川藏鐵路瀘定車站特大跨度隧道支護(hù)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

華 陽，陶偉明，吳 林，曹 彧，匡 亮，吳詠雙，王 闖

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

引言

隨著我國鐵路事業(yè)快速發(fā)展，隧道建設(shè)規(guī)模及復(fù)雜程度不斷攀升，為滿足地下車站、救援站等大型地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)置需求，特大跨度隧道(開挖跨度14 m以上)[1]工程逐漸增多。

與一般隧道相比，特大跨度隧道在斷面形式、隧道力學(xué)行為、支護(hù)體系、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工方法等方面有顯著區(qū)別[2]。一方面，就目前工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，由于川藏鐵路隧道工程的隱蔽性，各個工點(diǎn)地層巖性、水文特征、埋深及外部環(huán)境等因素各不相同[3]，其面臨的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)要點(diǎn)也有所差異，故可供借鑒的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)相對匱乏。另一方面，由于我國鐵路隧道相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)僅針對一般單、雙線鐵路隧道設(shè)計(jì)和施工做了相應(yīng)規(guī)定，缺乏指導(dǎo)三線、四線等大跨度鐵路隧道設(shè)計(jì)施工的針對性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，瀘定站特大跨隧道工程設(shè)計(jì)過程中面臨著極大挑戰(zhàn)。

關(guān)于特大跨度隧道支護(hù)體系與施工過程優(yōu)化方案，國內(nèi)外學(xué)者已開展了一系列研究。沈才華[4]針對淺埋卵石土地層大跨公路隧道初期支護(hù)進(jìn)行研究，提出隧道斷面合理初支厚度與埋深的相對關(guān)系；曲海峰[8]以廣州龍頭山四車道大跨隧道為研究對象，通過對比分析分別給出了型鋼鋼架與格柵鋼架的適用條件與應(yīng)用范圍；鄭俊杰等[5]通過有限元軟件對大斷面軟巖隧道錨桿設(shè)置形式進(jìn)行模擬分析，結(jié)合錨桿受力狀態(tài)以及圍巖穩(wěn)定性提出了軟巖地層中大跨隧道合理錨桿布設(shè)方案；張社榮等[6]采用有限元軟件對超大型地下洞室的開挖支護(hù)等施工過程進(jìn)行模擬分析，從控制巖體的變形和塑性區(qū)范圍擴(kuò)張出發(fā)，提出了錨桿長度與布設(shè)密度的合理方案；趙東平等[7]統(tǒng)計(jì)分析了大斷面黃土隧道初期支護(hù)變形量，并進(jìn)一步研究了大斷面黃土隧道變形規(guī)律，給出了不同圍巖條件下大斷面黃土隧道預(yù)留變形量建議取值；李健等[8]依托鄭西線大跨黃土隧道工點(diǎn)，通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值分析相結(jié)合的手段，對大跨隧道施工工法提出了優(yōu)化改進(jìn)方案；王志杰[9]依托成昆復(fù)線大斷面隧道，通過數(shù)值模擬對比分析不同圍巖含水率下隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性和變形規(guī)律，并提出了圍巖含水率閾值下的隧道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案；雷震宇[10]等采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，分析了不同拆撐順序下初期支護(hù)內(nèi)力的變化，對不同的拆撐長度方案進(jìn)行了對比并給出了合理拆撐建議方案。朱永澤[11]依托成蘭鐵路柿子園隧道，分別對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)墻導(dǎo)坑法的開挖工序、何時拆除臨時支撐以及不同掌子面的距離等進(jìn)行了研究，分析了兩種方法的變形規(guī)律及受力特點(diǎn)。

綜上所述，針對各類特大跨度隧道工程支護(hù)體系，國內(nèi)學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等手段已研究總結(jié)出豐富成果。但上述研究內(nèi)容大多局限于噴射混凝土、錨桿、鋼架等某項(xiàng)單一內(nèi)容，未能對特大跨度隧道支護(hù)體系設(shè)計(jì)方法給出系統(tǒng)歸納和建議，難以滿足川藏鐵路沿線特大跨度隧道密集分布的實(shí)際建設(shè)需要。

