四川省绵茂路篮家岩隧道支护设计方案

摘 要：篮家岩隧道是四川省绵竹县至茂县2级公路的重点控制性工程，分析隧道的支护设计方案具有意义。本文在介绍工程概况的基础上，克服软弱岩石的影响，根据公路隧道设计国家标准，对隧道进行断面设计和支护设计，通过计算验算，设计结果符合国家的强度要求，满足隧道的实际需求。

关键词：隧道断面设计；支护设计；软弱岩石

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.070

1 工程概况

篮家岩隧道是四川省绵竹县至茂县 2 级公路的重點控制性工程，为单洞 2 车道双向行车隧道，设计速度80km/h[1]。篮家岩隧道设计桩号为K43+200-K51+310（老桩号为K43+035～K51+150），全长8000m为本线路上最长的隧道，属特长隧道。其进口设计洞底标高1747.009m，主轴线方向351°，出口设计洞底标高1850.0m。隧道纵坡采用人字坡，上坡坡度1.9%，下坡坡度-0.5%，隧道最大埋深约1820m。根据本次地质调查，主要按照岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征，进口地段强风化（浅部）——弱风化，据茂县段已有的资料， 强风化千枚岩饱和抗压强度极低（<1 MPa），弱风化千枚岩岩石饱和抗压强度在6～10Mpa之间，属软岩，岩体较破碎。估算围岩基本质量指标取值岩休较完整，属软岩——较软岩。岩石（取滴水状），按围岩分级标准划分为Ⅴ级。按Rc=20MPa计算其千枚岩〔BQ〕值也小于250，隧道K43+035-K44+750洞室围岩以白云岩、其余硬质岩为深埋段，弱——微风化，岩石较坚硬——坚硬，岩体较完整，围岩划分为Ⅲ级。

2 隧道设计

本隧道设计全部采用公路隧道设计国家标准[2]。

2.1 隧道断面的设计

根据公路隧道建筑限界的规定：

本隧道为80km/h一级公路隧道可知：W=3.75m ， LL=0.5m ， LR=0.5m ， J=0.75， h=0.25m，H=5m 隧道建筑限界净宽10.25m；W为行车道宽度；LL为左侧的宽度；LR为右侧的宽度；J是检修道宽；h是检修道高度；EL是建筑限界左顶角宽度；EL=LL；EE是建筑限界右顶角宽度。如图1、2所示：

2.2 衬砌断面内轮廓尺寸拟定

根据公路隧道设计规范采用如下3个公式拟定尺寸：

r1+acotβ1-r2cosβ2=f （1）

2（r2sinβ2-a）=b （2）

r1+a/sinβ1=r2 （3）

式中：b是公路隧道建筑限界宽度，其值为行车道宽度加上两侧路缘带与人行道宽度的总和两侧还应该分别加上5到10cm；f是拱顶至拱脚的矢高，根据通风量所需的通风面积计算确定，并保证拱轴线得受力合理；β1、β2是内径r1 r2画出的圆曲线的终点截面与竖直面的夹角；a是内径r1，r2的圆心O1与O2之间的水平距离。

根据设计的建筑限界得：b=10.4m，f=2.804m，a=0.8m，β1=51.906o；

联立方程（1）（2）（3）求得：r1=6.16m ，r2=7.18，β2=56.72o；

取墙式边墙内径r3由参数H1及b1确定：r3=H12+b12/2（H1sinβ3+b1cosβ3），

β3=90o-β2；

由建筑限界计算得：H1=4.5m ，b1=0.2m；从而得出 r3=10m；算得内轮廓线面积S1=69.62m2。

2.3 隧道外轮廓线的拟定

按照工程类比法的方法将内轮廓线向外扩大20cm即为外轮廓线如图3：求得外轮廓的面积S2=76.11m2。

2.4 隧道实际开挖面积和开挖边界

在使用钻爆施工时，由于爆破会导致隧道边缘出现各种凹凸不平的不规则形状，因此未来保护外轮廓线能够正常完好的施工，一般我们将外轮廓线向外推出10cm达到保护隧道外轮廓线的目的，此时的隧道开挖线即隧道实际开挖线，如图4所示，实际开挖面积S3=79.456m2。

3 隧道支护设计

3.1 岩石等级确定

由于岩土体性质、地应力、边界条件、施工过程等方面的复杂性和随机性，使得公路隧道围岩压力的确定或计算变得十分困难[3]。因而采用的是我国的[BQ]法确定岩石强度等级，具体如下：

