基于优化公路隧道初期支护参数的安全储备分析

2022-08-27 04:21徐华超
交通科技与管理 2022年16期
关键词:计算结果储备轴向

徐华超

(贵州路桥集团有限公司,贵州 贵阳 550001)

0 引言

对于Ⅳ级围岩公路隧道来说,其初期支护结构需承受总应力的60%~75%,如初期支护参数设计安全储备不足或过高将造成公路隧道设计无法兼顾施工安全与施工成本[1]。该文主要研究公路隧道初期支护变形,根据施工实地检测与数据分析支护锚杆、预留变形量、钢拱架对隧道初期支护安全储备的影响,旨在更好地进行公路隧道初期支护参数优化。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

某公路隧道施工区域为侵蚀、溶蚀地貌、节理裂隙较发育、岩体破碎。隧道全长2 343 km,全程依次分布Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅲ级围岩,其中Ⅳ级围岩区段总长1 235 m,因此,该文主要研究Ⅳ级围岩段公路隧道初期支护参数优化。该段隧道埋深223~228 m,以中风化石灰岩为主,岩体较破碎,是整个Ⅳ级围岩段的典型区段。

1.2 初期支护设计参数

对隧道右幅YK9+870区域采用工程类比法设计初期支护方案:1)喷射厚度23 cm的混凝土C30;2)采用长4 m的C20支护锚杆,纵向、环向间距分别为95 cm、135 cm;3)钢筋直径Ф6.5、钢筋网布设尺寸为30 cm×30 cm;4)钢拱架采用I16工字钢,布设间距90 cm;5)8 cm预留变形量。通过上下台阶开挖方式同步开挖隧道双洞[2]。若隧道右幅开挖至YK9+865-875区段,左洞挖断面处于右洞前端15 m处。按照公路隧道工程设计规范及施工资料,初期支护材料力学指标见表1。

表1 支护材料的力学指标

2 初期支护参数现场状态

2.1 安全储备

支护结构强度或刚度超出阈值时会损坏,故应事先设置充足的安全储备,以提高支护结构的安全性。安全储备可通过下列公式计算:

式中,f——支护结构强度的安全储备;A——支护结构的承载力最大值;B——支护结构的极限应力;f ′——支护结构变形安全储备;A′——支护结构预留变形量;B′——支护结构极限变形量。

2.2 试验方案

为深入研究初期支护结构的载荷分布及变化情况,确定适当的安全储备,在隧道YK9+870区段截面检测锚杆、钢拱架的轴力、结构变形,传感器布设如图1所示。

图1 传感器的布设

2.3 公路隧道初期支护结构载荷特征

2.3.1 变形情况

基于总变形量、变形速率判断施工安全程度。

(1)D测点的结构总变形及变形速率如表2所示,变形量与时间成正比,最终的总变形为4.84 m。

表2 初期支护变形测试结果

(2)E测点的结构总变形与时间成反比,最终总变形为-0.57 mm。

(3)该公路隧道先开挖左洞再开挖右洞,实地检测数据如图2所示,隧道顶部围岩体对初期支护的压力与时间成正比,测点D、E处的变形朝隧道外边沿收敛,隧道拱顶部位变形为5.7 m,此时变形趋于稳定,变形速率低于0.05 mm/d,相应的初期支护结构变形安全储备为94%;E测点安全储备99.4%;D测点变形朝外侧收敛,无需安全储备。

图2 公路隧道初期支护结构总变形

2.3.2 锚杆应用效果

设置系统锚杆,增加隧道围岩的抗拉能力及抗剪性能[3]。

(1)锚杆轴向应力测试结果见表3,隧道拱顶测点A位置的锚杆存在最大值5.5 MPa的轴向压应力;隧道左拱肩B点处存在最小值3.3 MPa的轴向应力;隧道拱腰测点E处存在最大值22.6 MPa的锚杆轴向应力。

表3 锚杆轴向应力测试结果

(2)锚杆受力较小,拉应力最大值只有钢材强度最大值的7.7%,支护系统锚杆强度安全储备为92.5%。

2.3.3 隧道初期支护拱架应力

构建隧道初期支护钢筋混凝土结构,提高其初期支护结构的力学承载性能。实地检测数据见表4,拱顶测点A处的钢拱架最大121.4 MPa的轴向压应力,钢材极限强度大于钢拱架最大压应力。

表4 钢拱架的轴向应力测试数据

3 初期支护载荷状态及参数设计优化

3.1 模型构建

构建计算模型分析公路隧道初期支护结构载荷分布情况,具体如图3所示。

图3 公路隧道开挖截面计算模型

通过弹性地基对隧道衬砌内力分析,地基弹簧抗力可通过下列公式计算:

式中,Fn——法向弹簧抗力;Fs——切向弹簧抗力;Kn——隧道围岩结构的法向弹性抗力系数;Ks——切向弹性抗力系数,计算公式如下:

