蒙華鐵路三荊段深埋軟弱圍巖隧道荷載研究

管鴻浩, 蘇 輝, 楊世武, 胡 憶, 莫陽春

(1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063； 2. 蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073)

蒙華鐵路三荊段深埋軟弱圍巖隧道荷載研究

管鴻浩1, 蘇 輝2, 楊世武2, 胡 憶1, 莫陽春1

(1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063； 2. 蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073)

《鐵路隧道設計規范》中的深埋圍巖壓力公式沒有考慮隧道拱部圍巖本身的承載作用以及超前預支護作用，荷載計算結果偏大。為驗證深埋隧道初期支護結構實際承受的圍巖壓力荷載，以蒙華鐵路三門峽至荊門段現場監測數據為依托，通過分析圍巖變形監測資料，探討蒙華鐵路隧道圍巖及結構在隧道開挖過程中的變形行為，并采用拱頂沉降與水平收斂相結合的位移反分析法，建立荷載-結構法平面有限元模型，反演推導圍巖壓力荷載。分析結果表明: 雙線隧道反分析得出的圍巖荷載為同級別按規范計算值的70.7%～76.5%；單線隧道反分析得出的圍巖荷載為同級別按規范計算值的88.8%～93.1%。研究成果對蒙華鐵路隧道現場施工和優化支護結構設計起到了很好的指導作用，希望能對以后類似隧道工程的設計和施工提供參考。

蒙華鐵路； 深埋隧道； 軟弱圍巖； 圍巖壓力； 位移反分析； 隧道荷載

0 引言

隧道荷載的確定是隧道結構計算的基礎條件，《鐵路隧道設計規范》明確計算深埋隧道襯砌時，圍巖壓力按松散壓力考慮，并依據深埋隧道襯砌計算圍巖壓力公式進行計算。根據《鐵路隧道設計規范》頒布的時間順序，文章對各版本規范分別以1996版[1]、2001版[2]、2005版[3]、2016版[4]代替。

文獻[1-3]規定： 隨著統計樣本數量的增加，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖坍方高度有所降低。現行2016版規范[4]： 除Ⅵ級圍巖計算值大于統計值外，其余各級圍巖計算值均小于統計值，且差異較大，其比值從Ⅱ級圍巖的56.60%到Ⅳ級圍巖的90.45%，在各個區段均有分布。綜合1996版、2001版、 2005版、 2016版規范，目前的深埋隧道軟弱圍巖壓力荷載的確定還存在以下幾個方面的不足：

1)規范采集的塌方樣本均為2001年以前工程實例，當時施工機械化水平低，多以人工為主，支護結構以整體式襯砌為主，在穩定圍巖、充分發揮圍巖自承能力方面相對不足，導致圍巖松弛，圍巖壓力相對較大。

2)統計樣本均為塌方樣本，首先，缺乏穩定支護后的圍巖壓力實測值，其次，統計樣本與計算標準值之間存在大小不一的差值，對此大小不一的差值，并無系統性分析。

3)當前礦山法施工的隧道支護基本上均采用復合式襯砌，隧道設計計算大多按初期支護承受絕大部分圍巖壓力，二次襯砌承受小部分圍巖壓力或者僅作安全儲備來考慮。實際施工時，絕大多數初期支護都能很好地穩定圍巖，除特殊不良地質地段外，初期支護均能適應和承受圍巖壓力。

4)1996版規范在回歸公式①(該規范編號3.2.1式)的適用條件上說明：“當采用盾構法或用掘進機施工時，圍巖壓力應較(3.2.1)式回歸公式①式計算值適當減少”；“噴錨支護與模筑混凝土襯砌不同，荷載性質有很大差異。后者是以松弛壓力為主的，前者則是支護結構與圍巖體系的相互作用壓力。其分布較均勻，壓力值則受到深埋、坍跨及支護結構性質的影響，所以設計噴錨支護結構時，不宜采用該式。”據此可以理解為回歸公式①的計算值是在無支護或不能及時支護的情況下發生的最大圍巖壓力，雖然計算值較統計值有一定的修正(大小差異)，但卻缺乏理論上的計算依據和實際上的測試數據支撐。文獻[5-6]指出隧道結構的荷載理論上是在無支護條件下開挖后再分配的應力與圍巖強度的關系，在有支護的條件下則是支護與圍巖相互作用的結果，因此有必要進行進一步研究。

