四川省綿茂路籃家巖隧道支護設計方案

摘 要：籃家巖隧道是四川省綿竹縣至茂縣2級公路的重點控制性工程，分析隧道的支護設計方案具有意義。本文在介紹工程概況的基礎上，克服軟弱巖石的影響，根據公路隧道設計國家標準，對隧道進行斷面設計和支護設計，通過計算驗算，設計結果符合國家的強度要求，滿足隧道的實際需求。

關鍵詞：隧道斷面設計；支護設計；軟弱巖石

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

1 工程概況

籃家巖隧道是四川省綿竹縣至茂縣 2 級公路的重點控制性工程，為單洞 2 車道雙向行車隧道，設計速度80km/h[1]。籃家巖隧道設計樁號為K43+200-K51+310（老樁號為K43+035～K51+150），全長8000m為本線路上最長的隧道，屬特長隧道。其進口設計洞底標高1747.009m，主軸線方向351°，出口設計洞底標高1850.0m。隧道縱坡采用人字坡，上坡坡度1.9%，下坡坡度-0.5%，隧道最大埋深約1820m。根據本次地質調查，主要按照巖石的堅硬程度和巖體完整程度兩個基本因素的定性特征，進口地段強風化（淺部）——弱風化，據茂縣段已有的資料， 強風化千枚巖飽和抗壓強度極低（<1 MPa），弱風化千枚巖巖石飽和抗壓強度在6～10Mpa之間，屬軟巖，巖體較破碎。估算圍巖基本質量指標取值巖休較完整，屬軟巖——較軟巖。巖石（取滴水狀），按圍巖分級標準劃分為Ⅴ級。按Rc=20MPa計算其千枚巖〔BQ〕值也小于250，隧道K43+035-K44+750洞室圍巖以白云巖、其余硬質巖為深埋段，弱——微風化，巖石較堅硬——堅硬，巖體較完整，圍巖劃分為Ⅲ級。

2 隧道設計

本隧道設計全部采用公路隧道設計國家標準[2]。

2.1 隧道斷面的設計

根據公路隧道建筑限界的規定：

本隧道為80km/h一級公路隧道可知：W=3.75m ， LL=0.5m ， LR=0.5m ， J=0.75， h=0.25m，H=5m 隧道建筑限界凈寬10.25m；W為行車道寬度；LL為左側的寬度；LR為右側的寬度；J是檢修道寬；h是檢修道高度；EL是建筑限界左頂角寬度；EL=LL；EE是建筑限界右頂角寬度。如圖1、2所示：

2.2 襯砌斷面內輪廓尺寸擬定

根據公路隧道設計規范采用如下3個公式擬定尺寸：

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寬度，其值為行車道寬度加上兩側路緣帶與人行道寬度的總和兩側還應該分別加上5到10cm；f是拱頂至拱腳的矢高，根據通風量所需的通風面積計算確定，并保證拱軸線得受力合理；β1、β2是內徑r1 r2畫出的圓曲線的終點截面與豎直面的夾角；a是內徑r1，r2的圓心O1與O2之間的水平距離。

根據設計的建筑限界得：b=10.4m，f=2.804m，a=0.8m，β1=51.906o；

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

取墻式邊墻內徑r3由參數H1及b1確定：r3=H12+b12/2（H1sinβ3+b1cosβ3），

β3=90o-β2；

由建筑限界計算得：H1=4.5m ，b1=0.2m；從而得出 r3=10m；算得內輪廓線面積S1=69.62m2。

2.3 隧道外輪廓線的擬定

按照工程類比法的方法將內輪廓線向外擴大20cm即為外輪廓線如圖3：求得外輪廓的面積S2=76.11m2。

2.4 隧道實際開挖面積和開挖邊界

在使用鉆爆施工時，由于爆破會導致隧道邊緣出現各種凹凸不平的不規則形狀，因此未來保護外輪廓線能夠正常完好的施工，一般我們將外輪廓線向外推出10cm達到保護隧道外輪廓線的目的，此時的隧道開挖線即隧道實際開挖線，如圖4所示，實際開挖面積S3=79.456m2。

3 隧道支護設計

3.1 巖石等級確定

由于巖土體性質、地應力、邊界條件、施工過程等方面的復雜性和隨機性，使得公路隧道圍巖壓力的確定或計算變得十分困難[3]。因而采用的是我國的[BQ]法確定巖石強度等級，具體如下：