依托新建川藏鐵路雅安至林芝段瀘定車站特大跨度隧道洞型特點(diǎn)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，并考慮隧道埋深、圍巖條件、施工工法等因素，對隧道支護(hù)體系及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，進(jìn)一步探討特大跨度隧道在結(jié)構(gòu)安全前提下的合理支護(hù)形式，提出安全經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)參數(shù)方案，克服原設(shè)計(jì)方案偏于保守的弊端，降低工程造價，形成可供川藏鐵路及以后類似特大跨度隧道借鑒的技術(shù)成果。

1 依托工程概況

川藏鐵路瀘定車站位于瀘定縣寶靈山隧道進(jìn)口段，隧道進(jìn)口位于瀘定縣白日壩，緊接大渡河特大橋，進(jìn)口高程約1 687 m；出口位于康定縣爐城鎮(zhèn)升航村，緊鄰升航大橋，出口高程約2 367 m，為川藏線雅(安)新(都橋)段第一長隧，全長26.5 km，屬Ⅰ級高風(fēng)險隧道。

車站隧道最大開挖跨度達(dá)25 m，斷面開挖面積超過320 m2，洞室規(guī)模國內(nèi)罕見，加之地處高原山區(qū)，環(huán)境條件艱險惡劣[12-13]，因此，該工程亦是新建川藏線雅安至新都橋段重點(diǎn)控制性工程。

瀘定車站平面布置參考京張高鐵八達(dá)嶺站和貴陽龍洞堡地下車站的布置形式，采用“上行到發(fā)線與上行側(cè)式站臺洞室+下行到發(fā)線與下行側(cè)式站臺洞室+正線(雙線)洞室”的三洞布置形式。車站平面布置示意如圖1所示。車站布置于隧道進(jìn)口向內(nèi)延伸約1 350 m長范圍，其中，小里程端以左右兩側(cè)到發(fā)線隧道及1個正線隧道形式通過，其余段為岔區(qū)隧道，分別由大跨多線隧道、雙線隧道和到發(fā)線單線隧道組成。

圖1 瀘定車站平面布置示意

隧道內(nèi)設(shè)置車站段主要穿越英云閃長巖、角閃巖等硬質(zhì)巖，圍巖條件較好。隧道進(jìn)口區(qū)屬于瀘定韌性剪切帶范圍，受影響范圍較小，巖石碎裂巖化明顯，節(jié)理較為發(fā)育，但整體完整。出口區(qū)內(nèi)以變質(zhì)巖及巖漿巖類為主，一般含水微弱，富水性較差，但分布廣泛。

特大跨度隧道襯砌斷面主要設(shè)置于三線、四線隧道段落，包含2種跨度形式，典型斷面如圖2所示。其中，A-A斷面內(nèi)凈空跨度b=18 m，開挖高度H=14.5 m，開挖跨度B=20.1 m，開挖面積約230 m2，分布于隧道三線大跨地段；四線斷面(B-B、C-C、D-D、E-E斷面)內(nèi)凈空跨度b=23 m，開挖高度H=16.2 m，開挖跨度B=25 m，開挖面積320 m2，分布于車站三線轉(zhuǎn)四線大跨地段，是新建川藏鐵路沿線開挖跨度最大的隧道洞室之一。

圖2 寶靈山特大跨度隧道斷面示意(單位：m)

2 特大跨度隧道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析路徑

設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，明確了通過工程類比、歸納分析和數(shù)值模擬驗(yàn)證相結(jié)合的手段，對瀘定站特大跨度隧道支護(hù)體系及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，技術(shù)路徑如圖3所示。

從圖3可知，分析步驟為先根據(jù)既有工程案例進(jìn)行歸類總結(jié)，分析提煉出具有借鑒意義的支護(hù)體系方案；再結(jié)合川藏瀘定站工程地質(zhì)特征、圍巖條件、埋深等因素，分別給出初期支護(hù)與二次襯砌的原始支護(hù)參數(shù)；然后，通過有限元軟件針對初支受力變形情況開展數(shù)值分析，優(yōu)化并驗(yàn)證參數(shù)合理性；最后，基于已明確的初支參數(shù)體系對二襯參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過對比既有參數(shù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果，最終確定經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)體系。