綜上所述，本文結合蒙華鐵路三荊段隧道建設工程實例，根據深埋Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道初期支護實測位移進行反分析計算初期支護所承受的圍巖壓力。

1 蒙華鐵路三荊段隧道概況

蒙華鐵路三荊段自北向南穿經靈三盆地、秦嶺山脈、南襄盆地和宜城丘陵區等地貌單元，跨越黃河、長江2大水系。沿線地層種類齊全，從太古界到新生代均有出露，巖漿巖、沉積巖和變質巖3大巖類齊全。線路自北向南縱穿中朝準地臺、秦嶺褶皺系和揚子準地臺等構造單元，沿線褶皺、斷層構造方向多為東西向，其中華北地臺、秦嶺褶皺系古老巖層褶皺強烈、斷層密集且規模大，破碎帶寬數十m至數百m，工程建設條件非常復雜。

區段內隧道主要集中分布在河南省境內靈寶東至西峽東段，且以特長、長隧道為主。共有隧道74座，隧道長度128.38 km，占線路全長的27.64%。其中Ⅳ、Ⅴ級圍巖約占34.86%。

蒙華鐵路隧道建設貫徹“盡量減少對圍巖的擾動，充分發揮圍巖自承能力”的理念，采取“快挖、快支、快封閉”的施工方法，確保初期支護結構及早受力，盡快封閉成環。在工法上無論單雙線均采用臺階法，軟弱圍巖設置臨時仰拱或橫撐；隧道支護強調初期支護穩定圍巖的作用，設置鋼架地段，鋼架全部采用格柵鋼架，初期支護鋼架緊跟掌子面并封閉成環。超前支護除局部地段采用φ89或φ108長管棚外，其余均采用小導管。單線無砟隧道、雙線無砟隧道和雙線有砟隧道初期支護參數見表1—表3。對應的典型斷面見圖1—圖3。

表1單線無砟隧道初期支護參數表

Table 1 Primary support parameters for single-line ballastless tunnels

襯砌類型C25噴混凝土部位厚度/cm鋼架部位型號、間距Ⅳb拱墻18拱墻H130@1.2mⅤa全環22全環H150@1mⅤb全環23全環H150@0.75m

表2雙線無砟隧道初期支護參數表

Table 2 Primary support parameters for double-line ballastless tunnels

襯砌類型C25噴混凝土部位厚度/cm鋼架部位型號、間距Ⅳa拱墻20拱墻H130@1mⅣb拱墻22拱墻H150@1mⅤa全環23全環H150@0.75mⅤb全環25全環H180@0.75mⅤc全環30全環H230@0.6m

表3雙線有砟隧道初期支護參數表

Table 3 Primary support parameters for double-line ballast tunnels

襯砌類型C25噴混凝土部位厚度/cm鋼架部位型號、間距Ⅳa拱墻22拱墻H150@1.2mⅣb拱墻23拱墻H150@0.75mⅤa全環25全環H180@0.75mⅤb全環27全環H180@0.6mⅤc全環30全環H230@0.5m

圖1 單線無砟Va型支護斷面圖(單位： cm)

Fig. 1 Cross-section of Vatype support for single-line ballastless tunnel(unit： cm)

圖2 雙線無砟隧道Va型支護斷面圖(單位： cm)

Fig. 2 Cross-section of Vatype support for double-line ballastless tunnel(unit： cm)

圖3 雙線有砟隧道Va型支護斷面圖(單位： cm)

Fig. 3 Cross-section of Vatype support for double-line ballast tunnel(unit： cm)

