某隧道塌方段支护变更设计及其安全验核

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

某隧道塌方段支护变更设计及其安全验核

■冯希林

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

对某在建隧道塌方段进行现场调查，认为原支护设计不能满足强度要求，并提出Z5-2复合衬砌结构支护的变更方案。基于荷载-结构法和泰沙基理论，利用MIDAS-GTS软件对Z5-2衬砌支护结构进行塌方后隧道围岩压力计算模型模拟分析，验核各测点安全系数是否满足现行规范要求，结果可为类似隧道问题提供借鉴。

塌方 泰沙基理论 荷载-结构法 衬砌支护 变更设计

1 工程概况

某在建隧道全长2613.5m，为分离式双洞四车道。其中左洞全长2627m，右洞全长2627m。左右洞进口段分别位于半径为R=1196.5m、R=1203.5m的平面曲线内，左右洞出口分别位于半径为R=596.5m、R=590m的平面曲线内。

该隧道开挖至YK45+028附近时发生塌方，坍塌体里程为Y45+028～YK45+030，坍塌段拱顶地表形成一个约5m×5m的近似圆形陷穴，地表坍塌中心位于隧中侧左的位置，坍塌底部最深处离原地表约为3m。塌方体长度约为2m，坍腔高度约为28.61～29.55m。选取典型断面，即塌方段桩号YK45+028处纵断面，该段距右洞出口约167m，如图1所示。

图1 塌方段纵断面示意图

由于该塌方段地质为Ⅴ级围岩，原设计衬砌形式为Z5。但由于塌方引起围岩扰动[1]，因此需对原有衬砌形式进行变更设计。

2 衬砌形式变更设计

2.1 塌方段现场处置方案

首先加强现场监控量测，对于塌方体后方的初期支护应进行临时加固，每榀钢支撑用1根工25b型钢作为临时竖撑，并加强纵横向竖撑之间的连结，保证临时竖撑的整体受力，临时竖撑应做好基础和原钢支撑的连接，以确保塌方处理人员的施工安全。用沙包对塌方体坡脚进行反压回填，然后在其表面喷一层20cm厚的C25早强混凝土将塌方体封闭，且根据具体情况在塌方体上设置平孔排水，然后在塌方体表面打入Φ50mm长 5m的小导管[2-3]，梅花形布设，间距为100cm×100cm，如图2。加压注浆以固结塌方体保证洞内塌方体的稳定。

图2 注浆孔布置图(单位：cm)

2.2塌方段衬砌形式变更方案

根据 《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)、《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)并结合现场实际情况，需改变强化塌方段落的支护结构[4,5]。具体方案为：超前支护采用F2-2型双层小导管注浆，复合式衬砌支护由原设计的Z5型改为Z5-2型，其中工20b钢支撑间距为0.5m，二衬施工前要对初支内腔进行测量，并判断初支内轮廓是否侵入二衬。Z5-2衬砌结构形式如图3所示。

3 计算参数及荷载

3.1 围岩及衬砌力学参数

隧道围岩及Z5-2复合衬砌结构力学参数见表1及表2所示。

3.2 围岩压力计算

隧道塌方段位于V级深埋段，埋深34m，考虑隧道预留变形量，开挖跨度为Bt=12.42m，开挖高度Ht=10.44m。设计荷载根据 《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)深埋单洞隧道围岩压力经验公式计算，计算模型如图4。

图3 Z5-2复合式衬砌结构图(单位：cm)

表1 V围岩计算物理力学参数表

表2 Z5-2支护力学参数表

图4 深埋隧道围岩压力

由于隧道顶塌方冒顶形成的宽约2.5m塌方体可视为散粒体，采用K·泰沙基理论[6]近似计算塌方体土柱对隧道产生的附加荷载，K值取为1.25，不考虑散粒体粘聚力和围岩内摩擦角，简化计算图示如图5，最终围岩压力如图6所示。

图5 塌方体附加荷载简化计算图示(单位：m)

图6 最终围岩压力图示

4 衬砌支护数值模拟

4.1 有限元计算模型

本次计算基于荷载-结构法[7,8]，采用MIDAS-GTS有限元分析软件进行数值模拟计算。计算内容包括初支与二砌，采用梁单位模拟衬砌结构，围岩对衬砌结构的作用采用弹性连接(受压)单元模拟。初支及衬砌有限元模型如图7。

图7 有限元计算模型

4.2 初支计算结果

根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)对每个单元进行验算，采用综合安全系数法，其中最不利位置位于拱顶4号节点处，其轴力为1310.7kN，弯矩为129.18kN·m，位移值为13.1mm，安全系数为 1.67，满足规范要求。验算施工阶段的强度时，安全系数采用上述规范“永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载”栏内的数值乘以折减系数0.9，得出其安全系数应大于1.53。初支计算轴力图、弯矩图及位移如图8所示，验算数值如表3。

图8 初支模拟计算结果

表3 初支内力及安全系数验算表

4.3 二衬计算结果

根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)对每个单元进行验算，采用综合安全系数法，其中最不利位置位于拱顶 4号节点处，轴力为 899.04kN，弯矩为415.04kN·m，位移为8.6mm，安全系数为2.56，满足《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)中安全系数应大于2.0的要求。模拟计算结果如图9所示，验算数值如表4所示。

图9 二衬模拟计算结果

表4 二衬内力及安全系数验算表

4.4 计算结果分析

利用MIDAS-GTS有限元分析软件进行数值模拟计算，计算初支及二衬的轴力，弯矩及位移，按照相关设计规范，安全系数验算均满足要求。即使在最不利位置即拱顶4号节点处，其安全系数最小，但仍能满足要求，证明Z5-2复合衬砌支护的强度达到规范要求，变更设计方案可行。

5 结论

通过对某隧道塌方原因分析，并提出现场处置方案，需要对支护形式进行变更设计。根据结构-荷载法和泰沙基理论，并利用MIDAS-GTS有限元软件，对变更设计方案进行数值模拟，计算隧道各节点相关数值，并验算安全系数。证明Z5-2复合衬砌结构能够满足规范要求，对塌方段可以进行可靠有效支撑，该衬砌支护结构可为类似隧道提供经验和参考。

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