圖3 特大跨度隧道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)路線

3 大跨隧道支護(hù)參數(shù)工程類比分析

3.1 國內(nèi)特大跨度鐵路隧道工程案實(shí)踐

由于特大跨度隧道設(shè)計(jì)施工受地層巖性、水文特征、隧道埋深等因素綜合影響，不同條件下特大跨度隧道設(shè)計(jì)施工措施不盡相同。通過廣泛調(diào)研京張鐵路、成蘭鐵路、貴陽樞紐、六沾鐵路等重大干線工程，重點(diǎn)選取了其中具有借鑒意義的特大跨度隧道工點(diǎn)，對其支護(hù)體系及參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以Ⅳ級圍巖為例，如表1所示。

表1 國內(nèi)部分特大跨度鐵路隧道支護(hù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)(Ⅳ級圍巖)

以上工點(diǎn)均位于隧道埋深段，可采用相同荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有一定的可比性。根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，隨著建設(shè)年代更迭，特大跨度隧道支護(hù)體系愈發(fā)重視噴混凝土和錨桿形成的主動支護(hù)作用，二次襯砌的被動承載能力出現(xiàn)了一定程度弱化：如最初烏蒙山隧道僅采用3.5 m長錨桿，而八達(dá)嶺隧道已發(fā)展為“長錨索+中錨桿+短錨桿”的立體支護(hù)體系；同時，圍巖較好情況下，二襯厚度(尤其是拱墻部位)也有一定削弱，在保證結(jié)構(gòu)安全的同時考慮了經(jīng)濟(jì)性。

3.2 支護(hù)體系類比優(yōu)化

基于特大跨度隧道工程案例設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時結(jié)合川藏寶靈山隧道工程地質(zhì)條件，從工程類比角度按“原始參數(shù)”和“優(yōu)化參數(shù)”兩種情況，經(jīng)過對比分析擬定了川藏鐵路寶靈山特大跨度隧道支護(hù)參數(shù)，如表2所示。在前期設(shè)計(jì)過程中，考慮到川藏鐵路環(huán)境地質(zhì)條件極其復(fù)雜，寶靈山隧道工程作為Ⅰ級風(fēng)險管理隧道，是全線風(fēng)險管控的重點(diǎn)項(xiàng)目，因此，出于增大結(jié)構(gòu)安全余量的角度，表2中擬定原始參數(shù)原則為基本包絡(luò)既有工程的設(shè)計(jì)參數(shù)并形成梯度自洽關(guān)系。

表2 瀘定車站大跨隧道支護(hù)參數(shù)

隨著設(shè)計(jì)工作加深，主要從3個方面對原始參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化：一是強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)作為承載結(jié)構(gòu)的不可替代作用，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行一定加強(qiáng)；二是借鑒京張八達(dá)嶺等大跨隧道先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，經(jīng)驗(yàn)引入長短結(jié)合的錨桿支護(hù)體系；三是在保證結(jié)構(gòu)安全基礎(chǔ)上削減二次襯砌厚度，降低工程投資。

4 特大跨度隧道數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的科學(xué)合理性，采用ANSYS有限元軟件對寶靈山特大跨度隧道支護(hù)參數(shù)開展數(shù)值模擬分析。結(jié)合表2擬定的支護(hù)參數(shù)，根據(jù)圍巖條件及隧道開挖跨度進(jìn)行工況組合計(jì)算，針對優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)位移、受力等指標(biāo)進(jìn)行討論。

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

目前，常用的隧道結(jié)構(gòu)受力計(jì)算方法主要有荷載-結(jié)構(gòu)模型和地層-結(jié)構(gòu)模型，對于深埋隧道，地層結(jié)構(gòu)模型建模較復(fù)雜，且荷載-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果更為精確保守，因此，最終選擇荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建模分析。

根據(jù)已有研究成果，噴錨支護(hù)體系可通過組合拱模型進(jìn)行計(jì)算分析[14-15]：即認(rèn)為初期支護(hù)、系統(tǒng)錨桿與錨桿夾持的圍巖三者整體形成厚度為h的均勻壓縮帶，壓縮帶與噴層一起以“組合拱”方式發(fā)揮承載作用。采用徑向無拉彈簧模擬圍巖與“組合拱”的相互作用。內(nèi)力計(jì)算時，“組合拱”內(nèi)圍巖及噴層內(nèi)所設(shè)置的鋼架均按等高度、等剛度原則等效為噴射混凝土。