2 初期支護變形監測情況統計分析

根據Ⅳ、Ⅴ級圍巖監控量測情況，監測變形不收斂時多采取徑向注漿加固圍巖、增設注漿錨管和增設套拱鋼架等方法，二次襯砌施工要求監測顯示圍巖穩定后施作。綜合三門峽至荊門段已施工的非黃土隧道共66座2 311個量測斷面，按Ⅳ、Ⅴ級圍巖單洞單線、雙線無砟和雙線有砟3種襯砌斷面類型進行統計，統計的項目為拱頂沉降值和水平收斂值，依據現場實測數據形成柱狀圖[7-8]。

1)單線隧道Ⅳb型、Ⅴa型和Ⅴb型襯砌監測情況見圖4、圖5和表4。

圖4 單線隧道襯砌拱頂沉降值分布圖

Fig. 4 Distribution of crown top settlement of single-line tunnel lining

圖5 單線隧道襯砌水平收斂值分布圖

Fig. 5 Distribution of horizontal convergence of single-line tunnel lining

表4單線隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道變形情況

Table 4 Single-line tunnel deformation in Grade Ⅳ and Ⅴ surrounding rocks

襯砌類型監測斷面數拱頂沉降值/mm水平收斂值/mmⅣb200 0～5 0～3Ⅴa600.2～30.27～4Ⅴb600.3～3.50.33～3.36

2)雙線無砟隧道Ⅳa和Ⅳb型襯砌監測情況見圖6、圖7和表5。

圖6 雙線無砟隧道Ⅳ型襯砌拱頂沉降值分布圖

Fig. 6 Distribution of crown top settlement of Ⅳ type lining of double-line ballastless tunnel

圖7 雙線無砟隧道Ⅳ型襯砌水平收斂值分布圖

Fig. 7 Distribution of horizontal convergence of Ⅳ type lining of double-line ballastless tunnel

表5雙線無砟隧道Ⅳ級圍巖變形情況

Table 5 Deformation of Grade Ⅳ surrounding rock of double-line ballastless tunnel

襯砌類型監測斷面數拱頂沉降值/mm水平收斂值/mmⅣa246-2～9-3～8Ⅳb248-2～7-3～8

3)雙線無砟隧道Ⅴa型、Ⅴb型和Ⅴc型襯砌監測情況圖8、圖9和表6。

圖8 雙線無砟隧道Ⅴ型襯砌拱頂沉降值分布圖

Fig. 8 Distribution of horizontal convergence of V type lining of double-line ballastless tunnel

圖9 雙線無砟隧道Ⅴ型襯砌水平收斂值分布圖

Fig. 9 Distribution of horizontal convergence of V type lining of double-line ballastless tunnel

4)雙線有砟隧道Ⅳa和Ⅳb型襯砌監測情況見圖10、圖11和表7。

5)雙線有砟隧道Ⅴa型、Ⅴb型和Ⅴc型襯砌監測情況見圖12、圖13和表8。

表6雙線無砟隧道Ⅴ級圍巖變形情況

Table 6 Deformation of Grade Ⅴ surrounding rock of double-line ballastless tunnel

襯砌類型監測斷面數拱頂沉降值/mm水平收斂值/mmⅤa356-3～141.0～18Ⅴb320-2～14 0～11Ⅴc192-1～15 0～15

圖10 雙線有砟隧道Ⅳ型襯砌拱頂沉降值分布圖

Fig. 10 Distribution of crown top settlement of Ⅳ type lining of double-line ballast tunnel

圖11 雙線有砟隧道Ⅳ型襯砌水平收斂值分布圖

Fig. 11 Distribution of horizontal convergence of Ⅳ type lining of double-line ballast tunnel

表7雙線有砟隧道Ⅳ級圍巖變形情況

Table 7 Deformation of Grade Ⅳ surrounding rock of double-line ballast tunnel

襯砌類型監測斷面數拱頂沉降值/mm水平收斂值/mmⅣa64-7～9-7～11 Ⅳb91.6～72.5～10.8

圖12 雙線有砟隧道Ⅴ型襯砌拱頂沉降值分布圖

Fig. 12 Distribution of horizontal convergence of Ⅴ type lining of double-line ballast tunnel

