史可文

摘 要：高地應(yīng)力軟巖大變形隧道施工極易發(fā)生圍巖坍塌、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象，鋼支撐能夠有效提高支護(hù)結(jié)構(gòu)安全度。以貴廣鐵路胡山隧道為背景，建立三維有限元數(shù)值模型，研究施工過程中鋼支撐彎矩、軸力，以及安全系數(shù)。研究表明：V級圍巖隧道拱頂所承受的彎矩大小約為23.3 6kN·m，I14鋼支撐剛好滿足抗彎要求。VI級圍巖隧道拱頂所承受的彎矩大小約為56.6kN·m，采用I18鋼支撐或者雙層I14型鋼支撐才能保證隧道圍巖穩(wěn)定性。研究成果將為對今后高地應(yīng)力軟巖大變形隧道鋼支撐安全設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：隧道 高地應(yīng)力 鋼支撐 安全度 參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：U459.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）009-005-02

近年來，隨著科技實(shí)力的不斷提升，鐵路交通建設(shè)得到迅猛發(fā)展。山嶺隧道在穿越地層的過程中，極易遇到軟巖大變形等不良地質(zhì)段。

1 引言

近年來，隨著科技實(shí)力的不斷提升和鐵路交通的迅猛建設(shè)，新建鐵路隧道正越來越傾向于利用長大隧道作為穿山越嶺的結(jié)構(gòu)形式。截止2011年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到9.3萬公里，比上年增加2071.1公里、增長2.3%，里程長度居世界第2位。為了縮小各個(gè)主要城市間的時(shí)空差距，實(shí)現(xiàn)社會資源的合理配置，眾多高速鐵路、高速公路、客運(yùn)專線等直接通過山區(qū)，大都以特長隧道的形式穿越。隧道在山嶺地區(qū)可以克服高程或者地形的障礙，具有縮短行車?yán)锍?、環(huán)境污染少、節(jié)約土地和減少人為地質(zhì)災(zāi)害等。

其中，隨著西部交通的迅猛建設(shè)，穿越軟巖大變形隧道工程越來越多，極易發(fā)生具有極強(qiáng)破壞力的隧道塌方，鑒于我國對高地應(yīng)力軟巖大變形特征缺乏經(jīng)驗(yàn)，為保證隧道施工安全及運(yùn)營安全，亟待需要解決此類問題，因此開展鋼支撐合理參數(shù)進(jìn)行研究顯得非常必要，研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可為我國穿越高地應(yīng)力軟巖大變形山嶺隧道的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

2 工程背景

貴廣客運(yùn)專線胡山隧道位于桂林市靈川縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)行車速度200km/h，預(yù)留250km/h條件設(shè)計(jì)。隧道全長4113m，洞身最大埋深390m。通過對胡山隧道初始風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，隧道8.75%段落突水（泥）初始風(fēng)險(xiǎn)等級判定為“極高”，12.72%段落塌方初始風(fēng)險(xiǎn)等級判定為“高度”，其余均為中度與低度，綜合考慮各風(fēng)險(xiǎn)因素，胡山隧道初始風(fēng)險(xiǎn)等級為“中度”。

3 計(jì)算參數(shù)

選取兩側(cè)邊界至隧道中心線距離為50 m，底部邊界至隧道軌頂距離為30m，上部與隧道頂面距離取80 m。左、右、下部邊界為位移邊界，上邊界為自由表面，圍巖參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 V級圍巖隧道鋼支撐

選取I14型鋼支撐，間距為0.6 m，取支護(hù)結(jié)構(gòu)的縱向單位長度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)混凝土規(guī)范 =y，用《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C查的I14型鋼抗彎截面距為Wx=102cm3，鋼筋容許應(yīng)力[ ]=160MPa，檢算結(jié)果如下：

M=I譡 ]/0.6=Wx？60/0.6=102？60/0.6=27.2kN·m

即I14鋼支撐最大容許彎矩為27.2kN·m。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，初期支護(hù)彎矩計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，拱部彎矩明顯較大，取鋼支撐拱頂位置作為研究對象，初期支護(hù)最終受力趨向平衡時(shí)，拱頂所承受的彎矩大小約為23.3 kN·m，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C，I14鋼支撐剛好滿足抗彎要求（27.2kN·m）可選取I14型鋼支撐較為合理，即可滿足抗彎要求。

4.2 VI級圍巖隧道鋼支撐

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，初期支護(hù)彎矩計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，拱部彎矩明顯較大，取鋼支撐拱頂位置作為研究對象，初期支護(hù)最終受力趨向平衡時(shí)，拱頂所承受的彎矩大小約為56.6 kN·m。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，選取I18型鋼支撐，間距為0.6 m。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C I18型鋼抗彎截面距為Wx=185cm3，鋼筋容許應(yīng)力[ ]=160MPa，檢算結(jié)果如下：

M=I譡 ]/0.6=Wx？60/0.6=185？60/0.6=49.3 kN·m

即I18鋼支撐最大容許彎矩為49.3kN·m。

由于圍巖荷載不僅只有鋼支撐承擔(dān)，還有噴砼和錨桿共同作用，拱頂所承受的彎矩大小約為56.6 kN·m，故VI級圍巖必須采取I18鋼支撐才能滿足抗彎要求。

采用雙層I14型鋼支撐，間距為0.6 m時(shí)，其抗彎容許彎矩檢算結(jié)果如下：

M=2譏譡 ]/0.6=2譝x？60/0.6=2？02？60/0.6=54.4 kN·m

即I14鋼支撐最大容許彎矩為54.4 kN·m，因此采用雙層I14型鋼支撐更能滿足要求。

5 結(jié)論

對貴廣客運(yùn)專線胡山隧道進(jìn)行大變形數(shù)值模擬，得到結(jié)論如下：

（1）胡山隧道V級圍巖隧道拱頂所承受的彎矩大小約為23.3 6kN·m，I14鋼支撐間距為0.6 m，剛好滿足抗彎要求（27.26 kN·m），因此可選取I14型鋼支撐較為合理。

（2）VI級圍巖隧道拱頂所承受的彎矩大小約為56.6kN·m，I18鋼支撐（間距為0.6 m）最大容許彎矩為49.3kN·m，由于圍巖荷載不僅只有鋼支撐承擔(dān)，還有噴砼和錨桿共同作用，故I18鋼支撐滿足抗彎要求。

（3）通過檢算雙層I14型鋼支撐（間距為0.6 m）最大容許彎矩為54.4 kN·m，亦能滿足要求。因此，對于VI級圍巖隧道建議采用I18鋼支撐或者雙層I14型鋼支撐才能保證隧道圍巖穩(wěn)定性。

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