高地应力软岩大变形隧道钢支撑合理参数研究

史可文

摘 要：高地应力软岩大变形隧道施工极易发生围岩坍塌、结构失稳现象，钢支撑能够有效提高支护结构安全度。以贵广铁路胡山隧道为背景，建立三维有限元数值模型，研究施工过程中钢支撑弯矩、轴力，以及安全系数。研究表明：V级围岩隧道拱顶所承受的弯矩大小约为23.3 6kN·m，I14钢支撑刚好满足抗弯要求。VI级围岩隧道拱顶所承受的弯矩大小约为56.6kN·m，采用I18钢支撑或者双层I14型钢支撑才能保证隧道围岩稳定性。研究成果将为对今后高地应力软岩大变形隧道钢支撑安全设计和施工提供理论依据和参考。

关键词：隧道 高地应力 钢支撑 安全度 参数优化

中图分类号：U459.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-005-02

近年来，随着科技实力的不断提升，铁路交通建设得到迅猛发展。山岭隧道在穿越地层的过程中，极易遇到软岩大变形等不良地质段。

1 引言

近年来，随着科技实力的不断提升和铁路交通的迅猛建设，新建铁路隧道正越来越倾向于利用长大隧道作为穿山越岭的结构形式。截止2011年底，全国铁路营业里程达到9.3万公里，比上年增加2071.1公里、增长2.3%，里程长度居世界第2位。为了缩小各个主要城市间的时空差距，实现社会资源的合理配置，众多高速铁路、高速公路、客运专线等直接通过山区，大都以特长隧道的形式穿越。隧道在山岭地区可以克服高程或者地形的障碍，具有缩短行车里程、环境污染少、节约土地和减少人为地质灾害等。

其中，随着西部交通的迅猛建设，穿越软岩大变形隧道工程越来越多，极易发生具有极强破坏力的隧道塌方，鉴于我国对高地应力软岩大变形特征缺乏经验，为保证隧道施工安全及运营安全，亟待需要解决此类问题，因此开展钢支撑合理参数进行研究显得非常必要，研究成果具有广阔的应用前景和重要的理论与实际应用价值，可为我国穿越高地应力软岩大变形山岭隧道的建设提供科学依据和技术支撑。

2 工程背景

贵广客运专线胡山隧道位于桂林市灵川县境内，设计行车速度200km/h，预留250km/h条件设计。隧道全长4113m，洞身最大埋深390m。通过对胡山隧道初始风险等级进行统计，隧道8.75%段落突水（泥）初始风险等级判定为“极高”，12.72%段落塌方初始风险等级判定为“高度”，其余均为中度与低度，综合考虑各风险因素，胡山隧道初始风险等级为“中度”。

3 计算参数

选取两侧边界至隧道中心线距离为50 m，底部边界至隧道轨顶距离为30m，上部与隧道顶面距离取80 m。左、右、下部边界为位移边界，上边界为自由表面，围岩参数和支护结构计算

4 计算结果

4.1 V级围岩隧道钢支撑

选取I14型钢支撑，间距为0.6 m，取支护结构的纵向单位长度进行计算，根据混凝土规范 =y，用《公路隧道设计规范》附录C查的I14型钢抗弯截面距为Wx=102cm3，钢筋容许应力[ ]=160MPa，检算结果如下：

M=I譡 ]/0.6=Wx？60/0.6=102？60/0.6=27.2kN·m

即I14钢支撑最大容许弯矩为27.2kN·m。

根据现场施工情况，初期支护弯矩计算结果如图1所示。

由图1可知，拱部弯矩明显较大，取钢支撑拱顶位置作为研究对象，初期支护最终受力趋向平衡时，拱顶所承受的弯矩大小约为23.3 kN·m，根据《公路隧道设计规范》附录C，I14钢支撑刚好满足抗弯要求（27.2kN·m）可选取I14型钢支撑较为合理，即可满足抗弯要求。

4.2 VI级围岩隧道钢支撑

根据现场施工情况，初期支护弯矩计算结果如图2所示。

由图2可知，拱部弯矩明显较大，取钢支撑拱顶位置作为研究对象，初期支护最终受力趋向平衡时，拱顶所承受的弯矩大小约为56.6 kN·m。

根据现场施工情况，选取I18型钢支撑，间距为0.6 m。根据《公路隧道设计规范》附录C I18型钢抗弯截面距为Wx=185cm3，钢筋容许应力[ ]=160MPa，检算结果如下：

M=I譡 ]/0.6=Wx？60/0.6=185？60/0.6=49.3 kN·m

即I18钢支撑最大容许弯矩为49.3kN·m。

由于围岩荷载不仅只有钢支撑承担，还有喷砼和锚杆共同作用，拱顶所承受的弯矩大小约为56.6 kN·m，故VI级围岩必须采取I18钢支撑才能满足抗弯要求。

采用双层I14型钢支撑，间距为0.6 m时，其抗弯容许弯矩检算结果如下：

M=2譏譡 ]/0.6=2譝x？60/0.6=2？02？60/0.6=54.4 kN·m

即I14钢支撑最大容许弯矩为54.4 kN·m，因此采用双层I14型钢支撑更能满足要求。

5 结论

对贵广客运专线胡山隧道进行大变形数值模拟，得到结论如下：

（1）胡山隧道V级围岩隧道拱顶所承受的弯矩大小约为23.3 6kN·m，I14钢支撑间距为0.6 m，刚好满足抗弯要求（27.26 kN·m），因此可选取I14型钢支撑较为合理。

（2）VI级围岩隧道拱顶所承受的弯矩大小约为56.6kN·m，I18钢支撑（间距为0.6 m）最大容许弯矩为49.3kN·m，由于围岩荷载不仅只有钢支撑承担，还有喷砼和锚杆共同作用，故I18钢支撑满足抗弯要求。

（3）通过检算双层I14型钢支撑（间距为0.6 m）最大容许弯矩为54.4 kN·m，亦能满足要求。因此，对于VI级围岩隧道建议采用I18钢支撑或者双层I14型钢支撑才能保证隧道围岩稳定性。

参考文献：

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