北门隧道VI级围岩衬砌支护参数设计

■赖士谦

（福建省交通规划设计院，福州　350004）

北门隧道VI级围岩衬砌支护参数设计

■赖士谦

（福建省交通规划设计院，福州350004）

以福建省顺邵高速公路北门隧道为例，采用工程类比和荷载-结构法综合确定其VI级围岩衬砌的支护参数。初期支护和二衬截面强度验算结果表明：初期支护和二衬弯矩较大值发生在拱顶、左右拱腰、左右拱脚和仰拱部位，施工中应给予足够的重视；初期支护危险截面的最小安全系数为1.93，二衬危险截面的最小安全系数为2.43，均大于规范规定值，满足工程安全性要求。

隧道软岩荷载-结构法衬砌安全系数

1　引言

软岩是隧道工程施工过程中经常遇到的不良地质体，具有软、弱、松、散等低强度的特点，承受荷载的能力极低，从级别上看，这类围岩基本属于V、VI级围岩。隧道开挖后，地应力将重新分布，由于软岩强度低，对工程扰动极其敏感，在受拉或受压荷载条件下将产生塑性区，使围岩和支护发生变形。一旦施工方法和工程措施不当，将极易发生初期支护变形侵限或者隧道塌方等地质灾害［1］。

目前，国内学者和设计人员针对软岩隧道也开展了大量研究。方贻立等［2］以十房高速公路通省隧道软岩大变形为背景，分析了软岩隧道的变形机理，并利用FLAC3D模拟开挖支护和围岩变形过程。关岩鹏等［3］结合桃树坪大断面软岩隧道工程，通过数值模型模拟隧道周边超前支护、掌子面前方围岩加固、拱脚补强3种隧道加固方式，得出合理的新意法施工加固参数。李勇峰等［4］通过现场试验，对不同支护刚度下初支围岩压力、二衬围岩压力以及围岩的变形情况进行分析，结合对监测数据的分析结果确定了油坊坪隧道软岩大变形段落合理的支护参数形式。

衬砌支护参数设计是软岩隧道结构设计的重中之重，本文以福建省顺邵高速公路北门隧道为例，采用工程类比和荷载-结构法综合确定其VI级围岩衬砌的支护参数，对初期支护和二衬截面强度进行验算，得出相应的结论，对公路隧道类似软岩段的支护设计有较好的借鉴作用。

2　工程概况

北门隧道进口位于福建省顺昌县水南镇北侧，出口位于顺昌县双溪镇下沙村东南侧，跨越剥蚀丘陵。该隧道为分离式双线双洞隧道，左线起止桩号ZK1+ 440.0～ZK4+145.0，全长2705m；右线起止桩号YK1+ 445.0～YK4+175.0，全长2730m，隧道最大埋深261m，属长隧道。

根据勘察结果，进口侧自然山坡坡度15°～20°，隧道围岩为第四系残积砂质粘性土及全风化石英片岩，岩体极散乱，呈散体状结构。进口段发现一泉眼，地下水丰富，地下水以孔隙潜水为主，水位高于洞顶，［BQ］＜150。北山隧道右洞进口地质纵断面图如图1所示。

图1　北门隧道右洞进口地质纵断面图

3　VI级围岩衬砌结构验算

3.1衬砌支护参数拟定

单洞隧道复合式衬砌可采用工程类比法进行设计，并通过计算分析进行验算。根据省内以往工程经验，初定北门隧道YK1+445～YK1+585段落衬砌支护参数如下（如图2所示）：

图2　北门隧道VI级围岩衬砌支护设计图

初期支护采用喷、锚、网、钢支撑支护，锚杆采用Φ25中空注浆锚杆，长度3.5m，环向间距1.0m，纵向间距1.0m，呈梅花型布置；采用Φ6钢筋网，网格20cm×20cm，拱墙设置；初支C25喷射混凝土厚度为30cm，采用工22b型钢钢支撑，纵向间距为0.5m。

二衬采用C25混凝土，厚度为55cm，环向主筋采用Φ25mm@100，每延米配筋面积为98.18 cm2（两侧）。

3.2验算方法

当隧道支护结构在稳定洞室过程中起主要作用、承担外部荷载较明确、自重荷载可能控制结构强度时，宜采用荷载-结构法进行内力计算，并对其极限状态进行校核［5］。

由于VI级围岩基本无自承能力，采用荷载-结构法计算较为合适。计算软件采用我院自编的程序，根据平面弹性有限元原理，把隧道的初支和二衬离散为由梁单元组成的平面杆系，围岩对初支和二衬的作用通过只受压不受拉的杆单元来模拟。计算时荷载考虑围岩压力及混凝土收缩徐变。围岩和衬砌材料参数参考地质勘察报告和 《公路隧道设计细则》，参数选取如表1和表2所示。