圖13 雙線有砟隧道Ⅴ型襯砌水平收斂值分布圖

Fig. 13 Distribution of horizontal convergence of Ⅴ type lining of double-line ballast tunnel

表8雙線有砟隧道Ⅴ級圍巖變形情況

Table 8 Deformation of Grade V surrounding rock of double-line ballast tunnel

襯砌類型監測斷面數拱頂沉降值/mm水平收斂值/mmⅤa238-7～15.6-7～14Ⅴb192-11～15-5～12Ⅴc126-8～16-9～16

統計結果顯示：

1)Ⅳ級圍巖共收集監測斷面767個，變形基本控制在0～20 mm，僅少數斷面監測數據超過20 mm，該區段圍巖為云母片巖、炭質板巖等軟巖，圍巖壓力相對較大。

2)Ⅴ級圍巖共收集監測斷面1 544個，變形基本控制在0～25 mm，僅少數斷面監測數據超過25 mm，該區段圍巖為云母片巖、炭質板巖等軟巖，圍巖壓力相對較大。

3)圍巖變形量基本控制在規范提供參考的預留變形量下限值以內。施工現場統計顯示，Ⅳ、Ⅴ級圍巖初期支護變形收斂時間分別約為1.5月、2月，可見,初期支護基本能夠承受全部圍巖壓力。

3 隧道初期支護荷載反分析

3.1 位移反分析方法

隧道支護結構因受到圍巖釋放的應力作用而產生變形，相比于結構材料形式復雜的圍巖，支護結構的材料截面形式則容易獲取。在巖石力學與工程中，利用工程現場測量得到的反映系統力學行為的某些物理量來推算該系統的各項或一些初始參數，這種問題通常被稱為反分析法。位移反分析法正是通過隧道現場量測的位移數據，利用數學力學模型進行位移-荷載反演法來推求支護荷載[9-12]。

隧道在開挖過程中破壞了原有地層的相對穩定狀態，從而引起洞周圍巖體的變形與位移。通過各種量測手段，可測得測點處的相對位移或絕對位移

(1)

另外，用初始的圍巖參數，通過數值模擬分析可得各監測點的模擬位移數值解

U=(u1,u2,…，ui), (i=1,2,…,n)。

(2)

式中u1,u2,…，ui為各監測點處的位移模擬計算值。

材料參數X主要包括地層材料彈性抗力系數k、泊松比μ、黏聚力c、內摩擦角φ、地層重度γ和噴射混凝土厚度d等，簡記為X=(k,μ,c,φ,d)T，所需要確定的參數稱為設計變量。 數值模擬得到的計算值與現場量測得到的實測值總有一定的差異，這種差異在數學上常用誤差函數或目標函數Δe來表示。

(3)

反分析理論認為： 當誤差函數Δe取最小值時，計算得到的位移解與實測得到的位移最為接近，計算采用的作用于隧道結構上的荷載即可視為現場真實的作用于隧道結構上的荷載。

3.2 數值模擬

采用“荷載-結構”法[13-14]計算隧道初期支護結構的受力狀態，初期支護結構采用梁單元模擬，圍巖與初期支護結構的相互作用采用彈簧單元模擬。計算模型及計算荷載如圖14所示，計算圍巖物理力學參數取值見表9。

(a) 計算模型

(b) 計算荷載示意圖

圍巖級別容重/(kN/m3)彈性抗力系數/(MPa/m)泊松比內摩擦角/(°)黏聚力/MPaⅣ21.53500.32300.4Ⅴ18.51500.4123.50.125

3.3 基于現場實測位移反分析的隧道圍巖壓力

以實測位移值為基礎，為了包含更多分析數據，以各級圍巖支護分析中數據主要集中區段的大值作為實測位移值，對設置鋼架的初期支護結構，反分析變形下的隧道圍巖壓力。單線單洞隧道斷面狹長，按收斂變形值控制；雙線隧道斷面接近圓形按沉降變形值控制，計算結果如表10所示。

