偏大。拱顶、拱脚、曲墙脚部和仰拱端部受到较大的弯矩作用。且曲墙脚部受到的弯距最大,最大值为711.2 kN·m。

图6 二次衬砌弯矩

图7 二次衬砌轴力

二次衬砌不仅受压,还受弯矩作用,所以在弯矩较大的截面处会出现截面内外侧分别受拉压应力的情况,因此出现较大拉压应力的位置为受力的不利截面。经理论计算,结构的承载性能及裂缝控制均能满足规范要求。

5 施工监控量测结果对支护参数验证情况

目前,太兴线黄土隧道施工基本处于尾声,监控量测及观测结果显示,隧道拱顶平均下沉8 cm,最大下沉10.3 cm,净空收敛平均4 cm,最大收敛6 cm,最终收敛速率均小于0.2 mm/d,且没有出现裂缝等不良现象,初期支护稳定性良好,满足规范要求。

6 结语

新建太兴铁路隧道工程,设计阶段对围岩进行了细致的勘察研究,并进行了准确完备的理论计算及经验类别验证,给出了较为经济合理的支护参数,尤其黄土隧道,取消拱部系统锚杆,加大锁脚锚杆设置,经施工实践的验证,施工效果良好,取得了良好的安全性和技术经济效果,为今后相似围岩地质的隧道工程设计施工提供了成功的经验。

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