基于总安全系数法的宜兴高速铁路隧道支护参数优化与试验

谢壁婷 肖明清 徐晨 陈文鹏 王克金

1.中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063； 2.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心， 武汉 430063

我国采用钻爆法修建了世界上数量最多、总里程最长的隧道［1］，而隧道设计的经济性有待提高。以文献［2］为例，深埋隧道荷载的计算方法较保守。国内在钻爆法隧道支护参数设计理论与方法研究方面仍有不足［3］，目前处于工程类比为主、理论计算为辅的阶段，未实现精细化设计，难以对其经济性进行评判。随着隧道智能建造技术的快速发展，传统设计方法已不能与之匹配［4-6］。肖明清［7］提出隧道支护结构设计总安全系数法，构建隧道支护结构量化设计体系，将隧道支护结构由类比设计向量化设计转变。

1 总安全系数法

隧道支护结构设计总安全系数法（简称总安全系数法）将复合式衬砌离散为锚杆围岩承载拱（简称锚岩承载拱）、喷射混凝土层（包括喷射混凝土、喷射钢纤维混凝土、钢架、钢筋网等，简称喷层）、二次衬砌等多层结构，叠加每层结构单独承载时的安全系数，并进行各层结构之间的变形协调与破坏次序的相关修正，计算出复合式衬砌的总安全系数与总承载能力，为复合式衬砌的支护方案与构件选择、参数量化分析和整体优化设计提供有力手段［8-9］。总安全系数法计算模型和计算思路如图1所示。

图1 总安全系数法计算模型和计算思路

本文依托宜兴高速铁路优化试验段，基于总安全系数法对优化试验段内的隧道支护参数进行优化，通过现场实测数据对优化后支护参数进行安全性和经济性分析。

2 隧道支护参数优化

宜兴高速铁路为沿江客运通道的重要组成部分，位于湖北省宜昌市境内，设计时速350 km。原设计方案依据《郑万高速铁路隧道第五版通用参考图》编制。

2.1 原设计支护参数安全性分析

根据总安全系数法对原设计支护参数进行安全系数校核。经计算，Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下复合式衬砌最小安全系数分别为8.95、5.50，均大于总安全系数法中复合式衬砌所要求的3.0。可见，支护参数有较大优化空间。

对不同围岩条件下隧道初期支护应力、应变进行现场监测。Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下钢架最大应力分别为48.10、14.28 MPa，小于钢材屈服应力235 MPa；喷射混凝土受压安全系数最小值分别为3.48、5.95，均大于总安全系数法中混凝土安全系数控制值1.53；锚杆最大轴力分别为19.92、4.53 kN，小于Ⅰ级钢筋最大拉力79.8 kN。可见，初期支护有较大优化空间。

2.2 优化后支护参数安全性、经济性分析

支护参数优化考虑隧道埋深、地下水情况、围岩级别等因素。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下隧道最大埋深分别为1200、800、600 m；Ⅴ级围岩条件下支护参数适用于穿越断层破碎带区域，断层宽度小于等于20 m。初期支护原设计参数与优化后参数对比见表1。

表1 初期支护原设计参数与优化后参数对比

围岩物理力学参数采用TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》各级围岩物理力学指标的下1/3 或下1/4分位值，围岩压力参照文献［10］取值，见表2。其中，构造应力场条件下侧压力系数（λ）为1.2，自重应力场条件下λ按照总安全系数法取值。

表2 围岩压力

采用总安全系数法对两种应力场条件下，施工期与运营期隧道支护参数的安全系数进行校核。由于构造应力场条件下围岩压力较自重应力场大，按照最不利工况包络设计。构造应力场条件下优化后支护参数的安全系数见表3。可知，施工期与运营期支护参数的安全系数均大于总安全系数法中的控制值，结构安全。

表3 构造应力场条件下优化后支护参数的安全系数

优化后支护参数的经济性指标与施工进度指标与原设计对比见表4。可知，支护参数优化效果较好，各级围岩条件下支护参数的经济性指标均有不同程度降低，施工进度指标均有不同程度提高。

表4 优化后支护参数的经济性、施工进度指标与原设计对比

3 现场测试

3.1 优化试验段老林岗隧道DK17 + 280断面试验结果

以老林岗隧道DK17 + 280 断面为例，对施工期围岩压力、锚杆轴力、钢架应力和喷射混凝土内力的实测数据进行分析。围岩级别为Ⅳ级，采用Ⅳb型衬砌。

1）围岩压力。DK17 + 280 断面围岩压力时程曲线见图2。可知：围岩压力在5 d 后趋于稳定；围岩压力最大值为70.42 kPa，位于左拱肩。

图2 DK17 + 280断面围岩压力时程曲线

2）锚杆轴力。DK17 + 280 断面锚杆轴力见图3。可知：锚杆最大轴力为25 kN，位于左拱脚，小于Ⅰ级钢筋最大拉力79.8 kN，锚杆结构安全。

图3 DK17+280断面锚杆轴力（单位：kN）

3）钢架应力。DK17 + 280 断面初期支护钢架应力时程曲线见图4。可知：钢架应力在9 d 后趋于稳定，内、外侧最大压应力分别为7.77、3.36 MPa，分别位于拱顶、左拱脚，均小于钢材屈服强度，钢架结构安全。

图4 DK17+280断面钢架应力时程曲线

4）喷射混凝土内力。DK17+280 断面喷射混凝土应力时程曲线见图5。根据实测值计算得到喷射混凝土内力，见图6。可知：喷射混凝土轴力呈拱部大、边墙小，弯矩较小，受力状态为小偏心受压。通过计算可得该断面受压时最小安全系数为15.77，位于左拱肩，大于总安全系数法中钢筋混凝土受压破坏的安全系数2.0，而且无受拉控制，喷射混凝土结构安全。

图5 DK17 + 280断面喷射混凝土应力时程曲线

图6 DK17 + 280断面喷射混凝土内力

3.2 围岩压力、喷层安全系数实测值与设计值对比

宜兴高速铁路优化试验段内4座隧道断面围岩压力、喷层安全系数实测值与设计值对比见表5。可知：Ⅱ、Ⅲ级围岩稳定性好，围岩压力较小。围岩压力设计值均大于实测值，喷层安全系数设计值均小于实测值。可见，基于总安全系数法设计优化后，支护参数能够满足安全要求。

表5 围岩压力、喷层安全系数实测值与设计值对比

4 结论

本文依托宜兴高速铁路优化试验段，基于总安全系数法对优化试验段内的隧道支护参数进行优化，结合现场实测数据对支护参数的设计值和实测值进行对比，验证基于总安全系数法设计的安全性和经济性，主要结论如下：

1）与原设计方案相比，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，优化后支护参数的经济性指标最多可降低5.24%、23.85%、22.61%；Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下，隧道施工进度指标最多可提高29.6%、40.0%。

2）通过现场测试，优化试验段围岩压力设计值均大于实测值，喷层安全系数设计值均小于实测值。优化后支护参数满足安全要求，总安全系数法可靠。