数值计算下公路与铁路隧道支护参数对比分析★

李俊锋，张 卓，何嵘国

（1．云南省交通运输厅工程质量监督局，云南 昆明 650214； 2．中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731）

随着我国隧道工程修建技术的飞速发展，不同围岩级别、不同断面形状条件下更为合理、经济的支护参数与变形控制成为当前隧道工程精益求精的追求目标，也是精细化设计施工的体现。根据类比法对比铁路、公路、城市地铁等交通行业的不同支护参数及其效果［1－8］，进而吸收再创新是工程中一种便捷的方式。本文依托玉楚高速公路与蒙华铁路，在经验认识的基础上，通过监测数据、支护参数对比分析，并通过数值计算验证，分析两者在支护参数上的差异性，为相互借鉴确定更为合理的支护参数提供参考。

1 变形数据对比分析

统计分析玉楚高速公路与蒙华铁路双线隧道在Ⅳ级、Ⅴ级围岩下的拱顶沉降值，其中玉楚高速浅埋样本量213 组，深埋209 组，蒙华铁路浅埋样本量441 组，深埋372 组，其结果分别如下：

1） Ⅳ级围岩。玉楚高速浅埋地段拱顶下沉最大值为203．8 mm，集中分布在155 mm 以内，占比95．00%。深埋地段拱顶下沉最大值为248． 3 mm，集中分布在235 mm 以内，占比94．78%。蒙华铁路浅埋地段拱顶下沉最大值为49． 6 mm，集中分布在25 mm 以内，占比95．88%。深埋地段拱顶下沉最大值为75．3 mm，集中分布在55 mm 以内，占比94．65%。2） Ⅴ级围岩。玉楚高速浅埋地段拱顶下沉最大值为295．3 mm，集中分布在250 mm 以内，占比95．38%。深埋地段拱顶下沉最大值为325．0 mm，集中分布在290 mm 以内，占比96．00%。蒙华铁路浅埋地段拱顶下沉最大值为231．6 mm，集中分布在50 mm 以内，占比95．92%。深埋地段拱顶下沉最大值为69．8 mm，集中分布在30 mm 以内，占比94．81%。总体而言，相同围岩级别下玉楚高速公路隧道变形值均大于蒙华铁路，除部分地段围岩岩性差异外，可能与断面形状、支护参数等有关，需进一步探讨。

2 支护参数对比分析

参考设计资料，蒙华铁路隧道衬砌断面分为Ⅳa（深埋） 、Ⅳb（浅埋） 、Va（深埋） 、Vb（浅埋） 、Vc（加强） ； 玉楚高速公路隧道衬砌断面分为SF4a（浅埋） 、SF4b（深埋） 、SF4c（深埋） 、SF5a（浅埋） 、SF5b（深埋） 、SF5c（加强） 。各衬砌类型设计参数如表1 所示。

表1 支护主要设计参数表

由表1 可知，玉楚高速在相同围岩级别下，无论深埋或浅埋条件，初期支护喷混凝土厚度、锚杆长度、拱架型号均小于蒙华铁路，而在二次衬砌厚度和预留变形量上大于蒙华铁路，体现了公路隧道弱初支，强二衬，预留变形量大的特点。21．11 mm） ，深埋工况规律与浅埋相同。主要原因为： 相同条件下玉楚高速公路隧道的横断面面积更大，而其衬砌刚度相比于蒙华铁路更弱。

3 数值模拟对比分析

3．1 计算参数

根据设计资料及规范，取围岩和初期支护结构材料物理力学参数如表2，表3 所示。

表2 围岩力学参数取值表

表3 支护力学参数取值表

3．2 计算模型

计算模型水平方向取90 m，针对不同的工况，隧道埋深不同，因此模型的竖向高度不同，深埋取50 m（计算模型竖向为90 m） ，浅埋取10 m（计算模型竖向为50 m） ，初始应力仅考虑自重应力场的影响。利用FLAC3D 软件对计算模型边界条件作如下选定： 模型上方地表为自由边界，模型底部施加X，Y，Z方向的固定约束，左右边界施加X方向的水平约束，前后边界施加Y方向的约束，围岩采用摩尔库仑本构模型，衬砌采用弹性模型，并均按台阶法施工进行模拟。

深埋计算模型如图1 所示。

图1 深埋计算模型

2） Ⅴ级围岩计算结果。

Ⅴ级围岩对应玉楚高速公路SF5a，SF5b，SF5c 型衬砌以及蒙华铁路Va 型，Vb，Vc 型衬砌。施工完毕后竖向、水平位移计算结果如表5 所示，典型断面竖向位移云图如图3 所示。

图3 Ⅴ级围岩典型断面竖向位移云图

表5 Ⅴ级围岩衬砌位移计算结果

3．3 计算结果

1） Ⅳ级围岩计算结果。

Ⅳ级围岩对应玉楚高速公路SF4a，SF4b，SF4c 型衬砌以及蒙华铁路Ⅳa 型、Ⅳb 型衬砌。施工完毕后竖向、水平位移计算结果如表4 所示。

表4 Ⅳ级围岩衬砌位移计算结果

典型断面竖向位移云图如图2 所示。

图2 Ⅳ级围岩典型断面竖向位移云图

由上，浅埋工况，玉楚高速公路SF4a 型衬砌施工完成后，竖向位移为31．03 mm，水平收敛为25．28 mm，比蒙华铁路Ⅳb 型衬砌隧道位移更大（竖向18．08 mm，水平

由上，就支护刚度比较而言，玉楚高速公路SF5c 型衬砌隧道要大于SF5a 型衬砌隧道，而蒙华铁路Vb 型衬砌隧道要大于Vc 型衬砌隧道。浅埋，就位移量值比较而言，SF5c ＞SF5a ＞Vc ＞Vb。深埋，玉楚高速公路SF5b 型衬砌隧道要大于蒙华铁路Va 型衬砌隧道。主要原因为：相同条件下玉楚高速公路隧道的横断面面积更大，而其衬砌刚度相比于蒙华铁路更弱。

综上所述，由于玉楚高速公路隧道的横断面面积更大，而其支护刚度相比于蒙华铁路更弱，故在Ⅳ级、Ⅴ级围岩下，施工完毕后，其拱顶下沉和水平收敛值较蒙华铁路更大，与监测数据统计规律一致。

4 结论

1） 相同围岩级别下玉楚高速公路隧道变形值均大于蒙华铁路，除部分地段围岩岩性差异外，可能与断面形状、支护参数等有关。

2） 设计参数对比分析可知，玉楚高速公路初期支护喷混凝土厚度、锚杆长度、拱架型号均小于蒙华铁路，而在二次衬砌厚度和预留变形量上大于蒙华铁路，体现了公路隧道弱初支，强二衬，预留变形量大的特点。

3） 由于玉楚高速公路隧道的横断面面积更大，而其支护刚度相比于蒙华铁路更弱，故计算变形值较蒙华铁路更大，与监测数据统计规律一致。