表10 反分析圍巖壓力計算值

注： *比值=(計算值對應土荷載高度/按隧規計算荷載高度)×100%。

從表10可以看出：

1)單線隧道反分析得出圍巖壓力對應的土荷載高度Ⅳ級圍巖為3.72 m，Ⅴ級圍巖為7.81～8.01 m，與按規范松散壓力考慮計算高度Ⅳ級圍巖4.19 m、Ⅴ級圍巖8.52～8.56 m相比，反分析得出的圍巖荷載小于按規范計算的值，前者約為后者的88.8%～93.1%。

2)雙線隧道反分析得出土荷載高度Ⅳ級圍巖為4.35～4.65 m，Ⅴ級圍巖為8.51～8.99 m，與按規范松散壓力考慮計算高度Ⅳ級圍巖5.77～6.12 m、Ⅴ級圍巖11.65～12.48 m相比，反分析得出的圍巖荷載小于按規范計算的值，前者約為后者的70.7%～76.5%。

4 結論與討論

1)通過監測數據反分析得出的圍巖荷載要小于按規范計算的值，表明采用“快挖、快支、快封閉”的施工方法和超前預支護措施后，開挖引起的隧道周邊圍巖的松弛范圍減小，圍巖自承能力得到提高，作用在初期支護上的荷載減小。

2)本文從另一個角度即支護與地層的相互作用結果——監測變形值來計算分析支護結構承受的圍巖壓力(圍巖荷載)，此方法可以為隧道動態設計提供參考。

3)由于受施工范圍的限制，樣本只采用蒙華三荊段收集的監測數據。由于樣本數量有限，部分支護類別樣本數量偏少，導致分析結果與實際情況可能存在一定偏差。

4)因受條件限制，未進行初期支護背后壓力測試，現場動態設計時可考慮配合壓力測試進行圍巖荷載的確定。

5)本文僅對Ⅳ、Ⅴ級圍巖深埋隧道進行了分析，缺少Ⅱ、Ⅲ級圍巖的分析結果。建議今后在條件許可的情況下，按此方法開展更多不同工況條件的圍巖荷載分析。

[1] 鐵路隧道設計規范: TBJ 3—96[S]. 北京： 鐵道部建設司標準科情所，1996.

Code for design on tunnel of railway: TBJ 3—96 [S]. Beijing： Standard Branch, Construction Division of Ministry of Railways, 1996.

[2] 鐵路隧道設計規范: TB 10003—2001[S].北京： 中國鐵道出版社， 2001.

Code for design on tunnel of railway: TB 10003—2001 [S].Beijing： China Railway Publishing House， 2001.

[3] 鐵路隧道設計規范： TB 10003—2005[S]. 北京： 中國鐵道出版社， 2005.

Code for design on tunnel of railway: TB 10003—2005[S]. Beijing： China Railway Publishing House， 2005.

[4] 鐵路隧道設計規范： TB 10003—2016 [S]. 北京： 中國鐵道出版社， 2016.

Code for design of railway tunnel: TB 10003—2016[S].Beijing： China Railway Publishing House, 2016.

[5] 關寶樹.礦山法隧道關鍵技術[M]. 北京： 人民交通出版社， 2016.

GUAN Baoshu. Key technology of mine tunnel method[M]. Beijing: China Communications Press, 2016.

[6] 關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京： 人民交通出版社， 2003.

GUAN Baoshu. Tunnel engineering design essentials [M].Beijing: China Communications Press, 2003.

[7] 譚南京. 隧道施工監控量測及數據反分析技術研究[J]. 城市建筑， 2014(32)： 247.

TAN Nanjing. Research on tunnel construction monitoring and data analysis technology[J]. Urbanism and Architecture， 2014(32): 247.

[8] 鄧之友. 淺埋偏壓隧道結構荷載反分析研究[D]. 長沙： 中南大學， 2012.