隧道襯砌采用梁單元(Beam3)進(jìn)行模擬，圍巖與襯砌之間采用彈簧(Link10)單元進(jìn)行模擬，且認(rèn)為無錨桿區(qū)域彈簧不抗拉，有錨桿作用區(qū)域彈簧抗拉，圍巖節(jié)點(diǎn)設(shè)置固端約束。隧道計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 特大跨度隧道荷載-結(jié)構(gòu)模型

為較好地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圍巖及材料物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行取值，如表3所示。

表3 各級圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，隧道二次襯砌混凝土材料參數(shù)如表4所示。

表4 襯砌材料原始參數(shù)

4.2 初期支護(hù)內(nèi)力分析

根據(jù)寶靈山特大跨度隧道工程地質(zhì)特征及設(shè)計(jì)情況，以Ⅳ級圍巖為例，跨度分別為20 m及25 m工況下，優(yōu)化前后初期支護(hù)內(nèi)力進(jìn)行對比分析，優(yōu)化前后內(nèi)力圖如圖5～圖7所示。

圖5 優(yōu)化前內(nèi)力圖(B=20 m)

圖6 優(yōu)化后內(nèi)力圖(B=20 m)

圖7 優(yōu)化前內(nèi)力圖(B=25 m)

圖8 優(yōu)化后內(nèi)力圖(B=25 m)

通過計(jì)分析可知，支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化對初期支護(hù)軸力產(chǎn)生顯著影響，主要表現(xiàn)在：優(yōu)化后初支軸力有所減小，Ⅳ級圍巖條件下，20 m大跨隧道軸力由921.43 kN降至842.99 kN，下降約8.5%，25 m大跨隧道軸力由1.46×103kN降至1.37×103kN，下降約6.2%；同時，優(yōu)化后初支彎矩顯著增大，Ⅳ級圍巖條件下，20 m大跨隧道彎矩由681.31 kN·m增至1.41×103kN·m，增大1倍，25 m大跨隧道彎矩由1.26×103kN·m增至2.24×103kN·m，增大約77%，但均在材料承載能力范圍。具體變化情況如表5所示。

表5 初支優(yōu)化前后內(nèi)力變化

4.3 初支位移分析

4.3.1 不同圍巖條件下拱頂收斂分析

為進(jìn)一步分析特大跨度隧道初支收斂特征，以拱頂和邊墻作為典型部位進(jìn)行初支變形監(jiān)測，Ⅲ～Ⅴ級圍巖條件下大跨隧道拱頂沉降情況如圖9、圖10所示。

圖9 隧道拱頂位移(B=20 m)

圖10 隧道拱頂位移(B=25 m)

由圖9、圖10可知，不同跨度隧道拱頂下沉值均隨著圍巖條件劣化而變大，且沉降值隨跨度增大而增加，計(jì)算結(jié)果符合斷面效應(yīng)的一般規(guī)律。此外，初支參數(shù)優(yōu)化后拱頂沉降值顯著減小：當(dāng)隧道跨度為20 m時，Ⅲ～Ⅴ級圍巖條件下拱頂沉降分別從4.8，14.5，30.2 mm降至3.1，9.6，21.7 mm，降幅分別為36%、34%、28%左右；當(dāng)隧道跨度為25 m時，Ⅲ、Ⅳ級圍巖條件下拱頂沉降分別從7.7，21.8 mm降至4.9，15.2 mm，降幅約為34%、30%左右。

4.3.2 不同圍巖條件下邊墻收斂分析

Ⅲ～Ⅴ級圍巖條件下大跨隧道邊墻收斂情況如圖11、圖12所示。

圖11 隧道邊墻收斂(B=20 m)

圖12 隧道邊墻收斂(B=25 m)