本隧道長度為449m，因此選用BQ法判定隧道圍巖的分級。在樁號Zk39+321-Zk39+390，長度69m，BQ=230，為Ⅴ級圍巖，記為①號巖體。在樁號Zk39+390-Zk39+500，長度110m，BQ=321，為Ⅳ級圍巖，記為②號巖體。在樁號Zk39+500-Zk39+568，長度60m，BQ=224，為Ⅴ級圍巖，記為③號巖體。在樁號Yk39+313-Yk39+363，長度50m，BQ=227，為Ⅴ級圍巖，記為④號巖體在樁號Yk39+363-Yk39+448，長度85m，BQ=316，為Ⅳ級圍巖，記為⑤號巖體。在樁號Yk39+448-Yk39+515，長度67m，BQ=222，為Ⅳ級圍巖，記為⑥號巖體。

3.2 圍巖壓力確定

根據公路隧道設計國標規定，該項目采用了通過中國高速公路隧道和鐵路隧道來計算采用垂直方向的一致壓力的方式。它根據工程類推法，從統計上分析中國數百人的隧道崩潰的調查數據。

圍巖豎向均布壓力q按下式計算：q=0.45*2s-1*γω；

式中：S是圍巖級別；γ是圍巖容重，kN/m2；ω =1+i（B-5）寬度影響因素；B是隧道寬度；i以B=5m為基準，B每增減1m是大的圍巖壓力增減率，當B<5m，取i=0.2；當B>5m，取i=0.1。

因此，①③④⑥號巖體的豎向均布壓力為：q1=28.548MPa；按工程地質類比法得到①③④⑥號圍巖的水平均布壓力：e1=28.548*0.17=4.85MPa；而②⑤號巖體的豎向均布壓力為：q2=59.292MPa；水平均布壓力為：e2=19.57MPa。

3.3 錨桿直徑與長度的計算

軟弱圍巖隧道開挖后自穩能力差，易發生大的變形、鋼架扭曲等現象[4]。隧道支護結構體系是圍巖穩定性控制的關鍵，也是隧道設計的基本任務，而對支護結構之間相互作用過程和機制的系統認識則是定量化設計的基礎[5]。由于隧道的周圍巖石不穩定，所以采用錨桿將他們連接的可能穩定的巖石上。它的主要效果是使危石和不穩定的巖石穩定下來，因此錨桿必須承受錨固所有不穩定的巖石重力。

當塊體危石墜落時，除使錨桿產生剪切作用，根據靜力平衡有：

Q=Gsinξ1/sinψ

N=Gsin（ψ-ξ1）/sinψ

式中：N錨桿所受拉力；Q錨桿所受剪力；G危石重力或一根錨桿承擔的巖石重力；ψ錨桿與地質結構面的夾角；ξ1錨桿與垂直線的夾角。

由于不能準確確定危石的大小和形狀本計算公式不適用。因而本工程采用經驗類比法計算錨桿的長度和直徑。如圖5所示： L=4m d=20cm 間距0.8m 采用φ20cm螺紋鋼。

3.4 工程驗算

工程驗算的計算簡圖如圖6所示：

計算結果表明：配筋符合要求滿足設計強度，可以使用。

4 結語

本次設計按照設計要求的隧道參數，并按設計規范設計此次隧道的斷面設計采用三圓心拱設計，設計得三個圓半徑分別為6.16m、7.18m、10m，得出內輪廓線面積69.62m2。依據工程類比法得出外輪廓線面積76.11m2，由于開挖爆破形成不規則形狀，因此得出實際開挖面積79.456m2。且本次隧道采用錨噴支護設計，算得錨桿長度4m，直徑20cm，間距0.8m，采用φ20cm螺紋鋼，經驗算符合設計的要求。根據國家規范完成了隧道的斷面，支護設計，通過計算驗算符合國家的強度要求，滿足隧道的實際需求。

參考文獻：

[1]李瀟，嚴松宏.籃家巖隧道軟弱圍巖大變形機理分析及綜合控制[J].公路交通技術，2015（01）：102-105.

[2]JTG D70-2004， 公路隧道設計規范[S]

[3]曲海鋒，楊重存，朱合華，王華牢，楊彥民.公路隧道圍巖壓力研究與發展[J].地下空間與工程學報，2007，3（03）：536-543.

[4]李書兵.軟弱圍巖隧道機械化全斷面爆破開挖初期支護受力特性研究[J].隧道建設（中英文），2018，38（08）：1293-1302.

[5]張頂立，孫振宇，侯艷娟.隧道支護結構體系及其協同作用[J/OL].力學學報：1-14.

作者簡介：楊長生（1995-），男，重慶人，碩士研究生在讀，研究方向：工程地質。