本隧道长度为449m，因此选用BQ法判定隧道围岩的分级。在桩号Zk39+321-Zk39+390，长度69m，BQ=230，为Ⅴ级围岩，记为①号岩体。在桩号Zk39+390-Zk39+500，长度110m，BQ=321，为Ⅳ级围岩，记为②号岩体。在桩号Zk39+500-Zk39+568，长度60m，BQ=224，为Ⅴ级围岩，记为③号岩体。在桩号Yk39+313-Yk39+363，长度50m，BQ=227，为Ⅴ级围岩，记为④号岩体在桩号Yk39+363-Yk39+448，长度85m，BQ=316，为Ⅳ级围岩，记为⑤号岩体。在桩号Yk39+448-Yk39+515，长度67m，BQ=222，为Ⅳ级围岩，记为⑥号岩体。

3.2 围岩压力确定

根据公路隧道设计国标规定，该项目采用了通过中国高速公路隧道和铁路隧道来计算采用垂直方向的一致压力的方式。它根据工程类推法，从统计上分析中国数百人的隧道崩溃的调查数据。

围岩竖向均布压力q按下式计算：q=0.45*2s-1*γω；

式中：S是围岩级别；γ是围岩容重，kN/m2；ω =1+i（B-5）宽度影响因素；B是隧道宽度；i以B=5m为基准，B每增减1m是大的围岩压力增减率，当B<5m，取i=0.2；当B>5m，取i=0.1。

因此，①③④⑥号岩体的竖向均布压力为：q1=28.548MPa；按工程地质类比法得到①③④⑥号围岩的水平均布压力：e1=28.548*0.17=4.85MPa；而②⑤号岩体的竖向均布压力为：q2=59.292MPa；水平均布压力为：e2=19.57MPa。

3.3 锚杆直径与长度的计算

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差，易发生大的变形、钢架扭曲等现象[4]。隧道支护结构体系是围岩稳定性控制的关键，也是隧道设计的基本任务，而对支护结构之间相互作用过程和机制的系统认识则是定量化设计的基础[5]。由于隧道的周围岩石不稳定，所以采用锚杆将他们连接的可能稳定的岩石上。它的主要效果是使危石和不稳定的岩石稳定下来，因此锚杆必须承受锚固所有不稳定的岩石重力。

当块体危石坠落时，除使锚杆产生剪切作用，根据静力平衡有：

Q=Gsinξ1/sinψ

N=Gsin（ψ-ξ1）/sinψ

式中：N錨杆所受拉力；Q锚杆所受剪力；G危石重力或一根锚杆承担的岩石重力；ψ锚杆与地质结构面的夹角；ξ1锚杆与垂直线的夹角。

由于不能准确确定危石的大小和形状本计算公式不适用。因而本工程采用经验类比法计算锚杆的长度和直径。如图5所示： L=4m d=20cm 间距0.8m 采用φ20cm螺纹钢。

3.4 工程验算

工程验算的计算简图如图6所示：

计算结果表明：配筋符合要求满足设计强度，可以使用。

4 结语

本次设计按照设计要求的隧道参数，并按设计规范设计此次隧道的断面设计采用三圆心拱设计，设计得三个圆半径分别为6.16m、7.18m、10m，得出内轮廓线面积69.62m2。依据工程类比法得出外轮廓线面积76.11m2，由于开挖爆破形成不规则形状，因此得出实际开挖面积79.456m2。且本次隧道采用锚喷支护设计，算得锚杆长度4m，直径20cm，间距0.8m，采用φ20cm螺纹钢，经验算符合设计的要求。根据国家规范完成了隧道的断面，支护设计，通过计算验算符合国家的强度要求，满足隧道的实际需求。

参考文献：

[1]李潇，严松宏.篮家岩隧道软弱围岩大变形机理分析及综合控制[J].公路交通技术，2015（01）：102-105.

[2]JTG D70-2004， 公路隧道设计规范[S]

[3]曲海锋，杨重存，朱合华，王华牢，杨彦民.公路隧道围岩压力研究与发展[J].地下空间与工程学报，2007，3（03）：536-543.

[4]李书兵.软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究[J].隧道建设（中英文），2018，38（08）：1293-1302.

[5]张顶立，孙振宇，侯艳娟.隧道支护结构体系及其协同作用[J/OL].力学学报：1-14.

作者简介：杨长生（1995-），男，重庆人，硕士研究生在读，研究方向：工程地质。