由圖11、圖12可知，不同跨度隧道邊墻收斂值均隨著圍巖條件劣化而變大，收斂值隨跨度增大而增加。此外，初支參數(shù)優(yōu)化后邊墻收斂值也發(fā)生變化：當(dāng)隧道跨度為20 m時，Ⅲ～Ⅴ級圍巖條件邊墻收斂值分別從1.1，2.9，4.8 mm降至0.6，1.7，2.9 mm，降幅分別為43%、42%、40%左右；當(dāng)隧道跨度達(dá)到25 m時，Ⅲ、Ⅳ級圍巖條件下拱頂沉降分別從1.7，4.4 mm降至1.0，2.8 mm，降幅約為42%、37%左右。

4.4 二次襯砌安全系數(shù)分析

根據(jù)上節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，初期支護(hù)優(yōu)化后其與圍巖組合形成的殼體結(jié)構(gòu)剛度得到了一定強(qiáng)化，結(jié)構(gòu)受力變化的同時收斂變形得以顯著改善。進(jìn)一步地，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，Ⅳ～Ⅵ級圍巖二襯可按承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其分擔(dān)圍巖荷載比例按50%～70%考慮。因此，在考慮到初期支護(hù)得以強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)中適當(dāng)優(yōu)化二次襯砌參數(shù)，故有必要對二襯結(jié)構(gòu)安全開展進(jìn)一步分析。二襯厚度優(yōu)化前后襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)變化情況如圖13、圖14所示。

圖13 優(yōu)化前后隧道安全系數(shù)變化(B=20 m)

圖14 優(yōu)化前后隧道安全系數(shù)變化(B=25 m)

由圖13、圖14可知，優(yōu)化前后二襯安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求且有一定的富余，但不同跨度下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)具體變化情況有所差異。20 m跨度條件下，不同跨度隧道襯砌安全系數(shù)均隨著圍巖條件優(yōu)化而變大，當(dāng)隧道Ⅲ級圍巖條件下，襯砌安全系數(shù)由3.21升高至3.66，增幅為14%；Ⅳ級圍巖時，襯砌安全系數(shù)由2.89升高至3.24，增幅為12%；Ⅴ級圍巖時，襯砌安全系數(shù)由2.45升高至2.67，增幅為9%。25 m跨度條件下，當(dāng)隧道Ⅲ級圍巖條件下，襯砌安全系數(shù)由3.41升高至3.08，增幅為11%；Ⅳ級圍巖時，襯砌安全系數(shù)由2.63升高至2.46，增幅為7%。

5 結(jié)論

通過案例調(diào)研和類比分析的方法，對國內(nèi)京張高鐵八達(dá)嶺隧道、成蘭鐵路柿子園隧道、貴陽樞紐龍洞堡隧道、六沾鐵路烏蒙山隧道等代表性特大跨度隧道工程項(xiàng)目進(jìn)行分析，總結(jié)歸納了特大跨度隧道工程建造經(jīng)驗(yàn)，提出特大跨度隧道支護(hù)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)路徑，明確了寶靈山車站隧道具體設(shè)計(jì)參數(shù)，研究結(jié)論如下。

(1)寶靈山隧道原始設(shè)計(jì)參數(shù)初支偏弱，二襯偏強(qiáng)，通過有限元計(jì)算分析可知原設(shè)計(jì)二襯具有較高安全儲備。故結(jié)合工程地質(zhì)條件，進(jìn)行兩方面優(yōu)化：一是針對初期支護(hù)，采用長短錨桿組合的噴錨體系對原參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；二是在滿足結(jié)構(gòu)安全要求的前提下削弱二襯厚度，在提高了圍巖自承能力的同時改善結(jié)構(gòu)受力。

(2)對于初期支護(hù)，優(yōu)化后其所受軸力有所減小，下降幅度在10%以內(nèi)；但其彎矩增大，但均在材料承載能力范圍。同時，優(yōu)化后初支拱頂及邊墻部位收斂值呈現(xiàn)顯著減小，拱頂收斂幅度在30%左右，而邊墻約為40%。

(3)二次襯砌厚度在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上削減約5 cm，由于初支優(yōu)化后圍巖自承能力大幅提升，優(yōu)化后的二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不降反增，增幅約為10%，結(jié)構(gòu)安全余量有所增加。