DENG Zhiyou. Back-analysis of the structural load of shallow-buried tunnel[D]. Changsha: Central South University， 2012.

[9] 劉英棨，張謝東，陳衛東，等. 多位移反分析淺埋偏壓隧道初期支護荷載分布研究[J].隧道建設， 2016，36(7): 832.

LIU Yingqi, ZHANG Xiedong, CHEN Weidong, et al. Study of load distribution rules of primary support of shallow-covered unsymmetrically-pressured tunnel by using multi-displacement back analysis method[J].Tunnel Construction， 2016， 36(7): 832.

[10] 葉欣. 淺析基于位移反分析法的隧道支護研究[J].福建建筑， 2015(8): 87.

YE Xin. A brief analysis of tunnel support based on inverse analysis[J]. Fujian Architecture & Construction，2015(8): 87.

[11] 蔣樹屏，趙陽. 復雜地質條件下公路隧道圍巖監控量測與非確定性反分析研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2004，23(20)： 3460.

JIANG Shuping，ZHAO Yang. Study of monitoring and back analysis for highway tunnel with complex geology[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2004， 23(20)： 3460.

[12] 李延斌，溫世儒，吳霞. 基于位移反分析的淺埋偏壓隧道有限元模擬分析[J].公路， 2015(11): 235.

LI Yanbin, WEN Shiru, WU Xia. Finite element modeling of shallow-buried tunnel based on displacement back analysis[J].Highway， 2015(11): 235.

[13] 張世殊，裴向軍，魏小佳，等. 獅子坪電站二古溪1#隧道變形破壞特征及結構荷載反分析研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2014，33(11)： 2283.

ZHANG Shishu，PEI Xiangjun，WEI Xiaojia, et al. Back analysis of structural loads and deformation characteristics of Erguxi Tunnel #1 at Shiziping Hydropower Station[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2014， 33(11)： 2283.

[14] 李之達，陳立方，郭國華．隧道圍巖反分析與施工數值模擬[J]．交通科技， 2009(5)： 17．

LI Zhida，CHEN Lifang，GUO Guohua．Back analysis of surrounding rocks of tunnels and numerical simulation of tunnel construction[J]. Transportation Science & Technology， 2009(5)： 17.

StudyofLoadofDeep-buriedSoft-and-WeakSurroundingRockinSanmenxia-JingmenSectiononMenghuaRailway

GUAN Honghao1, SU Hui2, YANG Shiwu2, HU Yi1, MO Yangchun1

(1.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China; 2.Mengxi-HuazhongRailwayCo.,Ltd.,Beijing100073,China)

The current formula for deep-buried surrounding rock pressure inCodeforDesignonTunnelofRailwaydoes not take the bearing capacity of the surrounding rock of the tunnel arch and the effect of advanced support into consideration, and the calculated load is overlarge. In order to verify the actual compressive load of surrounding rock on primary support structure of deep tunnel, the deformation behavior of surrounding rocks and structure of Sanmenxia-Jingmen Section on Menghua Railway is discussed by analyzing deformation monitoring data of surrounding rocks; and the load-structure plane finite element model is established and the compressive load of surrounding rock is deduced by displacement analysis method of crown top settlement combined with horizontal convergence. The analytical results show that: 1) The surrounding rock load obtained by double-line tunnel back analysis is about 70.7%-76.5% of the calculated value obtained by formula of relevant standards. 2) The surrounding rock load obtained by single-line tunnel back analysis is about 88.8%-93.1% of the calculated value obtained by formula of relevant standards. The study results can provide guidance for site construction and support structure design and optimization of Menghua Railway.

Menghua Railway; deep tunnel; soft-and-weak surrounding rock; surrounding rock pressure; displacement back analysis; tunnel load

2017-08-16;

2017-12-08

管鴻浩(1972—)，男，湖北武漢人，1995年畢業于西南交通大學，土建工程專業，本科，高級工程師，主要從事隧道及地下工程設計工作。E-mail： tsyghh@163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.004

U 459.1

A

2096-4498(2017)12-1529-07