根据公路隧道设计手册［6］，对于VI级围岩衬砌，初期支护的承载能力应大于设计总荷载30%，二次衬砌承载能力应大于设计总荷载80%。为保证施工过程的安全，本文取初期支护荷载分担值为50%，二次衬砌荷载分担值为80%。

表1　围岩参数表

表2　衬砌参数表

3.3荷载确定

根据公路隧道设计规范［7］，计算得到VI级围岩的荷载等效高度：

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

根据纵断面设计图，右洞VI级围岩最大埋深为25m，桩号为YK1+580，左洞 VI级围岩最大埋深为16m，桩号为ZK1+560。左右洞最大埋深均小于荷载等效高度，为超浅埋，故选取YK1+580断面为典型计算截面，其荷载分布如图3所示。

q=γh=375kN/m

顶部侧压力为：

e1=γh×tan2（45°-φc/2）=125kN/m底部侧压力为：

e2=γ（h+Ht）×tan2（45°-φc/2）=175kN/m

图3　荷载分布图

3.4初期支护受力分析及截面强度验算

按荷载分担值50%考虑，计算得到的初期支护轴力如图4和图5所示。由图可知，初期支护弯矩较大的节点分别为13（拱顶）、7（左拱腰）、19（右拱腰）、36（左拱脚）、26（右拱脚）、28和34（仰拱），这些节点均应进行截面强度验算，并在施工中给予足够的重视。

图4　初期支护轴力分布图

图5　初期支护弯矩分布图

图6　钢支撑有效配筋面积示意

在进行初期支护截面强度验算时，将嵌在喷混凝土中的钢支撑看成是对喷混凝土的配筋［8］，将C25喷混凝土＋钢支撑的联合承载体看作钢筋混凝土，该简化方法较合理地考虑了C25喷混凝土＋钢支撑的联合承载作用。钢支撑、钢筋网对喷射混凝土都有加筋作用，计算时偏于安全将工字钢翼缘附近的部分作为有效配筋面积，如图6所示，而腹板、钢筋网则作为安全储备。对于工22b型钢，每榀有效配筋面积为29.52cm2，则每延米有效配筋面积为59.04cm2。

表3给出了初期支护危险截面的安全系数，最小值为2.11（右拱脚）。根据 《公路隧道设计规范》［7］，验算施工阶段的强度时，喷射混凝土最危险单元的安全系数应为2.0×0.9=1.8。因此，北门隧道VI级围岩初支结构满足安全性要求。

表3　初期支护危险截面安全系数

3.5二次衬砌受力分析及截面强度验算

二次衬砌荷载分担系数取0.8，计算得到的二衬轴力计算结果如图7和图8所示。由图可知，二衬危险截面位置与初期支护比较接近，由于其荷载分担系数较大，轴力值明显大于初期支护。

表4给出了二次衬砌危险截面的安全系数，最小值为2.45，发生在拱顶位置。根据《公路隧道设计规范》［7］，二次衬砌最危险单元的安全系数应为2.0。因此，北门隧道VI级围岩二衬结构同样满足安全性要求。

图7　二次衬砌轴力分布图

图8　二次衬砌弯矩分布图

表4　二次衬砌危险截面安全系数

4　结论

本文以福建省顺邵高速公路北门隧道为例，采用工程类比和荷载-结构法综合确定其VI级围岩衬砌的支护参数，对初期支护和二衬截面强度进行了验算，得出以下结论：

（1）衬砌支护参数设计是软岩隧道设计的重中之重，应严格按照规范和细则的要求进行结构计算。

（2）荷载-结构法计算结果表明，在软岩荷载作用下，初期支护和二次衬砌弯矩较大值发生在拱顶、左右拱腰、左右拱脚和仰拱部位，这些部位在施工中应给予足够的重视。

（3）截面验算结果表明，北门隧道VI级围岩初期支护危险截面的最小安全系数为2.11，二次衬砌危险截面的最小安全系数为2.43，均大于规范规定值，满足工程安全性要求。

［1］关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］方贻立，李睿哲，陈建平，等.软岩隧道大变形机理分析［J］.华东公路，2013，6：56-59.

［3］关岩鹏，黄明利，彭峰，等.大断面软岩隧道新意法加固参数研究［J］.公路交通科技，2013，30（3）：105-110.

［4］李勇峰，孙洋，徐颖，等.软岩隧道大变形机理及支护参数优化分析［J］.施工技术，2013，42（23）：78-81.

［5］廖朝华，郭晓红.公路隧道设计手册［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［6］田志宇，邓承波，林国进.隧道塌方处治支护参数选取 ［J］.铁道建设，2012，06：54-57.