式中,K+、K-分别表示压缩区抗力系数、拉伸区抗力系数,设。将初期支护结构的钢拱架等效为等厚度的混凝土,根据等效原则叠加刚度,计算公式如下:

式中,E——等效弹性模量;E1——混凝土弹性模量;I1——惯性矩;E2——钢拱架弹性模量;I2——惯性矩;按照公路隧道工程设计规范和施工勘测数据获得计算数值,具体见表5。

表5 数值计算参数

3.2 初期支护变形特征

根据公路隧道初始支护的数值计算模型分析可知水平方向变形集中于上台阶处,峰值2.336 8 mm,只占变形裕量的3.1%。隧道拱顶处的竖直方向变形最大,为9.272 3 mm;隧道拱底部位变形较小,只有0.195 9 mm,安全储备为88.5%,拱底变形小。

3.3 隧道初期支护受载力学性能

如图4所示,初期支护结构承受载荷时,对称分布的弯矩最大值42.54 kN·m在拱顶处,弯矩最小值-36.79 kN·m在拱肩处。

图4 初期支护轴载力学性能

该公路隧道初期支护结构剪力以隧道轴线左右两侧对称。左拱脚最大剪力为137.99 kN,右拱脚最小剪力为-137.99 kN。施加载荷时,轴向力对称,拱顶部位的轴向力最小为640.58 kN,拱底部位的轴向力最大,为992.36 kN。

3.4 安全性评估与支护优化

3.4.1 安全性评估

运用工程类比法测得的初期支护结构预留变形量为8 cm,实测变形最大值为5.7 mm,存在93%的变形安全储备。

通过计算分析,可知该公路隧道的初期支护结构最大变形为9.27 mm,安全储备88.5%。综上所述,预留变形量安全储备充足,优化余地很大。

3.4.2 隧道初期支护方案优化

根据公路隧道施工现场试验及数值模型分析结果可知其初期支护结构安全储备过大,现有初期支护结构参数设计不合理,可从以下方面进行优化:

(1)该项目系统锚杆应力低于极限强度的7.7%,无法有效提高初期支护结构稳定性,取消锚杆后初期支护变形、安全储备变化都在0.1%以内,因此,该公路隧道可取消系统锚杆。

(2)该公路隧道顶板的实测轴向应力仅为抗拉强度的36.6%。在其他衬砌参数不变的情况下,隧道顶板间距从0.8 m增加到1.5 m,最大轴向应力增加0.4%,变形安全储备降低2.85%,故钢拱架间距可提升至1.5 m。

(3)基于该公路隧道初期支护结构实测结果和数值计算结果,其变形量最大值不应超过1 cm。对于微中风化石灰岩隧道,在支护方式不变的情况下,预留变形量减少6 cm,能显著减少开挖运输工程量。

3.4.3 优化前后隧道测试结果对比

设置试验段,为检验数值计算结果的可靠性,增加25%锚杆间距,详细测试数据见表6,初期支护系统锚杆优化前后,其结构的变形、钢拱架应力变化均低于8.5%。荷载特性与数值计算结果基本一致,计算结果可靠。

表6 优化前后隧道测试结果对比

4 结论

综上所述,根据实测结果和数值计算结果可知该公路隧道当前参数设计不合理需进行优化。数值计算分析了系统锚杆、拱架、预留变形量与安全储备的关系,为支护方案及参数设计优化提供可靠依据,得出以下结论:

(1)数值计算结果与实测结果大体吻合,证明计算结果具有较高的可靠性,初期支护方案满足安全要求,有较大的优化余地。

(2)结合实测结果和数值计算结果,初期支护结构变形为88.5%的安全储备,锚杆、钢拱架的最大轴向应力分别有92.5%。63.6%的安全储备,远低于钢极限强度。

(3)对于中风化石灰岩隧道,在保证初期支护质量、安全储备的情况下,可取消锚杆。因为取消锚杆后安全储备降低小于0.1%,同时可增加87.6%拱架间距,将钢架尺寸减小17.8%时,安全储备降低不到3%。安全影响可控,预留变形减小6 cm后安全储备依然有53.7%,可降低挖掘和运输成本。

(4)初始支护体系横向锚杆间距优化为25%,受荷效应变化在9%以内,与数值计算结果基本吻合,数值计算结果可靠。

猜你喜欢
计算结果储备轴向
释放钾肥储备正当时
大型立式单级引黄离心泵轴向力平衡的研究
不等高软横跨横向承力索计算及计算结果判断研究
国家储备林:为未来储备绿色宝藏
荒铣加工轴向切深识别方法
一种可承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承
趣味选路
外汇储备去哪儿了
微小型薄底零件的轴向车铣实验研究
超压测试方法对炸药TNT当量计算结果的影响